高速隧道喷射混凝土高回弹率原因分析及解决措施
赵爽 王伟 乔敏 张小磊 张茜 裴延超
(高性能土木工程材料国家重点实验室，江苏苏博特新材料股份有限公司，江苏南京，211103；
博特新材料泰州有限公司，江苏泰州，225474）
摘要：对某隧道喷射混凝土回弹率高问题进行了研究，分析了影响其回弹率的各施工要素，从原材料品质监控、混凝土性能调控、施工准备与喷射工艺四个方面制定了解决措施，降低了喷射施工回弹率。
关键词：喷射混凝土，回弹率，施工要素，解决措施。
0前言
[1]某在建高速公路全长70余公里，采用双向4车道一级公路标准，山岭区最高设计速度80公里/小时，平原区最高设计速度100公里/小时，路基宽度25.5米。该高速某特长隧道为控制性项目，全长12.6公里，穿越4条大断裂带和15条断层破碎带，存在地下涌水多、泥灰岩矿床构造复杂、山体花岗岩岩爆等多重危险因素，地质情况复杂。在施工过程中，发现喷射混凝土施工效果差、回弹率高、混凝土浪费严重等问题，影响工程质量与进度。为确保工程进度与质量，项目部组织施工相关各方查找研究了喷射混凝土回弹率高问题的施工要素，分析其原因，并制定相应的解决措施。
1问题简介
该隧道一次开挖进深1.5~1.8m，一次性喷射混凝土计算方量为30方左右。喷射混凝土采用罐车运输，一次运输方量8方，运输时间为0.5h；施工采用机械臂式湿喷机施工，一个施工班次耗时7.5h左右。实际施工中，一次性喷射需混凝土实际方量为35方左右，采用比重法测试的现场回弹率为35%；且拱顶区域喷射施工难度大，混凝土易脱落，现场施工效果如图1所示。
由图可知，已完成喷射施工隧道存在喷射支护厚度未达标的问题，尤其以隧道拱顶区域最为严重；拱顶区喷射混凝土存在明显的凹坑，部分区域可见明显的支护钢桁架，喷射支护效果差。
2原因分析
2.1速凝剂性能分析
取速凝剂送检样与现场成品及速凝剂进场检测用水泥，依照JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》对速凝剂凝结硬化性能进行评价[1]，实验结果见表1。
由表可知，掺量在4~6%的范围内，针对速凝剂进场检测用水泥，速凝剂送检样与现场成品均满足JC477中合格品对凝结时间与1d强度的要求；且在设定的5%检测掺量下，两速凝剂的凝结时间检测结果基本相当。因此，可判定速凝剂送检样与现场成品凝结硬化性能相当，且现场速凝剂成品同进场检测水泥有较好的匹配程度。
2.2水泥品质稳定性分析
项目近期共采购五批次水泥，分别为0316、0326、0404、0420、0423。选用现场成品速凝剂，掺量5%时，速凝剂在五批次水泥中的凝结时间测试结果见表2，0404与0420批次水泥的颜色对比结果见图2。
由表与图可知，项目采购的五批次水泥中，0316、0326、0404与0420四个批次水泥同速凝剂的检测结果可满足标准中合格品凝结时间检测指标的要求，0426批次水泥的不能满足要求；在满足要求的四个批次水泥中，0420批次水泥的测试结果最差；同时，0404批次水泥的颜色与0420批次水泥的存在明显的差异，0404批次的为灰白色，0420批次为土灰色。因此，可判定现场水泥存在明显的品质波动，是导致水泥同速凝剂适应性波动大的主要原因。
2.3混凝土性能分析
对现场混凝土用水泥、砂石、减水剂、速凝剂等原材料品质、性能进行了逐一检查，除水泥外其他原材料均为同一批次、同一厂家，且性能均一稳定，各项指标满足设计标准要求。C30混凝土和易性好，工作性见表3。
由表可知，C30混凝土各项性能指标满足GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》等相关标准规定要求[2]，和易性好，未发现混凝土存在离析、泌水和跑浆等和易性不良问题，满足相关设计规范及标准要求。
2.4喷射工艺分析
对隧道喷射混凝土喷射施工作业跟踪发现，喷射施工中主要存在以下问题：
①喷射混凝土流动性严重超标。现场喷射施工存在混凝土“加水”现象，混凝土入喷射机坍落度为150mm，施工作业人员以喷射进料困难为由，现场加水，使混凝土目测流动度为200mm以上，超出设计要求的坍落度140~160mm。混凝土后加水后，自由水量增多，凝结硬化需要更多的促凝成分，而混凝土与速凝剂中凝结硬化组分的量一定；因此，其消耗自由水能力降低，水化产物相互搭接困难，凝结硬化时间变长，即喷射回弹率增加[3~5]。
②单层喷射厚度过厚。施工人员一次性喷射达设计厚度，对拱脚和拱肩而言，相对问题不大；但对于拱顶而言，由于混凝土凝结硬化需要一定的时间，已粘结到拱顶岩面的混凝土主要受自身重力和粘结力做个作用力，当粘结在拱顶岩面的粘结力不足以抵消混凝土自身的重力时，混凝土就会发生脱落现象，即回弹率增加[6,7]。
③喷嘴与隧道弧面切线的角度不为90°。如图3所示，当喷射角度不为90°时，喷射机对混凝土时间的喷射力F就分解为挤压混凝土的力F1和剪切混凝土的力F2（斜向上或斜向下），当混凝土凝结硬化产生的抗弯力不足以抵消该剪切力时，混凝土就会发生脱落现象，即导致混凝土回弹率增加。
④送风管漏风严重，喷射分压仅为0.4Mpa。研究表明[8]，风压太小，喷射力不够，混凝土所受压实力不足，不能使喷射混凝土与围岩粘结密实，造成混凝土脱落；风压太大，喷射产生较大的冲击力，会使喷射混凝土脱落；适当的喷射风压为0.8~1.0MPa。
3解决措施
鉴于此，从原材料品质监控、混凝土工作性控制、施工准备、喷射工艺几个方面入手，制定了相关措施，以降低喷射混凝土回弹率。
在原材料品质监控方面，水泥、粗细集料、减水剂、速凝剂的各项性能指标应满足JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》与GB50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》的要求，且要保持均匀稳定，每批次经检验合格后方能入仓，严禁随意变更原材料产地与批次。此外，分别确定封存速凝剂与水泥检测基准样，比对每批次速凝剂、水泥品质的稳定性，做好水泥同速凝剂的匹配一致性，严控水泥品质波动问题。
在混凝土工作性控制方面，准确计量各原材料，严格把控搅拌时间，确保拌合物质量均匀稳定，使出机料具备和易性良好。当现场混凝土流动性不足时，应适当增加减水剂掺量或改善减水剂的保塑效果；对于由于待料时间长已初凝的混凝土，建议作“废料”处理；严禁混凝土在运输过程和喷射施工前加水。
在施工准备方面，喷射施工前对受喷岩面采用压力水雾进行预先湿润，清除岩面的松石、浮渣和尘埃；对岩面上出现的空洞、凹穴和较宽的张开裂隙进行喷射混凝土预填充。
在喷射工艺调整方面[2,7,9~10]，根据喷射部位混凝土下坠力的不同，合理调整速凝剂掺量，建议拱脚速凝剂掺量为3%~4.5%，拱肩速凝剂掺量为4%~5%，拱顶速凝剂掺量为5%~6.0%；优化喷射措施，建议单层喷射厚度不大于5cm，单点喷射时间不超过5s，喷嘴绕受喷岩面做椭圆形运动；喷射按拱脚、拱肩、拱顶的方式依次递进，相邻区域再次喷射间隔时间不低于3min，避免因混凝土强度低，喷射压力大，导致混凝土脱落；喷射嘴与隧道弧面切线的角度宜控制为90°，不宜大于105°；喷射风压宜控制在0.8~0.9MPa，避免风压过大吹落未产生强度的混凝土；喷射嘴距支护面的距离宜控制在80~120mm，不宜大于150mm，避免因距离过大导致喷射密实度不足而脱落；喷射中如发现混凝土表面干燥松散、下坠滑移或拉裂时，应先及时清除，后进行补喷作业。
4工程应用
为对整改后的速凝剂与水泥品质以及喷射施工工艺进行评估，经项目部要求，项目技术部门参照JGJ/T372-2016《喷射混凝土应用技术规程》附录G“喷射混凝土回弹率试验”方法，开展了喷射混凝土回弹率实测试验。
按照喷射混凝土改进措施，拱脚处的喷射混凝土用量为3.0%，拱肩处速凝剂掺量为4..5%，拱顶处速凝剂掺量为5.5%。喷射混凝土温度为17.6℃，当天室外温度仅为6℃。
测试结束后，喷射施工效果见图4，隧道表面平整，无裸露支护钢桁架问题。共计完成29.5方混凝土喷射工作，速凝剂用量为700kg，实际掉落混凝土质量为8530kg。喷射混凝土实测容重为2300kg/m³，每方混凝土总胶材为500kg。因此，速凝剂实际掺量与喷射混凝土回弹率分别为：
因此，通过整改实测，速凝剂实际掺量4.75%（设计掺量为5%）与喷射混凝土实测回弹率12.6%（不大于15%）均满足项目设计技术规范要求，回弹率较整改前降低20%以上，喷射施工效果得到项目技术质量部门的认可，
5结语
水泥与速凝剂的匹配程度决定着喷射混凝土凝结硬化速度，混凝土配合比设计水平影响着喷射混凝土质量，两者是影响喷射混凝土回弹率高低的关键材料参数；然而，混凝土质量控制水平、喷射角度、喷射厚度、喷射风压等工艺参数也是影响其质量优劣的关键要素。因此，在实际施工中，为了降低喷射混凝土回弹率，提高其喷射质量，应关注材料性能，提高水泥与速凝剂的匹配程度及两者的问题性；同时，应加强对施工过程中的各要素的全过程质量控制，尤其是施工工艺。
参考文献
[1]中国建筑科学研究院. 喷射混凝土用速凝剂 JC477-2005[M]. 中国建材工业出版社, 2005.
[2]中冶建筑研究总院有限公司. 岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范 GB50086-2015[M]. 中国计划出版社, 2015.
[3]杨力远, 田俊涛, 杨艺博等. 喷射混凝土液体速凝剂研究现状[J]. 隧道建设, 2017, 37(5):543-552.
[4]张建纲. 喷射混凝土用液体速凝剂的水泥适应性研究[J]. 隧道建设, 2010, 30(1):6-8.
[5]石建, 何水清. 喷射混凝土速凝剂影响因素及应用[J]. 混凝土, 2003(4):31-32.
[6]海涛. 笔架山隧道湿喷工艺应用技术总结[J]. 山西建筑, 2017, 43(15):165-167.
[7]刘康. 低回弹喷射混凝土技术研究[D]. 河北工业大学, 2015.
[8]颜海建. 湿喷混凝土技术在六盘山隧道的应用研究[J]. 铁道建筑, 2017(6):81-84.
[9]董召禄. 湿喷混凝土技术在祁南煤矿的研究与应用[D]. 中国矿业大学, 2016.
[10]厦门市建筑科学研究院集团股份有公司. 喷射混凝土应用技术规程 JGJ/T 372-2016[M]. 中国建筑工业出版社, 2016.
