无碱湿喷混凝土在隧道施工中的应用

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摘要：无碱湿喷技术是当代最先进的喷射混凝土技术，大瑞铁路大柱山隧道初支喷射混凝土采用了无碱湿喷技术，取得了较好的效果。

Abstract： Alkali-free wet spraying technology is the most advanced technology of sprayed concrete. This technology was used in the Darui railway Dazhushan tunnel early support sprayed concrete and it had achieved good results.

关键词：无碱速凝剂；隧道初支；湿喷工艺

Key words： alkali-free accelerators；early support of tunnel；wet spraying process

中图分类号：TU37 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2015）17-0157-03

0 引言

建筑界常用干喷工艺配合传统碱性速凝剂施作混凝土隧道。传统碱性速凝剂混凝土早期强度发展慢，密实度低，28天强度损失30%-50%，抗渗能力差，极易产生碱集料反应，回弹量高，材料浪费严重。并且传统碱性速凝剂含有钠、钾等碱离子，会对作业人员的生命健康造成极大的威胁。

与传统碱性速凝剂干喷工艺相比，无碱速凝剂湿喷混凝土施工技术能够避免碱集料反应，大幅度提高混凝土粘稠度和耐久性，降低喷射混凝土的粉尘量和回弹量，同时避免作业人员遭受碱性危害，保证其生命健康。因此，无碱湿喷技术逐渐逐渐取代传统干喷工艺，成为当前隧道工程的主流施工工艺。

1 无碱湿喷的优点

1.1 碱性速凝剂与无碱速凝剂的区别

1.1.1 碱性速凝剂

碱性速凝剂含有钠、钾等碱性离子，其工作原理是依靠水泥的快速固化而完成粘附，因此在喷射混凝土中使用碱性速凝剂存在如下问题：

①施工环境不能保证，对施工工人的皮肤伤害较大；

②混凝土密实度低；

③早期强度发展慢；

④混凝土28天强降大，抗渗能力差，28天后期强度继续下降，掺量越大、后期降强越大；

⑤容易产生碱集料反应；

⑥回弹高，浪费较大，顶拱回弹大于20%，有时高达30-40%；

⑦一次喷射厚度小（一般3-7cm）。

1.1.2 无碱速凝剂

无碱速凝剂（等效Na2O含量

①减少喷射混凝土中的析出物（增加密实度）；

②减少碱集料反应；

③消除对施工人员的身体伤害；

④速凝剂的碱含量低于1%（等效Na2O含量）；

⑤能提高喷射混凝土的耐久性。

无碱速凝剂在国外从上世纪90年代开始使用，现已在欧洲、美国、日本等发达国家普遍使用，香港已从立法上禁止使用碱性速凝剂，必须使用无碱速凝剂。

1.2 干喷（）与湿喷的区别

1.2.1 干喷（）的最主要的特点是水在喷头位置加入，水量的大小靠施工工人根据需要调节。当在边墙施工时加入水量较多，在拱顶施工时加入水量较少，甚而无法基本满足水泥水化的需要。造成喷射混凝土的密实度不高，强度质量波动较大，这已是公认的事实。

1.2.2 湿喷的特点是水在拌合楼加入，是通过试验工程师设计并监控，喷射混凝土质量的一致性较好。正因为水是相对固定的，现场唯一能调整的是速凝剂的掺量，而速凝剂掺量大小与施工工艺的好坏等就决定着喷射混凝土质量的好坏。

因此，认真研究湿喷混凝土配合比设计的特点、无碱速凝剂与碱性速凝剂的性能差别，才能真正促使喷射混凝土上一个台阶。特别是铁路工程，施工条件极其复杂，各工地的砂石水泥条件很难理想化，无碱湿喷能彻底解决由于砂石水泥等条件差异而带来喷射混凝土质量不高的问题。

2 大柱山隧道无碱湿喷技术应用

大瑞铁路大柱山隧道位于云南省保山市境内，全长14484m，隧道穿越的地层是滇西南复杂地质的典型代表，构造复杂、断层密集、岩性繁多、软弱破碎、岩溶发育、高压富水，是大瑞线唯一一座极高风险隧道，其设置“二横一平”（贯通平导、进出口各一横洞）辅助坑道辅助正洞施工，设计工期9年左右。在这种长度超长、工期超长、地质复杂的隧道中，作为初期支护中重要的喷射砼的质量在确保施工安全方面显得尤为重要，尤其在隧道平导中，由于其作为辅助正洞施工的通道，长期有大量的人员、设备通行，且平导断面小，为确保正常开挖，实行二衬缓做的方案，即等平导贯通后再做二衬。故在平导贯通前，只设置初支，这样喷射砼的质量就显得更加重要。该工程部分地段喷射混凝土采用了无碱湿喷技术，取得了较好的效果。

2.1 原材料选择：选择原材料的原则是在满足质量要求前提下，尽可能采购当地材料，以降低工程成本。水泥：云南三江石林P.O42.5级；砂：打鹰山石场机制砂；碎石：根据大型湿喷机械手的特点，为防止喷射砼时堵管和减少回弹，选用打鹰山石场5-10mm碎石，要求连续粒级，坚硬耐久。外加剂：外加剂极其掺量对混凝土拌合物性能起关键作用，施工中采用重庆求索建材有限公司生产的FS128液体无碱速凝剂；减水剂也采用该公司生产的 QS400聚羧酸系减水剂。

2.2 配合比确定：大柱山隧道正洞喷射砼设计强度为C25，平导设计强度为C20；在室内试验成熟的基础上，在现场进行了生产性试验，最终确定C25配合比为：（水泥：机制砂：碎石：水：速凝剂：减水剂）=（460：1219：523：198：23：3.68），水灰比0.43，砂率70%，控制坍塌度18-20cm，速凝剂掺量为胶凝材料的5%，减水剂掺量为胶凝材料的0.8%；C20配合比为：（水泥：机制砂：碎石：水：速凝剂：减水剂）=（400：1175：633：192：24：3.2），水灰比0.48，砂率70%，控制坍塌度18～20cm；施工中根据砂、碎石的含水率及时调整施工配合比。

2.3 施工机械

2.3.1 湿喷砼搅拌采用成都市新筑混凝土机械设备有限公司生产的HZS-90型全自动计量双卧轴强制式搅拌机，砼的配料、计量、输送、搅拌、卸料均在密封条件下进行，施工配料严格按配合比进行操作。

2.3.2 砼运输罐车：混凝土运输罐车容积4m3，罐体在柴油内燃机带动下可以正转和反转，混凝土在运输过程中正转可以延缓砼的凝结时间，罐体反转则向混凝土泵料斗中卸料。

2.3.3 砼喷射设备：成都新筑生产的大型湿喷机械手，主要由混凝土泵、喷射臂、液压系统、空气-水-添加剂系统、空压机、高压清洗水泵、电缆盘和底盘等构成，最高喷射砼速度能达到30m3/h，全自动控制系统。

2.4 无碱湿喷砼施工工艺

2.4.1 施工工艺流程

施工工艺流程如图1所示。

2.4.2 砼拌制运输 砼拌制投料时按照砂-碎石-水泥-水的顺序，然后加入减水剂搅拌两分钟，最多不能超过四分钟。在砼运输过程中，为了防止砼初凝，应保持罐体转动。运输过程中，在搅拌站取部分混凝土样品袋装后放置在同批罐车上，一旦机械出现异常情况，造成砼不能及时喷射，应检验样品是否已经出现变化，如果发现样品已经不能使用，那么罐内砼也就不能使用了。

2.4.3 无碱湿喷砼喷射工艺 需要先使用湿喷机械手自带的高压风冲洗岩面才能进行喷射。冲洗时应按照从上到下的顺序，从隧道拱顶清洗至边壁底部。有资料显示，混凝土和干净湿润的岩面粘结比较紧密。喷射混凝土时按照由下往上的顺序，从隧道两拱脚处开始，如此可有效保证喷射混凝土的质量。喷射手应尽量使喷嘴与受喷面垂直，边墙喷嘴距离开始为1m-1.2m，当形成3cm-5cm厚的混凝土软层时，喷嘴距离变为0.5m-0.7m，最后要留2cm-3cm厚要喷的混凝土时喷嘴距离回到1m-1.2m喷平整；若喷拱顶时喷嘴距离在0.8-1.6m为宜。混凝土应分片自下往上喷射，喷嘴应均匀地呈单向螺旋转动。一般正常工作情况下，边墙工作风压为0.2MPa-0.4MPa，拱部工作风压为0.3MPa-0.5MPa。此外，工作风压与喷射管长度和混凝土和易性有关，和易性越好，喷射管越短，所需工作风压较低，反之则工作风压越高。喷嘴尽量垂直岩面成90°角，以确保混凝土的密实效果，喷射时可以观察到喷嘴与岩面的角度偏离直角愈多，喷混凝土材料回弹就越大。喷射混凝土时应结合周围环境的实际情况，选择最科学合理的初喷层厚度，初喷层厚度过厚或者过薄都不利于施工，如果初喷层厚度过厚，一旦混凝土自身的重量超过一定的标准就会造成初喷层下坠掉落或形成空壳，而如果初喷层厚度过薄，很难把粗骨料粘结牢固，会因此增加回弹量。通过参考设计的支护参数，并结合现场的实际施工情况，最终确定初喷层厚度为3cm-5cm，需要注意的是初喷十至十五分钟之后，再继续喷射混凝土至设计厚度。

2.4.4 特殊情况下的混凝土喷射工艺 挂钢筋网地段，喷射后混凝土层面有时呈波浪形，喷头垂直于岩面喷射则可使混凝土均匀分布，避免起伏。设钢拱架地段，因岩石破碎，混凝土喷射工作显得尤为重要。喷射混凝土必须从填充岩面空洞、裂隙开始。喷头呈直线状沿拱架从拱底向拱顶移动，注意不要旋转喷头。钢拱架与围岩之间的空隙必须用喷射混凝土填充密实，对于钢拱架的两侧，必须进行两次或三次补喷，并将钢拱架用混凝土包裹严实，使其与喷射混凝土构成整体受力体系。混凝土掉落部位的补喷，不能立即进行补喷，应该在掉落之后的十至十五分钟之后进行补喷。同时为了避免在喷头周围形成凹包，喷射时不能旋转喷头。另外针对渗水的大小，喷射时应采取不同的措施进行处理。

2.4.5 施工中应注意的事项

①由于喷射效果和混凝土的拌合质量有着直接的关系，因此必须加强对混凝土拌合质量的控制，同时加强对原材料的检测。②只有在系统工作风压大于0.5MPa时才能开机，否则会出现异常情况影响施工的顺利进行。③喷射混凝土供料时不能经常停机，一定要保证其连续性。④为了防止喷管出现弯折等现象，造成堵管，在喷射混凝土过程中要理顺喷射管。⑤短时间停机时，为了防止速凝剂管路堵塞，应该保持辅助风阀呈开启状态，只需停止电机、振动电机、计量泵即可。⑥喷射机喷射混凝土时喷头保证不能对着人和设备。

3 大柱山隧道无碱湿喷混凝土质量评定

①抗压强度试块制作采用喷大板切割法，也可采用钻芯取样，据统计，无碱湿喷混凝土抗压强度1天的强度可达设计的40%～50%；3天的强度可达100%左右；7天的强度可达120%左右；28天强度可达140%～150%。②喷层厚度检查，在有锚杆地段利用锚杆露头，其余地段采用凿孔法检测厚度。最好在喷后八小时内检查凿孔，检查发现任何异常情况时应及时采取有效措施进行纠正。③混凝土与岩石粘结强度采用初支检测孔进行钻孔检测，未发现空洞，表明混凝土与岩石粘结效果良好。④湿喷回弹率根据现场测量，最佳状态下边墙、拱顶综合回弹率6-7%，在机械出故障等一般状态下（堵管、混凝土断料）边墙、拱顶综合回弹率10-15%。

4 无碱湿喷技术还需要解决的问题

4.1 无碱湿喷混凝土设备相对较复杂，对维修保养的要求很高，要想保证无碱湿喷混凝土设备的良好工作状态，必须积极探讨维修保养规律。

4.2 湿喷混凝土对很多因素的要求都很高，比如粗骨料、坍落度、风压及风量等。

4.3 现阶段有水地段湿喷混凝土效果还不够理想，应该完善相关的施工工艺，使其能够满足不同环境地段的施工。

4.4 湿喷混凝土使用的无碱速凝剂成本高，需通过优化配合比降低成本。

5 结论

从大柱山隧道无碱湿喷混凝土质量评定结果来看，无碱湿喷混凝土隧道施工技术确实解决了传统干喷技术存在的混凝土碱集料反应，提高了混凝土密实度、抗渗性能和回弹量，减少了材料浪费，在提高工效的同时也避免了人体遭受碱性危害，值得在隧道工程中大规模推广应用。

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