隧道喷射混凝土高回弹率原因及控制措施
时间：2023-06-07 13:55:24 来源：雅意学习网 本文已影响 人 
马草原，牟明俊，欧阳禄龙
(中国建筑土木建设有限公司，北京 100070)
某高速公路隧道工程全长为13.2 km，穿越数条大断裂带和数十条断层破碎带，经过水文地质勘察结果显示，该段地下涌水多且地质结构复杂。通过对已完成喷射混凝土施工经过现场测试，发现施工中存在喷射支护厚度未达标、回弹率高、混凝土脱落等情况，其中以高回弹率问题最为突出，导致隧道工程的整体喷射支护效果差，现场喷射效果如图1所示，严重影响隧道工程的整体施工质量与进度。
图1 现场喷射效果图
为确保隧道工程的施工质量与进度，在充分了解施工现场喷射混凝土高回弹率问题的基础上，从影响喷射混凝土的回弹率大小的3个主要因素上着手分析高回弹率原因。
2.1 原材料质量
在隧道喷射混凝土施工中，原材料质量对回弹率的大小有着直接影响，如果出现原材料质量不合格，就会引起高回弹率问题。如果水泥材料的初凝速度过低，就会出现回弹率过高问题；
如果在施工中砂子过粗，导致砂子与碎石不能均匀混合，回弹率会显著增大，而在该隧道工程中，所采用的是砂子细度模数为3.2、含泥量为4.2%的中粗砂，符合施工要求，不影响回弹率。对采购不同批次的水泥掺量5%速凝剂进行测试，检测结果显示均满足标准中合格品凝结时间检测指标的要求，但不同采购批次的水泥颜色存在差异，说明水泥存在明显品质波动。由此可见，水泥品质影响了回弹率大小。
2.2 喷射混凝土配合比
配合比直接决定着喷射混凝土的回弹率大小，因此在一般情况下，喷射混凝土配比都是根据隧道初期支护设计标准进行设计，并严格控制水泥、砂子、减水剂等材料质量。在该隧道施工中，根据隧道初期支护设计标准，喷射混凝土采用的是和易性较好的C25混凝土，配合比如表1所示。并在施工前对水泥、砂子、速凝剂等原材料的品质、性能进行检验，各项性能指标均能满足设计标准要求，其工作性如表2所示。
表1 C25混凝土配合比 单位：kg/m3
表2 混凝土的工作性
由表2可知，混凝土各项性能指标均满足相关标准规定要求，具有较好的和易性，且在施工中并未出现和易性不良问题。由此可见，在隧道工程中喷射混凝土的配合比是满足喷射施工要求的不会引起高回弹率。
2.3 喷射工艺
喷射工艺是影响喷射混凝土高回弹率的主要原因，而喷射工艺主要受混凝土喷射厚度、喷射角度、风压、水压等因素的影响。本次隧道施工中，喷射施工中主要存在以下问题。
1)喷射混凝土流动性较大。在喷射混凝土施工过程中，由于混凝土入喷射机坍落度为150 mm，导致混凝土流动性不足，现场进料困难，相关操作人员在作业过程中往混凝土中加水，使得混凝土的流动速度增大，远远超过混凝土设计要求的坍落度。当混凝土加水后，混凝土在凝结硬化过程中需要更多的速凝剂，但是速凝剂的量是一定的，随着自由水量的增多，凝结硬化时间变长，喷射混凝土的回弹率也随之增加。
2)单层喷射厚度过厚。本次喷射混凝土施工为降低回弹率，采取分层喷射。但是，从单层喷射厚度来看，拱脚和拱肩的一次性喷射满足设计厚度，而拱顶的单层喷射厚度过厚，导致粘结在拱顶岩面的粘结力不足以抵消混凝土自身的重力，使得混凝土发生脱落，增加了回弹率。
3)喷射角度不正确。在喷射施工中，喷嘴与隧道弧面切线并未呈90°，导致喷射机喷射混凝土的喷射力F自动分解为挤压混凝土的力F1和剪切混凝土的力F2，具体如图2所示，如果混凝土凝结硬化产生的抗弯力难以抵消剪切力，就容易产生混凝体脱落现象，进而增加回弹率。
图2 喷射力示意图
4)喷射风压过低。据研究表明，风压过高或过低都会造成混凝土脱落，从而增加回弹率。如果喷射风压过低，会使混凝土受压实力不足，并导致喷射的混凝土不能与受喷面黏结密实，造成混凝土脱落，最终增大混凝土的回弹率。
针对喷射混凝土高回弹率出现原因，本文主要从原材料质量控制、优化材料配合比以及加强工艺要点管理等方面，提出相应的控制措施，以有效降低喷射混凝土回弹率。
3.1 严格控制原材料质量
为有效降低回弹率，在施工过程中应严格控制原材料质量。根据以上论述，主要控制水泥质量。本次隧道混凝土喷射施工中，在水泥、砂子、减水剂等原材料的各项性能指标均满足相关要求且保持均匀稳定的情况下，在原材料保存时应在分批次验收合格后分类入仓，不得随意变更原材料产地与批次。同时，还应将速凝剂与水泥的检测基准样封存，做好水泥同速凝剂的匹配性，提升水泥品质的稳定性，避免出现水泥品质波动问题。
3.2 优化材料配合比
在施工中要准确计量各原材料，严格控制混凝土搅拌时间，确保拌合物质量均匀稳定，使出机料具备良好的和易性。同时，还应针对喷射施工中出现的混凝土流动性问题，结合现场实际情况对配合比进行优化，当出现混凝土流动性不足时，严禁在喷射施工前加水，应通过优化配合比，如适当增加减水剂掺量或改善减水剂的保塑效果等。对于因待料时间过长已初凝的混凝土作废料处理，可有效减少回弹率。
3.3 加强工艺要点管理
针对上述喷射工艺缺陷，要想降低喷射混凝土回弹率，就必须加强工艺要点管理。主要从以下几个方面着手。
1)分层喷射厚度控制。混凝土黏结在拱顶岩面的黏结力不足以抵消混凝土自身的重力而出现脱落现象。因此，需要结合不同喷射部位混凝土的下坠力不同的特点，合理调整速凝剂掺量，通常情况下拱顶速凝剂掺量要大于拱脚、拱肩速凝剂掺量。根据设计要求，每层厚度控制在5 cm以内，喷嘴绕受喷岩面做椭圆形运动，先进行拱脚处理，然后开展边墙和拱腰处理，最后喷射拱顶部分，相邻区域间隔时间不得低于3 min，避免在喷射压力的作用下，导致混凝土脱落。
2)喷射角控制。根据上文论述，喷嘴与隧道弧面切线的角度宜控制为 90°，以降低回弹率。但是，在喷射边墙结构时，应将喷嘴适当向下倾斜10°左右，这样才能确保喷射的混凝土束可以落在厚度较大的混凝土顶端区域，减少回弹量。
3)风压管理。在喷射过程中，喷射风压宜控制在 0.8～0.9 MPa，避免因喷射风压过低，影响混凝土的受压实力，使喷射的混凝土不能与受喷面黏结密实，造成混凝土脱落，增大回弹率。同时还应合理控制喷嘴与受喷面的距离，因距离过大而导致喷射密实度不足，最终导致混凝土脱落。
除上述几点外，在隧道喷射混凝土施工中，误操作也是造成高回弹率的一个重要原因。因此，在进行喷射施工前，必须组织相关人员进行专业技术、喷射工艺技能等培训，增强其专业技能和作业经验，能够在施工中按照规范标准施工，合理控制回弹率，提升喷射施工质量和标准化程度。
随着高速公路、铁路建设规模的不断扩大，喷射混凝土施工技术应用越来越广泛。高回弹率是喷射混凝土施工技术中最主要的问题，因此本文结合实际案例展开分析，水泥品质的稳定性和喷射混凝土配合比是影响喷射混凝土回弹率大小的重要参数，而喷射厚度、角度、风压等喷射工艺是喷射混凝土回弹率大小的关键要素。针对高回弹率出现的原因提出合理、有效的控制措施，降低喷射混凝土回弹率，有效提高喷射施工质量。
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