普通噴混凝土的施工工藝

普通噴混凝土的施工工藝在礦山法中，噴混凝土作為圍巖開挖后的主要支護構(gòu)件起著相當(dāng)大的作用。具有實際作業(yè)經(jīng)驗的技術(shù)人員，都認識到這一點。但在實際工作中，常常忽視它的存在和作用。因而，時常發(fā)生噴射量不足、噴射厚度不均勻、噴射配比不合適以及基底處理不當(dāng)?shù)痊F(xiàn)象，使噴混凝土不能充分發(fā)揮其應(yīng)有的作用。這實質(zhì)上是對噴混凝土的作用缺乏足夠的認識所造成的。因此，在噴混凝土施工中，提高對噴混凝土支護作用的認識，是極為必要的。作為隧道支護構(gòu)件的噴混凝土的支護作用，如表１所示，簡要歸納為以下幾點。1）首先，要認識到噴混凝土是惟一地能夠與圍巖大面積的、牢固接觸的一種支護方式，是其他方式所不能代替的。從力學(xué)意義上說，它既能傳遞徑向應(yīng)力也能夠傳遞切向應(yīng)力。2）噴混凝土與巖層的附著力可以把作用在噴混凝土上的外力分散到圍巖上，同時也提供了隧道周邊的裂隙和節(jié)理等以剪切阻力保持塊體的平衡，防止局部掉塊，在隧道壁面附近形成一承載環(huán)。在裂隙多的硬巖中這種效果是比較大的。3）比較厚的噴混凝土是作為一個連續(xù)構(gòu)件支護圍巖的，給予約束圍巖變形的支護力（內(nèi)壓），使圍巖保持近于3軸的應(yīng)力狀態(tài)，控制了圍巖的應(yīng)力釋放。同時，因早期鋪設(shè)仰拱使斷面臨時封閉，更好地發(fā)揮了支護效果。這種效果在軟巖和土砂圍巖中是顯著的。4）具有能夠?qū)⑼翂簜鬟f到鋼支撐和錨桿上的作用。5）填平圍巖的凹面，覆蓋弱層，而防止應(yīng)力集中，而加強了軟弱層。6）開挖后，因立即被覆壁面，具有防止圍巖風(fēng)化、止水和微顆粒流出等的效果。表1能夠發(fā)揮上述效果的噴混凝土，要求具有一次強度特性、長期強度特性、防止噴射后的圍巖崩落的良好的附著性、施工性等優(yōu)良的品質(zhì)，考慮隧道洞內(nèi)的溫度、濕度、爆破振動等，到目前為止，多采用水泥用量比較多、添加速凝劑的特殊的混凝土。特別是，作為支護構(gòu)件的噴混凝土，要求在噴射后數(shù)小時內(nèi)就要產(chǎn)生所需的強度，確保這種品質(zhì)是極為重要的。這里“初期強度”指噴射后能夠支持自重和隨掌子面推進的荷載的施工上所需的強度。意味著齡期24h抗壓強度，與通常的混凝土灌注后數(shù)天的“初期強度”是不同的?！伴L期強度“是指齡期28d的抗壓強度，不是通?；炷恋?0d和180d的強度。目前在噴混凝土施工中出現(xiàn)的問題，除了對噴混凝土支護的認識不充分外，主要是噴混凝土施工工藝上還存在一些不可忽視的問題，如：噴射方式的選擇、噴射材料的選擇、噴射配比的確定、噴射厚度的檢查和控制等。為了充分發(fā)揮噴混凝土的支護效果，最重要的是要解決好噴混凝土施工的4要素。強度：有足夠的強度，特別是一次強度；厚度：要確保附著層的厚度，或者使噴射表面平滑；附著：與圍巖牢固附著成為一體，相互間就能夠傳遞力和變形；密實：附著層密實、均質(zhì)、耐久。1）噴射方式的選擇噴混凝土的噴射方式，從拌合方法、壓送方法看，大體上分干式和濕式兩種。目前，通常采用具有比較大的生產(chǎn)能力的，能夠噴射新澆混凝土的濕噴方法。根據(jù)不完全統(tǒng)計，目前，歐洲國家絕大多數(shù)采用濕噴方式，日本的濕噴采用率也達到70%以上。目前，在隧道施工中，濕噴已成為主流方式。而我國的濕噴采用率，還不到20%。因此，大力開發(fā)和研制與濕噴技術(shù)有關(guān)的機械、速凝劑等，是很必要的。表2是兩種方法的比較。表2噴射方式的比較項目方式干噴法濕噴法混凝土性質(zhì)配比管理上的特性根據(jù)噴射面的狀況，W/C是在噴嘴處管理，而由噴射工決定W/C。由于機械的改良，可以讓W(xué)/C有微小的變動。W/C值比較?。?5~55%）。配比中，水/水泥比的調(diào)整會影響骨料的表面水率和噴嘴前添加的水量。噴射手的熟練程度也有影響由于機械性能的提高和改善，可以噴射低坍落度（降低W/C）的混凝土。噴射混凝土是用拌合設(shè)備制造的，接近通常灌注混凝土的情況。要對混凝土的坍落度、空氣量、強度等進行管理。也要注意對噴射量、噴射壓力的管理強度特性（一次強度）加水后的混凝土即可噴射，因W/C比較小，對一次強度有利?；貜椫写止橇媳容^多，因此單位水泥用量也多為確保施工性，W/C稍大些，一次強度也稍低些表面狀況由于噴射后強度出現(xiàn)的快，噴射面比較平滑由于噴射后強度出現(xiàn)稍遲，施工性壓送能力水平：150~200m垂直：100~150m水平：100m垂直：30~50m不管那種方式，壓送距離最好短些施工能力5~12m3/h8~20m3/h其他粉塵現(xiàn)狀，無很大差異回彈現(xiàn)狀無很大差異涌水對策因水量可以調(diào)整，在一定程度上可以適應(yīng)。因水量不能調(diào)整，適應(yīng)范圍很小。拌置時間根據(jù)水量，最好在2h時內(nèi)根據(jù)水量，最好在1h內(nèi)作業(yè)性機械、管路可用空氣清掃機械、管路要完全用水清洗干噴方式，是在水泥和骨料拌和后加入速凝劑，用壓縮空氣壓送，在噴嘴處加壓力水噴射的方式。在噴嘴處是干拌和料與水混合，W/C可以小些?；炷恋钠焚|(zhì)，受到噴射手的熟練程度和能力的左右。同時，粉塵和回彈較多。但材料的壓送距離比較大。而濕噴方式，與通常的混凝土制造相同，事先將包括水在內(nèi)的各種材料正確地計量、充分地拌合，而后用壓縮空氣或泵壓送，在噴嘴處加速凝劑的方式。與干噴方式比，混凝土的品質(zhì)管理比較容易，粉塵和回彈小，但用壓縮空氣壓送，不能長距離的輸送。同時，濕噴方式，拌合后放置時間的管理是很重要的，特別是，最近引人矚目的高強度或低粉塵的噴混凝土施工更要求進行嚴格的施工管理。濕噴方式與干噴比較，在施工能力方面是有利的，適合于大斷面、隧道的噴射施工。圖1是兩種作業(yè)方式的系統(tǒng)圖，各有特點，應(yīng)根據(jù)現(xiàn)場規(guī)模、狀況和噴射量分別使用。因此，選擇噴射方式時，要充分研究噴射厚度、隧道長度、斷面大小、開挖方法及涌水的有無等。對于涌水，一般說，干噴是比較好的。速凝劑的添加位置，液體速凝劑和粉體速凝劑是不同的。圖1噴射方式的系統(tǒng)圖2）噴混凝土的配比設(shè)計在配比設(shè)計中，大家一定要分清楚從噴射口出來的混凝土配比和附著在圍巖表面上的配比，是不一樣的。前者可以稱為噴射配比，后者稱為附著配比。設(shè)計規(guī)定的噴混凝土強度，如C20、C25等，應(yīng)該是由附著配比決定的。但因現(xiàn)場對附著配比管理比較困難，因此一般都按照設(shè)計配比進行管理。一般說，為了滿足附著配比（即設(shè)計配比）的要求，就不得不改變現(xiàn)場配比（噴射配比）的參數(shù)。例如表3所列的關(guān)系，就是這種考慮的事例。表3噴射前噴混凝土強度的對應(yīng)關(guān)系噴射后噴混凝土強度C30C35C40C45C50C55噴射前噴混凝土強度C38C43C48C54C60C65也就是說，現(xiàn)場配比應(yīng)適當(dāng)提高噴混凝土的強度等級，以確保附著在圍巖表面的噴混凝土的設(shè)計強度。與噴混凝土強度、耐久性、水密性、抵抗開裂性、保護鋼材的性能有最大關(guān)系的是：水灰比、單位水量及單位水泥量，還有使噴混凝土在短時間凝結(jié)的速凝劑用量。即：單位水量、單位水泥用量和速凝劑用量支配著噴混凝土的品質(zhì)。在適合作業(yè)的范圍內(nèi)，單位水量越小，則獲得要求品質(zhì)的混凝土的必要的單位水泥用量、速凝劑用量也少，是經(jīng)濟的。同時噴混凝土的開裂也將減少。另外，使用單位水量多的噴混凝土，單位水泥用量和速凝劑用量也要增加，是不經(jīng)濟的。同時壓送管的壓送狀況變差易產(chǎn)生脈動和材料離析。特別是，增加速凝劑用量，對長期強度的增長有影響。（1）骨料中，細骨料是噴混凝土構(gòu)成材料中占最大容積的材料，其品質(zhì)對回彈等施工性影響極大。一般說，顆粒越粗，回彈越多，反之，過細則配管內(nèi)的阻力越大，易引起堵塞。作為細骨料采用河砂最合適，但因不易獲得，也可使用海砂、山砂、碎砂等。粗骨料率一般在2.3~3.1之間。粗骨料的粒徑越大越經(jīng)濟，但回彈過多，易引起堵塞。粗骨料粒徑最大一般在10~15mm左右。在濕噴中最好采用10mm。通常在判斷對堿性骨料反應(yīng)有害的場合，應(yīng)采取合適的措施，如使用低堿型水泥、能夠確認有控制反應(yīng)效果的高爐水泥、火山灰混合水泥等，使混凝土中堿的總量（換算為NaO）控制在3.0kg/m以內(nèi)。但是噴混凝土要使用速凝劑，堿的總量通常在3.0kg/m以下，從早期強度的觀點看，使用水泥的類型是有限制的。因此，噴混凝土采用的骨料，要采用對堿性骨料反應(yīng)無害的材料。在噴混凝土中使用速凝劑的目的是提高作業(yè)效率、減少因自重而剝落、促進混凝土凝結(jié)。使用速凝劑是為了支護構(gòu)件及早獲得必要的強度和促進混凝土硬化能夠承受爆破的震動。速凝劑對噴混凝土的一次強度長期強度影響很大，增加添加量可以減少回彈，早期的強度也高。但是，如圖2所示，添加量超過某一限度后，凝結(jié)時間非但沒有縮短，強度也會降低。圖2速凝劑添加量和抗壓強度的關(guān)系速凝劑的效果，與水泥種類和水灰比、溫度等條件有微妙的關(guān)系，除參考其他現(xiàn)場的使用經(jīng)驗外，應(yīng)進行試驗研究最佳的速凝劑的種類、添加量。速凝劑的種類在日本濕噴方式多采用礦物系的粉體。最近一種沒有堿性的液體速凝劑已投入使用。速凝劑的種類示于圖3。礬土系（礦物系）粉體硫鋁酸鈣系（礦物系）鋁酸鈉鈣系（礦物系）鋁酸鹽系速凝劑液體鋁酸鹽系水溶性鋁酸鹽系圖3速凝劑種類硅灰是一種以非晶質(zhì)的SiO為主成分的球形超微粒子的混合材料。采用硅灰的噴混凝土在歐美等國家是用來補修襯砌的，在提高其品質(zhì)的同時，作業(yè)性也有了很大的改善。在日本，隧道中采用硅灰的也很多，也承認有改善的效果。近年在隧道施工中，由于采用硅灰，控制了速凝劑的添加量，出現(xiàn)了高強度高耐久性的噴混凝土，可以作為永久性的襯砌。混合硅灰后可以改善噴混凝土的性能。即：·提高品質(zhì)：強度增大、提高水密性和抗凍害性能；·提高施工性：改善壓送性能、減少回彈；·改善作業(yè)環(huán)境：減少粉塵。采用濕噴方式時，為了獲得合適的和易性，多采用減水劑、AE減水劑、高性能減水劑。由于使用這些混合劑，混凝土的和易性得到改善，減少了單位用水量，提高了抗凍害性，也改善了水密性。優(yōu)點是很多的。但是，這些混合劑的效果，根據(jù)使用的水泥、骨料的品質(zhì)、混凝土配比、施工方法等的不同而不同。目前市售的減水劑種類繁多，其品質(zhì)和性能也差異很大，選擇時應(yīng)加以注意。噴混凝土的配比強度，與通常的灌注混凝土不同，受到施工條件的影響極大，離散性也大。為此，決定噴混凝土的配比強度時，應(yīng)滿足施工要求的一次強度和結(jié)構(gòu)物要求的設(shè)計基準強度，根據(jù)經(jīng)驗和試驗求出合適的值。噴混凝土的設(shè)計基準強度應(yīng)與通?；炷恋膹姸认嗤g期28d為18N/mm2左右。設(shè)計基準強度采用18N/mm2的場合，試件的抗壓強度多為24~36N/mm2左右。但此值因施工條件、配比、材料的品質(zhì)等有些變動，決定配比強度時，要考慮這些變動。（1）噴混凝土的配比和品質(zhì)，因噴射面的狀態(tài)和噴射工的熟練程度而有很大的變動。為此，決定干噴混凝土的配比時，應(yīng)參考有關(guān)事例、附著的混凝土品質(zhì)、經(jīng)濟性、作業(yè)性等決定。干噴混凝土的作業(yè)性，要考慮以下項目?！核椭胁划a(chǎn)生閉塞和脈動；·回彈及粉塵少；·噴射混凝土不產(chǎn)生剝離、剝落及流淌。日本1990年12月調(diào)查的43件干噴的混凝土配比結(jié)果，求出的配比各項目的平均值，列于表4。表4干噴的噴混凝土配比的平均值項目配比粗骨料最大尺寸10~15mm細骨料率s/a61.6（%）單位水泥用量C359（kg/m3）水灰比W/C53（%）速凝劑添加量（·C）6.7（%）速凝劑的使用量應(yīng)根據(jù)圍巖條件、噴射位置、氣溫等施工條件增減。但使用量超過某一限度不僅效果不大，而且對長期強度的增長也有一定影響，因此應(yīng)根據(jù)試驗及工程實踐決定添加量。（2）濕噴混凝土的配比除與干噴混凝土的情況同樣考慮外，還要根據(jù)粗骨料的最大尺寸、坍落度及配比強度決定。但在泵送的場合，要根據(jù)壓送性決定混凝土的坍落度。坍落度小，壓送性能差，閉塞的可能性大，因此，坍落度多取8cm以上。調(diào)查的193件濕噴的配比結(jié)果列于表5。表5濕噴的噴混凝土配比的平均值項目配比粗骨料最大尺寸10~15mm細骨料率s/a62（%）單位水泥用量C360（kg/m3）水灰比W/C56（%）速凝劑添加量（·C）5.9（%）一些國家和部門采用的噴混凝土配比例列于表6。表6噴混凝土的配比例單位水泥用量C（kg/m）坍落度（cm）最大骨料尺寸（mm）W/C（%）s/a（%）速凝劑C·（%）日本鐵道公團（鐵道）干噴350-1545554.5濕噴390101055604.0日本道路協(xié)會（公路）干噴360-1545555.5濕噴36081555605.5日本道路協(xié)會（高速公路）干噴360-1556627.0濕噴36081556627.03）金屬網(wǎng)金屬網(wǎng)在軟巖和土砂圍巖中能夠提高附著力，在膨脹性圍巖中能夠防止剝落、提高柔性，在節(jié)理和龜裂多的硬巖中能夠提高抗剪性能和柔性。同時，在有腐蝕的場合，也有采用玻璃纖維、炭纖維和尼龍纖維等非金屬系的高強度纖維網(wǎng)的施工示例。金屬網(wǎng)的網(wǎng)格尺寸通常采用100mm×100mm或150mm×150mm，線徑采用3.2~6.0mm。但在土砂圍巖中也有采用1cm×1cm的金屬網(wǎng)的例子。應(yīng)該指出：金屬網(wǎng)的線徑不宜過粗，以利于隨噴混凝土表面鋪設(shè)。同時，加快鋪設(shè)速度，最好事先根據(jù)隧道尺寸，預(yù)制成網(wǎng)片，成片鋪設(shè)。4）噴射面的事前處理噴射基面的處理對保證噴混凝土與圍巖緊密接觸（附著）是非常重要的。因此噴射的第一步是：為確保噴射作業(yè)的安全和噴混凝土與圍巖成為一體，要事先把可能落下的浮石等仔細地清除。有涌水時不僅使噴混凝土的附著性降低，水混入后也會降低混凝土的品質(zhì)，在硬化前，噴混凝土?xí)魇?，硬化后混凝土背后會因水壓作用造成開裂和剝離。因此，要進行排水處理。在寒冷地區(qū)的洞口附近施工的場合，要注意凍結(jié)。第二步是：對圍巖表面凸凹顯著的部位填平補齊，為防水板的張掛創(chuàng)造良好的條件。第三步是：設(shè)置金屬網(wǎng)或鋼筋時，如固定不好，噴射作業(yè)中會發(fā)生移動，也會因金屬網(wǎng)振動而產(chǎn)生開裂。因此設(shè)置的金屬網(wǎng)、鋼筋等必須用混凝土釘、錨栓、錨桿、鋼支撐等充分固定好。噴混凝土與干噴或濕噴無關(guān)，因添加速凝劑而急劇硬化。因此，在速凝劑添加后盡早噴射是很重要的。5）拱部和側(cè)壁的噴射作業(yè)（1）從噴嘴中噴出的混凝土以適當(dāng)沖擊速度，與壁面成直角噴射時，壓密性最好。噴射成斜角時，會損傷已噴射的混凝土部分，回彈和剝離也多。噴射距離（噴嘴到噴射面的距離），應(yīng)根據(jù)材料的沖擊速度和材料的附著性進行調(diào)整。（2）一次噴射厚度，因噴射面的位置及干濕狀態(tài)、噴射材料的不同、速凝劑的種類及添加量、噴射方式的不同和噴射手的熟練程度等而異，但厚度應(yīng)以材料不剝離、不流失為準。最好在先噴的混凝土硬化后再噴下一層混凝土。（3）回彈量與噴射方式、施工位置、空氣壓力、出來的配比、骨料的最大尺寸及平時4厚度等而異。最好采用適當(dāng)?shù)呐浔群褪┕し椒?，來減少回彈量，提高噴混凝土的質(zhì)量。特別是在纖維混凝土的場合，纖維的回彈也多，更要注意噴射壓力和配比。6）涌水地點的噴射作業(yè)涌水集中或量大的地點，可采用圖4的方法進行處理。圖4涌水處理方法7）仰拱地點的噴射作業(yè)仰拱處的噴射作業(yè)，原則上與前節(jié)相同。仰拱和側(cè)壁向下的噴射作業(yè)，不能在噴混凝土中產(chǎn)生弱層。8）爆破對噴混凝土的影響一般說，噴混凝土是靠近掌子面噴射的，會強烈地受到爆破的影響。特別是對低齡噴混凝土。日本曾進行爆破對噴混凝土影響的試驗研究。其結(jié)果可以作為參考。在一座斷面積為76m2，采用臺階法施工的公路隧道中，一次爆破炸藥量為80~132kg，噴混凝土距掌子面0.75m，材齡1.5d。爆破后在噴混凝土中產(chǎn)生最大56.3cm/s的振動速度，但沒有發(fā)生有害的開裂。雖然目前還沒有相應(yīng)的規(guī)定，但一般認為，爆破振動速度控制在50cm/s以下是容許的。表7是量測的振動速度最大值。圖5是量測測點布置圖。表7振動速度最大值（上半斷面開挖）上半掌子面距離（m）噴混凝土材齡（天）振動速度最大值（Kine）掏槽藥量（kg）總藥量（kg）A（拱頂）XYZB（肩部）XYZC（側(cè)壁）XYZG（巖層）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.