初期支护之喷射混凝土讲解

主讲教师：骆宪龙《隧道工程》石家庄铁路职业技术学院模块四山岭隧道常规施工方法第7单元支护第7单元支护7.1初期支护7.2二次衬砌7.3仰拱7.1初期支护三、喷射混凝土喷射混凝土既是一种新型的支护结构，又是一种新的施工工艺。它是使用混凝土喷射机，按一定的混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土，喷射到岩壁表面上，并迅速固结成一层支护结构，从而对围岩起到支护作用。1、喷混凝土的作用

(2)“卸载”作用

(1)支撑围岩

(3)填平补强围岩承载圈NN粘结粘结剪切剪切(4)覆盖围岩表面(5)阻止围岩松动

(6)分配外力潮气裂隙水ττ2、喷混凝土的特点及力学性能(1)喷射混凝土具有强度增长快、粘结力强、密度大、抗渗性好的特点。它能较好地填充岩块间的裂隙的凹穴，增加围岩的整体性，防止自由面的风化和松动，并与围岩共同工作。

喷混凝土的特点

(2)与普通模筑混凝土相比，喷射混凝土施工将输送、浇注、捣固几道工序合而为一，更不需模板，因而施工快速、简捷。喷层的力学性能

(3)喷射混凝土能及早发挥承载作用。它能在10min左右终凝，一般2h后即具有强度，8h后可达2MPa，16h后达5MPa,一天后可达7~8MPa，四天达到28d强度的70%左右。

(4)试验表明，喷射混凝土与模筑混凝土相比，密实性和性能稳定性要差。而性能较干式喷射混凝土有显著改善。喷射混凝土的主要力学特性有强度和变形特性。主要强度指标：设计强度与受压弹性模量。喷射混凝土的粘结强度包括抗拉粘结强度和抗剪粘结强度。前者用于衡量喷射混凝土在受到垂直于界面方向拉应力作用时的粘结能力，后者则反映抵抗平行于界面作用力的能力。喷射混凝土与岩石的粘结强度：与待喷岩石性质、岩面条件、节理充填物等有密切关系。新喷射混凝土与原喷混凝土的粘结强度:抗剪粘结强度一般为0.7~2.85MPa，与喷射混凝土界面的抗拉粘结强度是1.47~3.49MPa。3、喷射工艺种类喷射混凝土的工艺流程有干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种。

主要区别是各工艺的投料程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同。细骨料粗骨料水泥搅拌机干式喷射机压缩空气速凝剂水喷头干喷、潮喷工艺流程细骨料粗骨料水泥水外加剂搅拌机湿式喷射机压缩空气速凝剂湿喷工艺流程干喷的缺点是产生的粉尘量大，回弹量大，加水是由喷嘴处的阀门控制的，水灰比的控制程度与喷射手操作的熟练程度有关。但使用的机械较简单，机械清洗和故障处理容易。潮喷是将骨料预加少量水，使之呈潮湿状，再加水泥拌和，从而降低上料、拌和和喷射时的粉尘。但大量的水仍是在喷头处加入和喷出的。湿喷混凝土质量容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量很少。但对喷射机械要求较高，机械清洗和故障处理较麻烦。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道，则不易使用湿喷。混合喷射又称水泥裹砂造壳喷射法，是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳；然后加第二次水和减水剂拌和成SEC砂浆；将另一部分砂和石、速凝剂强制搅拌均匀。然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。

砂浆泵搅拌机搅拌机干喷机混合管喷头一次水水泥二次水减水剂砂石速凝剂混合喷射工艺流程混合喷射是分次投料搅拌工艺与喷射工艺的结合，关键是水泥裹砂(或砂、石)造壳技术。由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和潮凝土强度较低，一般只能达到C20，而混合喷射和湿喷则可达到C30~C35。4、素喷混凝土设计与施工设计要点

(1)喷射混凝土设计的最低强度不应低于15MPa，一般设计强度为20MPa，一天龄期抗压强度不应低于5MPa。对Ⅱ~Ⅲ级围岩，喷射混凝土与岩面的粘结强度不应低于0.8MPa，对Ⅳ级围岩，喷射混凝土与岩面的粘结强度不应低于0.5MPa。

(2)喷射混凝土支护的设计厚度，防止围岩风化、浸蚀，不得小于30mm;作为支护结构，不得小于50mm；若围岩含水，不得小于80mm；为防止由于收缩裂纹而剥落并妨碍柔性特点的发挥，以及减少在软弱围岩中产生较大变形压力，喷射混凝土最厚不宜超过200mm。

(3)在Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级围岩中，易出现局部不稳定岩块，喷射混凝土的设计厚度应按下式验算：

(4)喷射混凝土中含有较多的大小适中、分布均匀、彼此不串通的气泡，故提高了抗渗性。一般若水灰比不超过0.55时，可以达到P8。要求有较高的抗渗性时，水灰比最好不超过0.45~0.50。(5)采用水泥裹砂喷射工艺时，造壳水灰比与砂子的细度模数关系很大，砂子越细，其表面需水量越大，则需要较大的造壳水灰比。一般在0.15~0.35范围内。与水泥品种亦有很大关系，一般地，矿碴水泥、火山灰水泥较之硅酸盐(普通硅酸盐)水泥的最佳造壳水灰比大0.05以上。对普通中砂，当造壳水灰比W1/C为0.20~0.25时，28d强度及其它指标均最高，称为最佳造壳水灰比。

(6)拌制SEC砂浆应采用强制式搅拌机，以缩短搅拌时间和改善造壳效果。尤其第二次加水后的搅拌时间不能太长，要加以严格控制。原料

(1)水泥

(2)砂

(3)碎石或卵石(细石)

(4)骨料成分和级配

(5)水

(6)外加剂配比(1)干集料中水泥与砂石重量比，一般为1:4~1:4.5，每立方米干集料中，水泥用量约为400kg。(2)砂率一般为45%~55%。实践证明，低于45%或高于55%时，均易造成堵管，且回弹大，强度降低，收缩加大。(3)水灰比一般为0.4~0.45。采用水泥裹砂喷射工艺时，还应试验选择最佳造壳水灰比。(4)速凝剂和其它外加剂的掺量，由试验来确定最佳掺量，并达到各龄期的设计强度要求。(5)喷射混凝土搅拌时间及搅拌后临时存放时间均应按规范规定进行。喷射混凝土机械设备

(1)喷射机。干式喷射机湿式喷射机

(2)机械手。喷头的移动和喷射方向、距离的控制，可采用人力直接控制或机械手控制。

(3)喷射混凝土的拌制宜用强制式搅拌机。喷前检查及准备

(1)开挖断面尺寸检查，清除松动危岩，欠挖超标严重的应予处理。

(2)根据石质情况，用高压风或水清洗受喷面。

(3)受喷岩面有集中渗水时，作好排水引流处理，无集中水时，根据岩面潮湿程度，适当调整水灰比。

(4)埋设喷层厚度检查标志，一般是在石缝处钉铁钉，或用快硬水泥安设钢筋头，并记录其外露长度。

(5)检查调试好各机械设备的工作状态。施喷注意事项

(1)喷射时应分段(不超过6m)、分部(先下后上)、分块(2.0m×2.0m)，严格按先墙后拱，先下后上的顺序进行，以减少混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象发生。(2)喷射时可以采用S形往返移动前进，也可以采用螺旋形移动前进。1237896542m2m2m1.5m边墙喷射分区及喷射顺序1.5m1.5m拱脚线拱顶中心线2m2m2m23654131078911121415拱圈喷射分区及喷射顺序1(3)喷射时喷嘴要垂直于受喷面，倾斜角不大于10°，距离0.8~1.2m。

(4)对于岩面凹陷处应先喷多喷，凸出处应后喷少喷。(5)喷射时一次喷射厚度不得太薄或太厚，它主要与混凝土的粘结力和受喷部位及回弹情况等有关。(6)设计喷层较厚，应分层喷射，一般分2~3层喷射；一般要在初喷混凝土终凝以后再进行复喷。间隔时间较长时，复喷应将初喷混凝土表面清洗干净，复喷应将凹陷处进一步找平。(7)应在其终凝1~2h后进行水养护，养护时间一般不少于7d。(8)冬季施工时作业区的气温不得低于5℃；若气温低于5℃，亦不得洒水；未达到设计强度的50%时，若气温降低到5℃以下，则应注意采取保温防冻措施。(9)回弹物料的利用。实测表明，采用干法喷射混凝土时，一般边墙的回弹率为10%~20%，拱部为20%~35%，回弹量相当大。应设法减少回弹，将回弹物料回收利用。及时回收的洁净而尚未凝结的回弹物，可以按一定比例掺入混合料中重新搅拌后喷射，但掺量不宜大于15%，且不宜用于喷射拱部；回弹物的另一处理途径是掺进普通混凝土中，但掺量也应加以控制。5、钢纤维喷射混凝土

混凝土增强纤维钢纤维非钢纤维高弹纤维低弹纤维喷纤维混凝土与喷普通混凝土的最大区别是：弯曲拉伸及抗剪强度大；峰值强度后的残留强度大；峰值强度后的变形能力及韧性大，开裂发生后也能传递拉力；耐冲击、抗冻融性好。钢纤维喷射混凝土是在喷射混凝土中加入钢纤维，弥补喷射混凝土的脆性破坏缺陷，改善喷射混凝土的物理力学性能。在发生很大荷载和变形的隧道洞口和断层破碎带、膨胀性围岩、弯曲应力大的扁平断面、隧道分叉地段、发生复杂应力的地段等，使用效果是很明显的。钢纤维的生产方法通常有钢丝切断法、薄钢板切断法、铣削法、熔抽法及轧制法。钢纤维在投入搅拌机后，其形状、尺寸要能均匀地分散到混凝土中，同时喷射混凝土要容易输送、喷射。

麻花状矩形断面（或圆形断面）

不能过长过细、过粗过短

通常在喷射钢纤维混凝土中，钢纤维的直径(或等效直径)为0.3~0.6mm，长度为20~40mm，长径比为40~60，钢纤维的体积掺量为1％~2％。性能特点(1)钢纤维喷射混凝土中的钢纤维主要在喷射平面内呈两维分布，且相当均匀。(2)钢纤维喷射混凝土的破坏呈塑性破坏，因此容许有较大的变形，裂缝出现后仍有一定的承载能力。(3)在一般掺量情况下比普通喷射混凝土的抗压强度提高30%~60%，抗拉强度提高50%~80%，抗弯强度提高40%~70%。(4)当钢纤维掺量大于1.5%时，钢纤维喷射混凝土的韧性(加载至试件完全破坏所做的功)为普通喷射混凝土的20~50倍，抗冲击性能提高8%~30%，抗磨损性能能提高30%设计要点(1)物理力学性能除与喷射混凝土的物理力学性能有直接关系外，同时与钢纤维的形状、尺寸、掺量、以及钢纤维在基体材料中的分布状态和排列方向、喷射工艺等有直接关系。(2)当钢纤维尺寸相同时，其抗拉、抗弯强度随钢纤维含量的增强而提高。(3)当钢纤维长度、掺量相同时，细纤维较粗纤维的强度有显著提高。(4)当钢纤维的尺寸相同，掺量高的较掺量低的抗冲击性能显著提高。(5)钢纤维喷射混凝土的配合比：水泥:砂:石＝1:1.6:1.6，水泥标号不低于525号，砂子采用中砂，石子采用筛洗卵石，最大粒径10mm，钢纤维掺量一般为喷射混凝土重量的1.0%~2.0%，规格尺寸为直径×长度＝0.3mm×20mm或0.4mm×20mm或0.4mm×25mm。施工要点(1)应选用经过实用检验的喷射机械。主要问题是防止钢纤维结团堵管。(2)钢纤维和基料必须拌和均匀，避免结成喷射机拔料盘堵塞或堵管。方法是先将水泥、砂、石拌和均匀，然后掺入钢纤维和速凝剂，再拌和均匀，装入运输车。(3)操作同普通喷射混凝土，但输料管的磨耗大，一般要高于普通喷射混凝土30%~40%。(4)风压要比普通喷射混凝土高0.02~0.05MPa；当输送距离不大于40m时，风压一般可为0.05~0.18MPa。6、聚丙稀纤维喷射混凝土(合成纤维)聚丙烯纤维根据其形状和构造不同，可分为单丝纤维和网状纤维。特点：聚丙烯纤维在混凝土的碱性环境下非常稳定，熔点较高，表面憎水，100％的湿强保持率，质量轻，价格低，加工性能优良、不成团、不缠结，混凝上的能量吸收能力和延性提高了，抗弯强度和疲劳极限也有提高，但抗压强度提高不多。聚丙烯纤维减少了混凝土的早期塑性收缩裂纹并能阻止它