隧道工程喷射混凝土施工质量控制分析

【摘 要】随着科学技术的发展，隧道施工技术也在超长、大跨度、防水、穿过不良地层等方面取得了长足的进步，涌现出了大量的科技成果，特别是作为新奥法施工工艺标志的锚喷构筑法更是如此，锚喷构筑法在技术上有速度较快、支护及时、施工安全；支护质量较好、强度高、密实度好、防水性能较好；省工，操作较简单，支护工作量减少；施工灵活性很大，可以根据需要分次喷射混凝土增加厚度，满足工程设计要求等优点，但在实际施工中有很多方面质量要点容易被忽视，从而影响了喷射混凝土施工质量。 本文分析了喷射混凝土在隧道工程中的作用，对其施工过程中存在问题进行了探讨， 供大家参考。

【关键词】隧道工程 喷射混凝土 支护

1 喷射混凝土在隧道工程中的作用

目前隧道工程复合支护中普遍采用的是喷射普通混凝土或喷射钢纤维混凝土，喷射方式主要采用和湿喷。喷射混凝土具有支护及时、质量好(强度高、密实性强)、操作简单、灵活性大等优点，特别是在软弱围岩地质条件下，配合钢拱架和系统锚杆作为联合支护，其优点更为明显。就新奥法原理而言，容许围岩产生变形，同时在变形过程中，通过围岩自承能力和支护结构对围岩变形进行控制，达到让围岩变形适度释放而不是彻底释放的目的。在上述过程中，喷射混凝土的作用可以分成两个阶段：①喷射混凝土施工初期，从材料结构和力学特征而言，可以把喷射混凝土看作柔性结构，为围岩变形的适度释放提供空间；②当喷射混凝土具有一定强度后，可以把钢拱架、系统锚杆和喷射混凝土组成的支护体系看作刚性结构，用来控制围岩变形，达到保护和发挥围岩自承能力的效果。当然在所有作用过程中，也应该重视和强调支护体系的韧性概念，目前大多采用喷射钢纤维混凝土就是有力的见证。

2 喷射混凝土施工中的质量控制

2.1 原材料的控制

2.1.1 拌和用水。施工中多以饮用水作为拌和用水，而PH值小于4的酸性水和含硫酸盐量(按S04计算)超过水量1％的水、含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质的其它水均不得使用。研究表明，硅酸盐水泥在水化过中所需的水灰比仅为0.22，因此，酸水会导致后期水分蒸发后空隙率加大，将会降低混凝土的强度，混凝土基体的空隙率每减少1％，其强度几乎可以增加10％，基体的空隙率主要是拌和用水过多而产生的凝胶孔f毛细孔，因此，在施中喷射手应严格控制用水量。

2.1.2水泥。为保证喷射混凝土的凝固时间，并与速凝剂有较好的相溶性，所使用水泥应具有强度高、抗渗性和耐久性好的要求，应优先选用42.5号以上的普通硅酸盐水泥，其次是矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥；在地质条件复杂的隧道中应采用早强水泥；使用前应做强度检测实验，对于水泥的存放严禁受潮和结块，也不得把不同规格、厂家的水泥混合使用。

2.1.3 骨料。混凝土的强度除了取决于骨料的强度外，还取决于水泥浆与骨料的粘结强度，同时骨料表面越粗糙，界面粘结强度越高，因此用碎石比卵石好。实验表明在一定范围内骨料的粒径越小，分布越均匀，混凝士的强度越高。骨料最大粒径的减小，不仅增加了骨料与水泥浆的粘结面积，而且容易拌和均匀，骨料周围有害气体减少，水膜减薄，从而提高了混凝土的强度。为防止喷射混凝士施工过程中堵塞管道，减少回弹量及保证混凝士支护结构的强度，应采用坚硬、粒径不大于15mm的碎石；为保证喷射混凝土的强度并减少施工作业时的粉尘，以及减少混凝土硬化时的收缩裂纹，应采用坚固耐久的中、粗砂，细度模数一般不大于2.5，含水率易控制在5％～7％，若超过7％喷射时易造成堵管，粗细骨料的体积比宜为3∶2。

2.1.4 外加剂。为了降低用水量，降低回弹率和粉尘率，使喷射混凝士早凝早强，必须使用外加剂，主要是速凝剂，其性能必须满足设计质量要求，并对人体危害性很小。掺加速凝剂之前，首先应做与水的相溶性实验及水泥净浆速凝效果实验，初凝不应大于5min，终凝不应大于10min，其次需注意速凝剂保持干燥勿受潮变质。在喷射混凝土中添加速凝剂的目的是使喷射混凝士速凝，以减少回弹量，促进早强，因此，喷射混凝土速凝剂的掺入应均匀，一般速凝剂最佳掺量约为水泥重量的2％～4％，实际使用时拱部可用2％～4％，边墙可用2％，过多的掺量对喷射混凝土反而不利，这是因为速凝剂虽然加速了喷射混凝土的凝结速度但也阻止了水在水泥中的均匀扩散，使部分水包裹在已凝结的水泥中，硬化后形成气孔，另一部分水泥因得不到充足的水分进行水化反应而干缩，从而产生裂纹。

2.1.5 活性掺和料。水泥水化是一个逐步发展的过程，在28d的龄期中，水泥的实际利用率仅占60％～70％，而剩余未水化的CaO后期遇水后生成Ca(OH)2产生体积膨胀，给后期强度带来不利影响。利用活性掺和料代替部分未水化的水泥，不仅可以降低成本，还可以利用活性材料中的活性成分(主要是SI20与AL2O3)与水泥水化产物Ca(OH)2进行二次反应，生成含水硅酸钙与含水铝酸钙，新生成的水化产物既提高了喷射混凝士的强度和密实性，又提高其抗冻、抗渗、抗腐蚀等性能。这一类活性掺和料主要是粉煤灰和沸石粉，掺量约为水泥重量的10％～20％。

2.2 喷射混凝土的厚度控制措施

2.2.1 喷射混凝土的厚度应达到设计厚度和规范允许的误差范围。从施工现场的情况看，个别隧道存在喷射混凝土普遍偏薄的现象，这是有一定风险的。我们知道初期支护是和围岩共同作用控制围岩变形的释放，是保证下道工序施工安全和隧道结构稳定的主要的受力者，当喷射混凝土出现裂缝时，原则上应及时进行补喷和针对具体的开裂原因采取其它补强措施，以控制围岩变形在适度范畴，而不是任其释放。当然，有人说“初期支护喷层厚度不够，可以利用二次衬砌混凝土进行补充”，这种说法从隧道总体结构尺寸而言，是可行的；但从新奥法施工原理和结构受力机理而言，却是一大误区。造成喷层厚度普遍偏薄的原因主要有：①施工作业时为了省时省事，人为地不喷够设计厚度；② 以钢筋头等物作为喷层厚度标志，在喷射力的作用下容易脱落；③ 目前尚没有仪器可用来方便、及时地检测喷射混凝土厚度。事实上解决的办法很简单，只要将钢筋头焊接在钢拱架或系统锚杆上即可。

2.2.2在有钢拱架作为初期支护的情况下，往往出现钢拱架处喷层厚，两钢拱架间喷层薄，形成纵向波浪型。这种情况将会产生如下后果：①在围岩变形较大或局部存在松动围岩时，可能由于喷层厚度不够，无法提供足够抗力而导致喷层出现裂缝甚至掉块；②在铺设防水板后浇筑二次衬砌混凝土时，容易将防水板挤破，也可能在初期支护和二次衬砌间形成空洞区。要解决这个问题，重点应放在喷射过程中，要求喷射手在全断面螺旋喷射完成后，及时对钢拱架间进行补喷；或者在挂防水板前对喷射混凝土表面进行检查，严重不够处要克服补喷困难进行补喷，当二次衬砌混凝土浇筑后再通过打孔(或预埋钢管)注浆填充来处理两层间的空洞，不仅费时费工，困难更大，而且还会破坏防水板，造成漏水现象。③局部喷射混凝土过厚的情况，在挂防水板前一定要将突出部分混凝土剔除。因为这种情况有可能顶破防水板，更有可能在初期支护和二次衬砌之间形成点接触，局部应力集中的情况可能导致二次衬砌表面开裂。

2.3喷射混凝土应加强养护

养护是喷射混凝土施工中的一个重要环节。在正常养护条件下，混凝土强度随龄期延长而增大，其原因是由于胶凝材料的不断水化，而水化速度与环境温度和湿度有关。由于经常放炮和通风导致隧道内的温度较高，喷射混凝土周围的空气相对来说比较干燥，加上混凝土的水化热引起的混凝土内部温度较高，将使其表面水分很快就蒸发掉，进而引起水泥石“毛细管 中水分继续蒸发。而喷射混凝土中水泥与水接触的时间短及范围有限，与混凝土相比水泥水化的程度更低。喷射混凝土的凝结过程也是水泥进一步水化的过程，水泥的水化反应必须在有水的条件下才能发生，水泥水化因水泥石缺少水分不能继续进行及由于毛细管引力作用在混凝土中引起收缩，收缩引起的拉应力不仅使混凝土开裂，破坏了混凝土结构，影响混凝土强度的继续增长，并且停止水化将使水化物不能进一步向水泥石的毛细孔填充，还将影响混凝土的抗渗性。

3 结语

喷射混凝土在隧道施工中应用已经非常广泛，喷射混凝土的质量直接影响着结构受力、防护、耐久性等情况。所以对喷射混凝土施工，必须按质量控制系统的要求，通过各种措施强化质量意识、加强质量管理、制定操作规程，使喷射混凝土在隧道防护中发挥越来越重要的作用。

参考文献：

《公路隧道施工技术规范》JTJ F60-2009人民交通出版社

作者简介：

段永兵（1977.2.16~），男，大学本科，工程师，2005年毕业于长安大学学工程管理专业。