普通喷混凝土的施工工艺

普通喷混凝土的施工工艺在矿山法中，喷混凝土作为围岩开挖后的主要支护构件起着相当大的作用。具有实际作业经验的技术人员，都认识到这一点。但在实际工作中，常常忽视它的存在和作用。因而，时常发生喷射量不足、喷射厚度不均匀、喷射配比不合适以及基底处理不当等现象，使喷混凝土不能充分发挥其应有的作用。这实质上是对喷混凝土的作用缺乏足够的认识所造成的。因此，在喷混凝土施工中，提高对喷混凝土支护作用的认识，是极为必要的。作为隧道支护构件的喷混凝土的支护作用，如表１所示，简要归纳为以下几点。1）首先，要认识到喷混凝土是惟一地能够与围岩大面积的、牢固接触的一种支护方式，是其他方式所不能代替的。从力学意义上说，它既能传递径向应力也能够传递切向应力。2）喷混凝土与岩层的附着力可以把作用在喷混凝土上的外力分散到围岩上，同时也提供了隧道周边的裂隙和节理等以剪切阻力保持块体的平衡，防止局部掉块，在隧道壁面附近形成一承载环。在裂隙多的硬岩中这种效果是比较大的。3）比较厚的喷混凝土是作为一个连续构件支护围岩的，给予约束围岩变形的支护力（内压），使围岩保持近于3轴的应力状态，控制了围岩的应力释放。同时，因早期铺设仰拱使断面临时封闭，更好地发挥了支护效果。这种效果在软岩和土砂围岩中是显著的。4）具有能够将土压传递到钢支撑和锚杆上的作用。5）填平围岩的凹面，覆盖弱层，而防止应力集中，而加强了软弱层。6）开挖后，因立即被覆壁面，具有防止围岩风化、止水和微颗粒流出等的效果。表1能够发挥上述效果的喷混凝土，要求具有一次强度特性、长期强度特性、防止喷射后的围岩崩落的良好的附着性、施工性等优良的品质，考虑隧道洞内的温度、湿度、爆破振动等，到目前为止，多采用水泥用量比较多、添加速凝剂的特殊的混凝土。特别是，作为支护构件的喷混凝土，要求在喷射后数小时内就要产生所需的强度，确保这种品质是极为重要的。这里“初期强度”指喷射后能够支持自重和随掌子面推进的荷载的施工上所需的强度。意味着龄期24h抗压强度，与通常的混凝土灌注后数天的“初期强度”是不同的。“长期强度“是指龄期28d的抗压强度，不是通常混凝土的90d和180d的强度。目前在喷混凝土施工中出现的问题，除了对喷混凝土支护的认识不充分外，主要是喷混凝土施工工艺上还存在一些不可忽视的问题，如：喷射方式的选择、喷射材料的选择、喷射配比的确定、喷射厚度的检查和控制等。为了充分发挥喷混凝土的支护效果，最重要的是要解决好喷混凝土施工的4要素。强度：有足够的强度，特别是一次强度；厚度：要确保附着层的厚度，或者使喷射表面平滑；附着：与围岩牢固附着成为一体，相互间就能够传递力和变形；密实：附着层密实、均质、耐久。1）喷射方式的选择喷混凝土的喷射方式，从拌合方法、压送方法看，大体上分干式和湿式两种。目前，通常采用具有比较大的生产能力的，能够喷射新浇混凝土的湿喷方法。根据不完全统计，目前，欧洲国家绝大多数采用湿喷方式，日本的湿喷采用率也达到70%以上。目前，在隧道施工中，湿喷已成为主流方式。而我国的湿喷采用率，还不到20%。因此，大力开发和研制与湿喷技术有关的机械、速凝剂等，是很必要的。表2是两种方法的比较。表2喷射方式的比较项目方式干喷法湿喷法混凝土性质配比管理上的特性根据喷射面的状况，W/C是在喷嘴处管理，而由喷射工决定W/C。由于机械的改良，可以让W/C有微小的变动。W/C值比较小（45~55%）。配比中，水/水泥比的调整会影响骨料的表面水率和喷嘴前添加的水量。喷射手的熟练程度也有影响由于机械性能的提高和改善，可以喷射低坍落度（降低W/C）的混凝土。喷射混凝土是用拌合设备制造的，接近通常灌注混凝土的情况。要对混凝土的坍落度、空气量、强度等进行管理。也要注意对喷射量、喷射压力的管理强度特性（一次强度）加水后的混凝土即可喷射，因W/C比较小，对一次强度有利。回弹中粗骨料比较多，因此单位水泥用量也多为确保施工性，W/C稍大些，一次强度也稍低些表面状况由于喷射后强度出现的快，喷射面比较平滑由于喷射后强度出现稍迟，施工性压送能力水平：150~200m垂直：100~150m水平：100m垂直：30~50m不管那种方式，压送距离最好短些施工能力5~12m3/h8~20m3/h其他粉尘现状，无很大差异回弹现状无很大差异涌水对策因水量可以调整，在一定程度上可以适应。因水量不能调整，适应范围很小。拌置时间根据水量，最好在2h时内根据水量，最好在1h内作业性机械、管路可用空气清扫机械、管路要完全用水清洗干喷方式，是在水泥和骨料拌和后加入速凝剂，用压缩空气压送，在喷嘴处加压力水喷射的方式。在喷嘴处是干拌和料与水混合，W/C可以小些。混凝土的品质，受到喷射手的熟练程度和能力的左右。同时，粉尘和回弹较多。但材料的压送距离比较大。而湿喷方式，与通常的混凝土制造相同，事先将包括水在内的各种材料正确地计量、充分地拌合，而后用压缩空气或泵压送，在喷嘴处加速凝剂的方式。与干喷方式比，混凝土的品质管理比较容易，粉尘和回弹小，但用压缩空气压送，不能长距离的输送。同时，湿喷方式，拌合后放置时间的管理是很重要的，特别是，最近引人瞩目的高强度或低粉尘的喷混凝土施工更要求进行严格的施工管理。湿喷方式与干喷比较，在施工能力方面是有利的，适合于大断面、隧道的喷射施工。图1是两种作业方式的系统图，各有特点，应根据现场规模、状况和喷射量分别使用。因此，选择喷射方式时，要充分研究喷射厚度、隧道长度、断面大小、开挖方法及涌水的有无等。对于涌水，一般说，干喷是比较好的。速凝剂的添加位置，液体速凝剂和粉体速凝剂是不同的。图1喷射方式的系统图2）喷混凝土的配比设计在配比设计中，大家一定要分清楚从喷射口出来的混凝土配比和附着在围岩表面上的配比，是不一样的。前者可以称为喷射配比，后者称为附着配比。设计规定的喷混凝土强度，如C20、C25等，应该是由附着配比决定的。但因现场对附着配比管理比较困难，因此一般都按照设计配比进行管理。一般说，为了满足附着配比（即设计配比）的要求，就不得不改变现场配比（喷射配比）的参数。例如表3所列的关系，就是这种考虑的事例。表3喷射前喷混凝土强度的对应关系喷射后喷混凝土强度C30C35C40C45C50C55喷射前喷混凝土强度C38C43C48C54C60C65也就是说，现场配比应适当提高喷混凝土的强度等级，以确保附着在围岩表面的喷混凝土的设计强度。与喷混凝土强度、耐久性、水密性、抵抗开裂性、保护钢材的性能有最大关系的是：水灰比、单位水量及单位水泥量，还有使喷混凝土在短时间凝结的速凝剂用量。即：单位水量、单位水泥用量和速凝剂用量支配着喷混凝土的品质。在适合作业的范围内，单位水量越小，则获得要求品质的混凝土的必要的单位水泥用量、速凝剂用量也少，是经济的。同时喷混凝土的开裂也将减少。另外，使用单位水量多的喷混凝土，单位水泥用量和速凝剂用量也要增加，是不经济的。同时压送管的压送状况变差易产生脉动和材料离析。特别是，增加速凝剂用量，对长期强度的增长有影响。（1）骨料中，细骨料是喷混凝土构成材料中占最大容积的材料，其品质对回弹等施工性影响极大。一般说，颗粒越粗，回弹越多，反之，过细则配管内的阻力越大，易引起堵塞。作为细骨料采用河砂最合适，但因不易获得，也可使用海砂、山砂、碎砂等。粗骨料率一般在2.3~3.1之间。粗骨料的粒径越大越经济，但回弹过多，易引起堵塞。粗骨料粒径最大一般在10~15mm左右。在湿喷中最好采用10mm。通常在判断对碱性骨料反应有害的场合，应采取合适的措施，如使用低碱型水泥、能够确认有控制反应效果的高炉水泥、火山灰混合水泥等，使混凝土中碱的总量（换算为NaO）控制在3.0kg/m以内。但是喷混凝土要使用速凝剂，碱的总量通常在3.0kg/m以下，从早期强度的观点看，使用水泥的类型是有限制的。因此，喷混凝土采用的骨料，要采用对碱性骨料反应无害的材料。在喷混凝土中使用速凝剂的目的是提高作业效率、减少因自重而剥落、促进混凝土凝结。使用速凝剂是为了支护构件及早获得必要的强度和促进混凝土硬化能够承受爆破的震动。速凝剂对喷混凝土的一次强度长期强度影响很大，增加添加量可以减少回弹，早期的强度也高。但是，如图2所示，添加量超过某一限度后，凝结时间非但没有缩短，强度也会降低。图2速凝剂添加量和抗压强度的关系速凝剂的效果，与水泥种类和水灰比、温度等条件有微妙的关系，除参考其他现场的使用经验外，应进行试验研究最佳的速凝剂的种类、添加量。速凝剂的种类在日本湿喷方式多采用矿物系的粉体。最近一种没有碱性的液体速凝剂已投入使用。速凝剂的种类示于图3。矾土系（矿物系）粉体硫铝酸钙系（矿物系）铝酸钠钙系（矿物系）铝酸盐系速凝剂液体铝酸盐系水溶性铝酸盐系图3速凝剂种类硅灰是一种以非晶质的SiO为主成分的球形超微粒子的混合材料。采用硅灰的喷混凝土在欧美等国家是用来补修衬砌的，在提高其品质的同时，作业性也有了很大的改善。在日本，隧道中采用硅灰的也很多，也承认有改善的效果。近年在隧道施工中，由于采用硅灰，控制了速凝剂的添加量，出现了高强度高耐久性的喷混凝土，可以作为永久性的衬砌。混合硅灰后可以改善喷混凝土的性能。即：·提高品质：强度增大、提高水密性和抗冻害性能；·提高施工性：改善压送性能、减少回弹；·改善作业环境：减少粉尘。采用湿喷方式时，为了获得合适的和易性，多采用减水剂、AE减水剂、高性能减水剂。由于使用这些混合剂，混凝土的和易性得到改善，减少了单位用水量，提高了抗冻害性，也改善了水密性。优点是很多的。但是，这些混合剂的效果，根据使用的水泥、骨料的品质、混凝土配比、施工方法等的不同而不同。目前市售的减水剂种类繁多，其品质和性能也差异很大，选择时应加以注意。喷混凝土的配比强度，与通常的灌注混凝土不同，受到施工条件的影响极大，离散性也大。为此，决定喷混凝土的配比强度时，应满足施工要求的一次强度和结构物要求的设计基准强度，根据经验和试验求出合适的值。喷混凝土的设计基准强度应与通常混凝土的强度相同，龄期28d为18N/mm2左右。设计基准强度采用18N/mm2的场合，试件的抗压强度多为24~36N/mm2左右。但此值因施工条件、配比、材料的品质等有些变动，决定配比强度时，要考虑这些变动。（1）喷混凝土的配比和品质，因喷射面的状态和喷射工的熟练程度而有很大的变动。为此，决定干喷混凝土的配比时，应参考有关事例、附着的混凝土品质、经济性、作业性等决定。干喷混凝土的作业性，要考虑以下项目。·压送中不产生闭塞和脉动；·回弹及粉尘少；·喷射混凝土不产生剥离、剥落及流淌。日本1990年12月调查的43件干喷的混凝土配比结果，求出的配比各项目的平均值，列于表4。表4干喷的喷混凝土配比的平均值项目配比粗骨料最大尺寸10~15mm细骨料率s/a61.6（%）单位水泥用量C359（kg/m3）水灰比W/C53（%）速凝剂添加量（·C）6.7（%）速凝剂的使用量应根据围岩条件、喷射位置、气温等施工条件增减。但使用量超过某一限度不仅效果不大，而且对长期强度的增长也有一定影响，因此应根据试验及工程实践决定添加量。（2）湿喷混凝土的配比除与干喷混凝土的情况同样考虑外，还要根据粗骨料的最大尺寸、坍落度及配比强度决定。但在泵送的场合，要根据压送性决定混凝土的坍落度。坍落度小，压送性能差，闭塞的可能性大，因此，坍落度多取8cm以上。调查的193件湿喷的配比结果列于表5。表5湿喷的喷混凝土配比的平均值项目配比粗骨料最大尺寸10~15mm细骨料率s/a62（%）单位水泥用量C360（kg/m3）水灰比W/C56（%）速凝剂添加量（·C）5.9（%）一些国家和部门采用的喷混凝土配比例列于表6。表6喷混凝土的配比例单位水泥用量C（kg/m）坍落度（cm）最大骨料尺寸（mm）W/C（%）s/a（%）速凝剂C·（%）日本铁道公团（铁道）干喷350-1545554.5湿喷390101055604.0日本道路协会（公路）干喷360-1545555.5湿喷36081555605.5日本道路协会（高速公路）干喷360-1556627.0湿喷36081556627.03）金属网金属网在软岩和土砂围岩中能够提高附着力，在膨胀性围岩中能够防止剥落、提高柔性，在节理和龟裂多的硬岩中能够提高抗剪性能和柔性。同时，在有腐蚀的场合，也有采用玻璃纤维、炭纤维和尼龙纤维等非金属系的高强度纤维网的施工示例。金属网的网格尺寸通常采用100mm×100mm或150mm×150mm，线径采用3.2~6.0mm。但在土砂围岩中也有采用1cm×1cm的金属网的例子。应该指出：金属网的线径不宜过粗，以利于随喷混凝土表面铺设。同时，加快铺设速度，最好事先根据隧道尺寸，预制成网片，成片铺设。4）喷射面的事前处理喷射基面的处理对保证喷混凝土与围岩紧密接触（附着）是非常重要的。因此喷射的第一步是：为确保喷射作业的安全和喷混凝土与围岩成为一体，要事先把可能落下的浮石等仔细地清除。有涌水时不仅使喷混凝土的附着性降低，水混入后也会降低混凝土的品质，在硬化前，喷混凝土会流失，硬化后混凝土背后会因水压作用造成开裂和剥离。因此，要进行排水处理。在寒冷地区的洞口附近施工的场合，要注意冻结。第二步是：对围岩表面凸凹显著的部位填平补齐，为防水板的张挂创造良好的条件。第三步是：设置金属网或钢筋时，如固定不好，喷射作业中会发生移动，也会因金属网振动而产生开裂。因此设置的金属网、钢筋等必须用混凝土钉、锚栓、锚杆、钢支撑等充分固定好。喷混凝土与干喷或湿喷无关，因添加速凝剂而急剧硬化。因此，在速凝剂添加后尽早喷射是很重要的。5）拱部和侧壁的喷射作业（1）从喷嘴中喷出的混凝土以适当冲击速度，与壁面成直角喷射时，压密性最好。喷射成斜角时，会损伤已喷射的混凝土部分，回弹和剥离也多。喷射距离（喷嘴到喷射面的距离），应根据材料的冲击速度和材料的附着性进行调整。（2）一次喷射厚度，因喷射面的位置及干湿状态、喷射材料的不同、速凝剂的种类及添加量、喷射方式的不同和喷射手的熟练程度等而异，但厚度应以材料不剥离、不流失为准。最好在先喷的混凝土硬化后再喷下一层混凝土。（3）回弹量与喷射方式、施工位置、空气压力、出来的配比、骨料的最大尺寸及平时4厚度等而异。最好采用适当的配比和施工方法，来减少回弹量，提高喷混凝土的质量。特别是在纤维混凝土的场合，纤维的回弹也多，更要注意喷射压力和配比。6）涌水地点的喷射作业涌水集中或量大的地点，可采用图4的方法进行处理。图4涌水处理方法7）仰拱地点的喷射作业仰拱处的喷射作业，原则上与前节相同。仰拱和侧壁向下的喷射作业，不能在喷混凝土中产生弱层。8）爆破对喷混凝土的影响一般说，喷混凝土是靠近掌子面喷射的，会强烈地受到爆破的影响。特别是对低龄喷混凝土。日本曾进行爆破对喷混凝土影响的试验研究。其结果可以作为参考。在一座断面积为76m2，采用台阶法施工的公路隧道中，一次爆破炸药量为80~132kg，喷混凝土距掌子面0.75m，材龄1.5d。爆破后在喷混凝土中产生最大56.3cm/s的振动速度，但没有发生有害的开裂。虽然目前还没有相应的规定，但一般认为，爆破振动速度控制在50cm/s以下是容许的。表7是量测的振动速度最大值。图5是量测测点布置图。表7振动速度最大值（上半断面开挖）上半掌子面距离（m）喷混凝土材龄（天）振动速度最大值（Kine）掏槽药量（kg）总药量（kg）A（拱顶）XYZB（肩部）XYZC（侧壁）XYZG（岩层）XYZU-1U-2U-3U-4U-5U-60.752.253.755.2527.7530.751.51.82.02.56.07.653.221.738.523.924.014.228.730.412.133.232.315.72.92.42.91.20.71.056.325.524.735.121.418.127.219.210.920.820.811.52.92.82.52.41.10.736.424.723.426.020.215.324.614.310.327.714.09.32.92.32.91.80.70.865.699.858.847.329.437.124.721.417.216.812.211.32.22.62.