黃姣媚　趙啟雄　戴軍

摘要：文章依托實(shí)際工程項(xiàng)目，從濕噴混凝土配合比設(shè)計入手，結(jié)合施工現(xiàn)場情況對其配合比進(jìn)行優(yōu)化，總結(jié)出濕噴工藝控制要點(diǎn)，通過與干噴工藝進(jìn)行對比，分析兩者綜合性能的優(yōu)劣性。結(jié)果表明：噴射混凝土配合比需根據(jù)設(shè)計配合比及現(xiàn)場施工調(diào)試后確定最終的施工配合比；濕噴混凝土回彈率與濕噴角度、濕噴距離、速凝劑摻量及施工人員的熟練程度密切相關(guān)；隧道濕噴較干噴在綜合性能方面具有一定的優(yōu)勢。

關(guān)鍵詞：軟巖地區(qū)隧道；濕噴混凝土；配合比設(shè)計；干噴混凝土；綜合性能

0引言

噴射混凝土作為國內(nèi)外隧道工程初期支護(hù)最普遍的施工工藝，具有高強(qiáng)度、快支護(hù)、操作簡單等優(yōu)勢，特別是在軟弱圍巖地質(zhì)條件下，配合鋼拱架及系統(tǒng)錨桿作為聯(lián)合支護(hù)，優(yōu)點(diǎn)更為明顯。但因其回彈率普遍較高，施工過程中粉塵量較大，對原材料造成了極大的浪費(fèi)［1］。

黎波［2］從濕噴混凝土的原材料入手，通過配合比的設(shè)定及噴射技術(shù)的工藝流程展開介紹，對濕噴混凝土技術(shù)在隧道項(xiàng)目的應(yīng)用進(jìn)行深入分析；何鵬等［3］從回彈機(jī)理角度出發(fā)，認(rèn)為先噴射砂漿再噴射混凝土的方法或調(diào)整噴射速度的措施能降低濕噴混凝土回彈率。宋云［4］依據(jù)混凝土濕噴作業(yè)原理設(shè)計工藝流程，概述了施工要點(diǎn)，將抗壓強(qiáng)度、破壞荷載、濕噴回彈率均控制在范圍之內(nèi)。孫海東［5］結(jié)合工程實(shí)際分析了濕噴混凝土技術(shù)，并提出了相應(yīng)的注意事項(xiàng)，以切實(shí)提升濕噴混凝土施工技術(shù)在公路工程中的實(shí)踐應(yīng)用水平。

但目前對于低回彈噴射混凝土配合比設(shè)計優(yōu)化及其工藝確定的研究較少。因此，對噴射混凝土性能及其施工控制要點(diǎn)進(jìn)行分析具有一定的必要性，旨在為隧道工程噴射混凝土施工提供一定的參考和借鑒。

1 工程概況

巴馬至平果段高速公路隧道工程均為雙向六車道，設(shè)計速度為120 km/h，設(shè)計內(nèi)輪廓凈寬為19.18 m、凈高為11.19 m。隧道圍巖自穩(wěn)能力差，無支護(hù)時易掉塊、塌方。巖體以中風(fēng)化粉砂巖夾泥巖為主，巖體總體破碎，結(jié)合差，節(jié)理裂隙發(fā)育，局部泥質(zhì)等軟弱夾層發(fā)育。

2 濕噴混凝土配合比設(shè)計

2.1 原材料

（1）水泥：選用廣西登高（集團(tuán)）田東水泥有限公司生產(chǎn)的P·O 42.5級水泥。

（2）機(jī)制砂：選用健康石場生產(chǎn)的0.075～4.75 mm型機(jī)制砂。

（3）減水劑：選用北京路智恒信科技有限公司的緩凝高效減水劑。

（4）速凝劑：選用廈門林晟通科技有限公司的HS-S1型速凝劑。

（5）水：水選用平果市黎明鄉(xiāng)飲用水。

2.2 配合比設(shè)計

根據(jù)《水工混凝土配合比設(shè)計規(guī)程》（DL/T 5330-2015）規(guī)定，混凝土強(qiáng)度試驗(yàn)至少應(yīng)采用3個不同水膠比的配合比，其中一個應(yīng)為確定的配合比，其他配合比的用水量不變，水膠比依次增減，變化幅度為0.05，砂率可相應(yīng)增減1%［6-7］。因本項(xiàng)目無統(tǒng)計資料計算混凝土強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)差，故其設(shè)計值按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)工程施工及驗(yàn)收規(guī)范》（GB 50204）的規(guī)定選取σ=5.0。

所以混凝土配置強(qiáng)度為：fcu，0=fcu，k+1.645σ=25+1.645×5.0=33.2 MPa

水膠比為：W/C=aa fb/（fcu.0+aaabfb）=0.53×48.4/（33.2+0.53×0.20×48.4）=0.67，校核基準(zhǔn)水膠比選取0.39。因此，該試驗(yàn)水膠比分別按照0.34、0.39和0.44進(jìn)行試驗(yàn)，試塊養(yǎng)護(hù)時間分別按照1 d、7 d、28 d后進(jìn)行水泥混凝土抗壓試驗(yàn)檢測。因此，根據(jù)C25噴射混凝土配合比設(shè)計書，每立方混凝土用料表如表1所示。

2.3 抗壓強(qiáng)度測試

試驗(yàn)主要根據(jù)《公路工程水泥及水泥混凝土試驗(yàn)規(guī)程》（JTG 3420-2020）（以下簡稱《試驗(yàn)規(guī)程》）進(jìn)行，試驗(yàn)儀器為GL01020008（BP1）142-01～02/I微機(jī)控制恒加荷速率壓力試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)溫度為22 ℃，濕度為72%，試驗(yàn)結(jié)果如圖1所示。

由圖1可知：

（1）水泥混凝土抗壓強(qiáng)度隨著養(yǎng)護(hù)齡期的增大而增大。主要是因?yàn)樗嗍炝系V物在一定的溫度、濕度條件下隨時間的增長不斷水化，且水泥的水化會隨著時間的推移不斷深入，增多的水泥凝膠體填充于毛細(xì)孔中，相應(yīng)地也增加了膠空比值，于是強(qiáng)度也就隨之不斷增高。

（2）在養(yǎng)護(hù)齡期一定的條件下，齡期為1 d的混凝土抗壓強(qiáng)度隨水膠比的增大而逐漸增大，齡期為7 d和28 d的混凝土強(qiáng)度隨著水膠比的增大而逐漸減小。主要是由于水泥在固化過程中，3 d內(nèi)水泥的強(qiáng)度增長速度較快，3～7 d內(nèi)水泥強(qiáng)度增長放慢，28 d后基本就不會增加了。

（3）根據(jù)設(shè)計要求，確定水膠比為0.39。其中水膠比為0.34的水泥混凝土在28 d的抗壓強(qiáng)度高出設(shè)計水膠比水泥混凝土抗壓強(qiáng)度的23.8%，抗壓強(qiáng)度滿足要求，但會導(dǎo)致使用更多的原材料）。水膠比為0.44的水泥混凝土在28 d的抗壓強(qiáng)度小于設(shè)計抗壓強(qiáng)度，不滿足設(shè)計要求。而水膠比為0.39的水泥混凝土抗壓強(qiáng)度剛好滿足設(shè)計要求，又不會浪費(fèi)更多的原材料，所以最終確定水膠比為0.39的水泥混凝土配合比為施工配合比。

2.4 稠度測試

試驗(yàn)主要根據(jù)《試驗(yàn)規(guī)程》進(jìn)行，試驗(yàn)溫度為22 ℃，濕度為74%，攪拌方式為機(jī)械攪拌加人工拌和，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示。

根據(jù)設(shè)計要求、構(gòu)件截面尺寸和施工工藝的特點(diǎn)，選取坍落度T=140～180 mm。

由表2可知：3種水膠比下水泥混凝土坍落度均滿足設(shè)計要求，為140～180 mm。因此，依據(jù)抗壓強(qiáng)度試驗(yàn)，選擇水膠比為0.39的水泥混凝土更適合施工配合比的設(shè)計。

2.5 表觀密度測試

試驗(yàn)溫度為22 ℃，濕度為74%，攪拌方式為機(jī)械攪拌加人工拌和，設(shè)計混凝土容重mcp=2 365 kg/m3。該試驗(yàn)水膠比分別按照0.34、0.39和0.44進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)如表3所示。

由表3可知：

（1）水泥混凝土表觀密度測定值隨著水膠比的增大逐漸減小。主要是由于在體積一定的條件下，隨著水膠比的增加，集料越稀疏，單位體積內(nèi)混凝土質(zhì)量越小，從而導(dǎo)致表觀密度逐漸減小。

（2）由于設(shè)計混凝土容重為2 365 kg/m3，在水膠比為0.39的情況下，混凝土表觀密度剛好滿足設(shè)計要求，因此由表觀密度試驗(yàn)確定水膠比為0.39的水泥混凝土配合比更適用于施工配合比。

（3）綜合上述3個試驗(yàn)結(jié)果分析確定采用配合比Ⅰ來指導(dǎo)施工。

3 噴射混凝土配合比優(yōu)化

3.1 濕噴角度測試

本試驗(yàn)以噴射工作面與濕噴嘴之間的夾角作為控制因素，分別設(shè)置45°、60°、70°、80°和90°五個設(shè)計噴射角度，根據(jù)施工經(jīng)驗(yàn)確定濕噴距離為1 m，通過回彈率來確定最終噴射角度。濕噴角度測試結(jié)果統(tǒng)計如下頁圖2所示。

由圖2可知，隨著濕噴角度的增大，回彈率逐漸減小。主要是因?yàn)殡S著噴射角度的增大，受噴面范圍也逐漸增加，噴射能量就會分散，從而導(dǎo)致回彈率降低。因此，在噴射混凝土施工過程中，應(yīng)盡量保持噴嘴與噴射面垂直，以獲得良好的密實(shí)性。本試驗(yàn)建議噴射角度為90°。

3.2 噴射距離測試

本試驗(yàn)以噴射工作面與濕噴嘴之間的距離作為控制因素，分別設(shè)置0.6 m、0.8 m、1.0 m、1.2 m和1.4 m五個設(shè)計噴射距離，根據(jù)上述試驗(yàn)確定的濕噴角度為90°，通過回彈率來確定最終噴射距離。濕噴距離測試結(jié)果統(tǒng)計如圖3所示。

由圖3可知，濕噴混凝土回彈率隨著濕噴距離的增加先減小后增大，而在濕噴距離為1 m時回彈率達(dá)到最低值，與施工經(jīng)驗(yàn)距離一致。主要原因是噴射距離越小，噴射混凝土抵達(dá)噴射工作面時速度較大，噴射能量較大，從而噴射混凝土在噴射工作面上更加密實(shí)，強(qiáng)度較大，在重力作用下不易脫落，使?jié)駠娀炷粱貜椔式档?。因此，本試?yàn)建議濕噴混凝土噴嘴與受噴面距離為1 m。

3.3 速凝劑摻量測試

根據(jù)設(shè)計配合比速凝劑摻量為23.3 kg/m3，但經(jīng)現(xiàn)場測試后發(fā)現(xiàn)回彈率較大，造成材料的浪費(fèi)。因此，對速凝劑摻量進(jìn)行測試具有一定的必要性。通過對速凝劑摻量的不斷調(diào)試，確定速凝劑摻量為28.55 kg/m3、30.55 kg/m3、32.55 kg/m3、34.55 kg/m3和36.55 kg/m3，分別進(jìn)行濕噴測試。其中濕噴角度控制為90°，濕噴距離控制為1 m，通過回彈率來確定最終速凝劑摻量。速凝劑摻量測試結(jié)果統(tǒng)計如圖4所示。

由圖4可知，濕噴混凝土回彈率隨著速凝劑摻量的增加先減小后增大，當(dāng)速凝劑摻量為32.55 kg/m3時，混凝土回彈率達(dá)最低值，僅為14%。根據(jù)回彈機(jī)理，附著在噴射面上未來得及凝結(jié)的混凝土因凝結(jié)速度慢，內(nèi)部粘聚力較低，在后續(xù)噴射混凝土的沖擊下被沖掉；隨著速凝劑摻量的增加，混凝土凝結(jié)時間縮短，內(nèi)部粘聚力增加，強(qiáng)度增大，損失減小。所以速凝劑摻量較少時，混凝土凝結(jié)時間較慢，粘聚力較小，噴射混凝土容易掉塊；而速凝劑摻量過大時，混凝土凝結(jié)速率較快，導(dǎo)致混凝土在噴射到工作面時會凝結(jié)成硬核而被彈回。因此，本試驗(yàn)建議濕噴混凝土速凝劑摻量為32.55 kg/m3。

3.4 施工人員的熟練程度測試

在施工過程中發(fā)現(xiàn)，濕噴機(jī)械手操作人員的熟練程度對濕噴混凝土回彈率的影響較大。因此，針對施工人員的熟練程度對濕噴混凝土回彈率展開測試，測試通過收集連續(xù)施工7 d的回彈率進(jìn)行分析，其中濕噴角度控制為90°，濕噴距離為1 m，速凝劑摻量為32.55 kg/m3。測試結(jié)果如圖5所示。

由圖5可知，濕噴混凝土回彈率隨著施工次數(shù)的增加而降低，且在5 d后逐漸趨于穩(wěn)定。主要因?yàn)闈駠姍C(jī)械手操作人員對于濕噴機(jī)械的掌握程度逐漸熟悉且穩(wěn)定，從而可以更好地控制濕噴角度、濕噴距離及噴射方式。

4 濕噴工藝與干噴工藝綜合性能對比

4.1 工藝對比

干噴是直接將水泥、瓜米石及照設(shè)計比例在干噴機(jī)械手料倉內(nèi)攪拌均勻，然后通過壓縮空氣將干集料在軟管內(nèi)呈懸浮狀態(tài)壓送至噴槍，再由噴頭處融入水后噴出［8-9］，如圖6所示。濕噴是將水泥、瓜米石、砂和水按設(shè)計比例在拌和站拌和均勻后運(yùn)至濕噴機(jī)械手料倉內(nèi)，然后由濕噴機(jī)壓送至噴頭處，再由噴頭處融入速凝劑后噴出［10］，如圖7所示。

由圖6和圖7可知：

（1）濕噴工藝流程較干噴工藝流程復(fù)雜，有利于提高濕噴混凝土質(zhì)量。

（2）濕噴機(jī)械手結(jié)構(gòu)復(fù)雜，導(dǎo)致機(jī)械清理過程繁瑣，而干噴機(jī)械手結(jié)構(gòu)較簡單，機(jī)械清理過程比較容易。

（3）干噴工藝不需要減水劑，且在干骨料攪拌過程中，各材料混合均勻性較差，導(dǎo)致干噴混凝土質(zhì)量不易控制。

4.2 性能對比

根據(jù)室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場測試，最后確定濕噴與干噴的配合比及單價如表4所示。

本文以隧道出口左洞濕噴工藝與隧道進(jìn)口右洞干噴工藝進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析，主要對噴漿時間、回彈率、噴射效率、每延米噴射方量進(jìn)行對比分析，對隧道噴射混凝土工藝的選擇提供一定的參考，具體數(shù)據(jù)如圖8所示。

由圖8可知：

（1）每延米濕噴所用時間比干噴短，噴射效率高，濕噴工藝可節(jié)約一定的時間成本。

（2）濕噴的回彈率比干噴回彈率低40%，每延米濕噴混凝土方量較干噴降低26%，可大量節(jié)省材料成本。

4.3 成本對比

根據(jù)設(shè)計圖紙及現(xiàn)場施工統(tǒng)計，對隧道濕噴與干噴的成本進(jìn)行對比分析，如圖9所示。

由圖9可知：

（1）濕噴混凝土配合比中比干噴混凝土多了減水劑，且濕噴混凝土中速凝劑價格較干噴貴，但濕噴混凝土所用方量較小，故濕噴混凝土每延米單價比干噴混凝土單價低，設(shè)計每延米單價降低了32.3%，實(shí)際每延米單價降低了6%，其中實(shí)際每延米降低單價與設(shè)計每延米單價差距較大，主要是由于超欠挖方量引起。

（2）濕噴工藝每噴射1方混凝土機(jī)械價格比干噴貴，主要是由于濕噴機(jī)械手價格昂貴，兩者人工及材料成本基本一致。

4.4 環(huán)保性對比

在施工過程中，濕噴作業(yè)時幾乎沒有灰塵出現(xiàn)，且噪音較小，而干噴作業(yè)時出現(xiàn)大量灰塵，且噪音較大。

綜合施工效率、成本及環(huán)保三方面考慮，本研究建議使用濕噴工藝進(jìn)行隧道初支噴射混凝土施工。

5 結(jié)語

（1）濕噴混凝土配合比首先需要在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行配合比的初試，然后再根據(jù)現(xiàn)場施工情況進(jìn)行調(diào)節(jié)，最終確定最佳配合比。

（2）濕噴混凝土回彈率與濕噴角度、濕噴距離、速凝劑摻量及施工人員的熟練程度密切相關(guān)。其中，建議噴射角度控制為90°，噴射距離控制為1 m，速凝劑摻量為32.55 kg/m3。

（3）濕噴較干噴所用時間短，噴射效率高，濕噴工藝可節(jié)約一定的時間成本，且濕噴過程中回彈率很??；濕噴混凝土每方單價與干噴混凝土單價基本一致。從環(huán)保性分析得出，采用濕噴工藝施工相比干噴工藝施工更環(huán)保，施工現(xiàn)場粉塵很少，噪音很小，能夠消除靜電作用對人體的危害，所以建議隧道初支混凝土施工采用濕噴工藝進(jìn)行施工。

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作者簡介：黃姣媚（1986—），工程師，主要從事公路工程試驗(yàn)檢測與技術(shù)管理工作。