长大软弱围岩隧道湿喷混凝土回弹率控制技术

隆兰兰

(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

1 概 述

混凝土湿喷技术，近些年在隧道施工中应用越来越广泛。然而隧道湿喷混凝土回弹率普遍偏高、厚度偏薄、容易脱落也是不能被忽视的质量通病。回弹率对施工效率和生产成本有直接的影响，如果湿喷混凝土的回弹率偏高，就容易造成混凝土等原材料的浪费，同时也影响隧道工程质量[1]。湿喷混凝土回弹率的高低与很多原因相关，除了受到湿喷机具性能、湿喷角度和距离制约，还与机械手技术水平高低有密切关联，而水泥和掺和料的质量稳定性及配合比配置也决定着湿喷混凝土回弹率[2]。本文结合贵南铁路九万大山一号隧道工程中C25湿喷混凝土优化前，C25湿喷混凝土施工时经常出现堵管、混凝土掉块、凝结时间偏长、回弹率偏高等问题，通过试验分析水泥和粉煤灰、速凝剂、减水剂等掺和料配合比并对配合比进行合理优化,并对一次喷混凝土合理厚度进行试验，确实了最佳施工效果。

2 工程概况

贵南铁路九万大山一号隧道为全线重点控制工程，隧道总长度为17.012km，是贵州省地质环境最复杂、长度最长、施工难度最大的喀斯特地貌高风险隧道之一，隧道在施工进程中，相继将会遭遇大断层、大溶洞、低瓦斯地质，另外还会下穿十多个凹地，并上穿越4条暗河。通过详细勘探，最大涌水量达3万m3/h，施工难度极大，安全质量要求极高。

3 试验方法

所谓回弹率，即为湿喷混凝土回弹量在所有喷射混凝土中的占比。通常可以根据隧道的结构，在某一区域的边墙或者拱顶进行试验监测。为了不损失回弹料，通常在地上铺设好彩条布后，进行混凝土湿喷作业后，进行试验[3]。

4 主材和掺和料配合比优化

为确保混凝土湿喷效果，对水泥和粉煤灰、减水剂、速凝剂等掺和料通过试验寻求最佳配合比，并加入硅灰、SBT-N(Ⅱ)速凝剂、SBT-HDC(Ⅱ)C25湿喷混凝土纳米掺和料等新型建材，可以有效降低混凝土回弹率，并有效防止堵管、混凝土容易脱落等难题。

4.1 水泥用量优化

本试验在用水量、含砂率及坍落度一致的前提下进行研究。试验得知，混凝土抗压强度随着水泥用量的递增而不断提高，一旦水泥用量处于419～459kg/m3区间，回弹率几乎没有差别，且处于最低点，此时的水泥用量区间为C25湿喷混凝土回弹率的最佳水泥用量区间；一旦水泥用量超过460kg/m3，C25湿喷混凝土回弹率立即提升，但混凝土抗压强度没有显著增加。所以420～460kg/m3为C25湿喷混凝土的最佳水泥用量，在该范围内的C25湿喷混凝土回弹率最小。

4.2 掺和材料合理选用

4.2.1 粉煤灰

通过试验，绘制C25湿喷混凝土的回弹率受粉煤灰掺入变化量的影响曲线(见图1)。

图1 C25湿喷混凝土回弹率受粉煤灰掺入变化量影响曲线

从图1可知，C25湿喷混凝土回弹率随着粉煤灰含量的递增先抑后扬。当混凝土中的粉煤灰含量为15%时的回弹率最低，这为粉煤灰的最合适配合比；当混凝土中的粉煤灰含量提升到25%时，回弹率比不添入粉煤灰混凝土时的回弹率还大，所以粉煤灰配合比小于25%。由于粉煤灰比水泥便宜很多，所以在混凝土中添加适量的粉煤灰不仅能够有效降低混凝土材料成本，还能有效减小回弹率。

4.2.2 硅灰

将硅灰添入后，通过试验研究，发现掺入8%的硅灰效果最佳。有效降低了回弹率，能将C20、C25的C25湿喷混凝土回弹率下降15%～20%，避免了混凝土的额外损耗；C25湿喷混凝土渗透高度下降超过20%～30%；混凝土的抗压强度也得到有力加强。

4.2.3 早强速凝剂

早强速凝剂是一种能促进混凝土实现快速固结硬化的化工原料，能有效减少回弹混凝土浪费，避免C25湿喷混凝土因自重导致从隧道边墙或拱顶脱落，增加一次湿喷厚度，有效缩短混凝土进行湿喷时每层的间隔时间。

速凝剂选取SBT-N(Ⅱ)新型无碱型液体速凝剂，这是一种新型早强型速凝剂。在相同施工环境下，普通无碱液体速凝剂砂浆1d抗压强度和早期强度远比SNSBT-N(Ⅱ)新型无碱型液体速凝剂砂浆要低,后者是前者的1.5倍。

通过分析与试验发现，如果选用的速凝剂与隧道施工采用的水泥不匹配，也会产生较大的回弹率，所以有必要从速凝剂自身寻找解决问题的办法。

速凝剂最大的功能就是让水泥的硬化速度加快，在极短的时间内达到一定强度要求，从而满足施工需要。速凝剂一般由铝氧熟料加工而成，铝氧熟料成分是纯碱、铝钒土和生灰石，成分中的纯碱最能加速水泥硬化，纯碱的配合比大小能控制C25湿喷混凝土回弹率的大小。

施工现场选取3%、5%、7%三种不同配合比的SBT-N(Ⅱ)速凝剂开展回弹试验，结果见表1。

表1 速凝剂回弹率试验结果

如果速凝剂配合比较低，则喷在隧道内壁和拱顶的混凝土凝结速度就较慢，影响混凝土的黏合功效，底层未凝结的混凝土受到湿喷机喷射混凝土的强大冲击，很容易脱落。

但如果速凝剂满足最佳配合比，就会缩短混凝土凝结时间，黏合功效也增强。随着速凝剂配合比的提升，前期湿喷到隧道内壁上的混凝土很快凝结成一体，后期喷到隧道内壁上的混凝土骨料被前期湿喷到隧道内壁上的混凝土凝结体弹回，会影响回弹率提高。通过试验分析出速凝剂最佳配合比是3%～10%左右，5%最佳。

另外，对速凝剂初凝时间对C25湿喷混凝土回弹率的影响进行试验，结果见图2。按照《喷射混凝土用速凝剂》(GB/T 35159—2017)标准检测规范进行相关试验时发现，当速凝剂初凝时间位于3～4min区间时，C25湿喷混凝土回弹率最低，混凝土浪费最少。

图2 速凝剂初凝时间对C25湿喷混凝土回弹率的影响

4.2.4 减水剂

为不影响混凝土和易性，避免堵管，如果只是向混凝土中添水，就会导致离析现象，混凝土出现离析后，比重大的骨料会沉到混凝土底部，会加剧堵管现象；另外不科学的添水会影响混凝土的水胶比，延长混凝土的凝固时间，大大增加回弹率，影响隧道施工质量。

为避免以上情况，依次按加入1%、1.2%和1.4%减水剂进行混凝土坍落度试验，并检测混凝土堵管情况，结果见表2。

在隧道长30m的区间段开展混凝土回弹率试验。其中每个试验段长度是10m，分为三段，对三种不同减水剂配合比的混凝土在三个试验段开展试验，结果为，1%、1.2%和1.4%三种不同配合比的混凝土回弹率分别为25%、20%和40%，由表2可知，混凝土坍落度会随着混凝土中减水剂配合比的递增而递增。当掺量为1.2%时，混凝土坍落度为130mm，此时回弹率最低，为20%，并很好地防止了堵管和掉块等质量通病。

4.2.5 纳米掺和料

在隧道中相同施工条件下，将掺入量为7%的HDC(Ⅱ)纳米掺和料[4]掺加到C25混凝土进行30m距离范围的湿喷混凝土。其中，每次湿喷试验在隧道中的距离范围均为1.5m。

通过对比可知，普通C25湿喷混凝土消耗33.9m3,掺加HDC(Ⅱ)纳米掺和料的早强型C25湿喷混凝土消耗约26.9m3。采取刻度尺插入法检测湿喷厚度，在拱顶区域进行检测，每次选取三个点位进行检测，每个点位彼此距离大于0.2m。依据《喷射混凝土应用技术规程》JGJ/T 372—2016规定，在隧道底部铺设彩条布，对拱顶、拱肩和拱脚区域所有C25湿喷混凝土回弹料进行收集后称重计算，求出回弹率。对拱脚区域C25湿喷混凝土的硬化时间采用手指按压法进行测试，如果手指按压不动，意味着混凝土已经硬化；每完成一次湿喷循环就开展测试。

经试验分析，与普通C25湿喷混凝土相比，掺加HDC(Ⅱ)纳米掺和料后的C25湿喷混凝土的一次湿喷厚度从5.29cm提高到8.58cm，增加3.29cm；湿喷回弹率由25.7%下降到11.3%，减少14.4个百分点；施工花费时间从6.4h减少到5.2h,节约了1.2h；硬化耗时从7.4min缩短为3.3min,减少4.1min。这表明掺加HDC(Ⅱ)纳米掺和料后的早强型C25湿喷混凝土，极大降低了C25湿喷混凝土及掺和料的无效损耗，提升了工效，确保了隧道安全质量。

此外，在早强型C25湿喷混凝土中掺加SBT-HDC(Ⅱ)C25湿喷混凝土纳米掺和料后，经采用透射电镜进行分析，与普通C25湿喷混凝土相比较，混凝土容重相差无几，但含气量提高0.61%，初始坍落度提高2.49cm，初始扩展度提升6.99cm，坍塌时间延长2.5s，1h混凝土扩展度和坍落度没有被削减。

另外，通过试验发现，早强型C25湿喷混凝土每阶段的龄期强度都比普通C25湿喷混凝土要高；普通C25湿喷混凝土在3h内基本没有强度，但是早强型C25湿喷混凝土在3h的强度最大值为3.5MPa；纳米掺和料和无碱型液体速凝剂添加到C25湿喷混凝土后，提高了其整体早期强度,而且不影响后期混凝土质量。

通过对C25湿喷混凝土不同材料进行对比分析，采用无掺和料的C25湿喷混凝土单价约为610元/m3，而掺入纳米掺和料和无碱型液体速凝剂的早强型C25湿喷混凝土单价约为710元/m3。在外界施工条件一致的情况下，通过对30m长度隧道进行初支试验，如果采用无掺和料的C25湿喷混凝土，消耗量约33.9m3，30m区间其建材成本约20679元；如果采用早强型C25湿喷混凝土，消耗量约26.9m3,其原材料成本为19099元；即采用早强型C25湿喷混凝土完成30m隧道初期支护作业,30m区间可节省原材料成本1580元。

另外，30m隧道初支采用早强型C25湿喷混凝土耗时108h，采用普通C25湿喷混凝土耗时131h，前者节省工序时间23h，大大加快了工程进度。同时，也节约了C25混凝土拌和、运输和湿喷作业等相关配套设备的台班费，施工人员的劳动时间和强度也明显下降。因此,早强型C25湿喷混凝土比普通C25湿喷混凝土具有更高的性价比。

5 湿喷厚度优化

通过以上优化后，为进一步提高混凝土湿喷效果，将C25混凝土一次喷射厚度分别控制在4～6cm和6～8cm两个区间范围，然后对两次试验消耗的混凝土回弹量和总用量进行对比(见表3)。由表3可知，一次喷射混凝土厚度为4～6cm的回弹率小于厚度为6～8cm时的回弹率，而且厚度较大的湿喷混凝土由于自重较大，更容易脱落。所以C25混凝土一次湿喷厚度为4～6cm更为合适[5]。

表3 C25湿喷混凝土一次湿喷厚度回弹率调查统计结果

6 湿喷工艺优化

隧道C25湿喷混凝土施工作业遵循从下到上的顺序，通过逐段、逐片、逐层的方式往复进行湿喷。通常先进行隧道拱脚湿喷，接着对隧道拱肩进行湿喷，然后对隧道拱顶进行湿喷。隧道拱脚区域通过堆砌方式进行湿喷作业，拱顶和拱肩区域通过扫喷方式进行湿喷作业,单层湿喷厚度以4～6cm为宜，在隧道需架设多榀钢拱架情况下，进行往复式湿喷作业(见图4)。

图3 隧道多榀钢拱架湿喷顺序示意图

由于混凝土自重的因素，速凝剂配合比从下到上逐步递增,以隧道拱脚区为3%～6%,隧道拱肩区为6%～8%,隧道拱顶区为8%～10%最佳(见图4)。

图4 隧道C25湿喷混凝土速凝剂配合比示意图

在隧道中进行混凝土湿喷作业时，混凝土回弹率还受到湿喷距离的影响。如果隧道湿喷距离偏大，则喷射出的混凝土抵达工作面的末速度较弱，影响湿喷机的湿喷动能，不仅导致湿喷的混凝土在工作面上的强度偏低，还会引发混凝土由于自重产生脱落，造成混凝土损耗。如果隧道湿喷距离偏小，因为喷射出的混凝土抵达工作面的速度和动能比较大，会导致后续湿喷的混凝土极易弹掉前面还未凝固的湿喷混凝土。

在隧道中进行的试验表明，当湿喷风压值为0.6～0.8MPa、湿喷混凝土距离为120cm左右、湿喷角度范围为75°～105°、混凝土邻层间隔时间控制在3～4min左右时，C25湿喷混凝土混凝土回弹率最小，强度最大，效果最佳[6]。

7 C25湿喷混凝土优化综合参数

通过试验，最终采用的C25湿喷混凝土拌和材料配合比见表4。

表4 C25湿喷混凝土拌和材料配合比

为验证经过系列优化后的湿喷混凝土强度，制作8个10cm×10cm×10cm混凝土标准试块，经过标准养护后进行测试，结果详见表5。由表5可知，所有试块抗压强度皆超过25MPa，符合规范要求。

表5 混凝土试块强度

8 结 论

通过在贵南铁路九万大山一号隧道工程的试验研究和工程实践，对降低C25湿喷混凝土回弹率的关键技术总结如下：水泥最佳用量为419～459kg/m3，添加8%的硅灰和15%的粉煤灰(粉煤灰最大配合比不应超出25%)，C25湿喷混凝土回弹率最小；在C25湿喷混凝土中加入7%的SBT-HDC(Ⅱ)纳米掺和料和5%的SBT-N(Ⅱ)速凝剂(见表1)、8%的硅灰，湿喷施工效果更好，能节省成本，提高工效；混凝土的坍落度最好控制在130mm左右，坍落度如果过大，会削弱混凝土强度，过小容易导致堵管，两者都会增加C25湿喷混凝土的回弹率，从而造成混凝土及掺和料的额外损耗；速凝剂配合比虽然对C25湿喷混凝土强度影响不大，但是当速凝剂配合过高时，容易让混凝土过快凝固，导致出现较大回弹率，速凝剂合理配合比在5%左右，初凝时间为3～4min时效果最好，在确保混凝土强度的同时，对混凝土回弹率能有效控制；当湿喷距离为120cm左右、湿喷角度为70°～105°、初喷厚度为40～60mm、混凝土邻层间隔时间为3～4min时，C25湿喷混凝土的回弹率能有效控制在18%～25%范围内。