李建林 周長林 吳金剛

北京市市政工程設計研究總院有限公司 100082

引言

隨著我國社會與經濟的飛速發(fā)展，我國隧道及地下工程發(fā)展迅猛，截止2020 年，我國公路隧道數(shù)量達到21316 處，總長度達到2199.9 萬米，其中特長隧道1394 處，總長度達到623.6萬米［1］。我國已成為世界上隧道建設規(guī)模最大、數(shù)量最多、速度最快的國家之一。

隨著我國公路隧道的大規(guī)模建設，也暴露出一些技術問題亟待解決，其中隧道噴混超耗就是典型問題之一［2］。建筑業(yè)碳排放量超過全國碳排放量的一半，其中鋼材、水泥碳排放占建材生產碳排放的89.2%［3］。鉆爆法隧道建設過程中，控制超挖、減少噴混回彈量等對降低項目成本、提高經濟和社會效益都有著積極的影響，將是碳中和進程中重要的一個環(huán)節(jié)［4-9］。

對于隧道超挖控制，鞏中江等為減少鐵路隧道超挖，通過對周邊孔間距、光爆層厚度、炮孔長度、裝藥量和分段裝藥結構進行優(yōu)化，實現(xiàn)了爆破效果滿足鐵路隧道光面爆破控制的要求［4］。劉義等針對上軟下硬的不均勻地質，提出采用機械開挖輔以弱爆破的開挖方式及其他措施來降低隧道超欠挖程度，并提出改進每循環(huán)進尺、精準計算炮眼深度、充分利用超前小導管等方式可減小隧道超欠挖［5］。

對于隧道噴混回彈控制，張海波建議降低噴射混凝土超耗主要從控制隧道平均線性超挖、控制噴射混凝土回彈量、加強施工組織管理這3 個方面著手［6］；劉康研究了3 種礦物摻合料和2 種有機高分子材料作為回彈抑制材料對混凝土性能的影響，并驗證了其對噴射混凝土回彈抑制的效果［7］；郭永忠采用現(xiàn)場噴射試驗手段發(fā)現(xiàn)提高砂率有助于降低混凝土的回彈率，同時粉煤灰加入量的提升，需水量也隨之逐步提升，回彈率有所下降［8］；寧逢偉等為理清濕噴混凝土回彈率的主要控制因素，從混凝土原材料、配合比、施工工藝三個方面綜述了各因素對回彈率的影響，得出摻加摻合料、摻加纖維、提高摻合料細度、降低骨料最大粒徑等措施均可降低混凝土在噴射傳輸過程中的分散性，從而降低回彈率［9］。

在此大背景下，本文基于國道109 新線高速公路工程，開展隧道噴混超耗的試驗和研究。

1 工程概況

國道109 新線高速公路工程東起西六環(huán)路，向西經門頭溝區(qū)妙峰山、王平、雁翅、齋堂、清水，出市界接河北省張涿高速公路，路線全長約65.4km。全線設隧道16 處，其中特長隧道4 處、長隧道7處，中短隧5處，累計路線長度34.7km，占比53%。其中黃臺隧道左線長3974m，右線長4021m，為特長隧道，全線地質條件主要為強風化～微風化的灰?guī)r。

2 隧道噴混超耗主要影響因素

本文結合黃臺隧道實際施工情況，對施工過程中已施工部分區(qū)段隧道噴混超耗及噴混回彈等相關數(shù)據(jù)進行了統(tǒng)計分析，得出隧道總體噴混超耗率平均達到41.4%，噴混回彈率平均達到25.9%。

隧道噴混超耗在隧道施工中主要體現(xiàn)在兩個方面，一方面是隧道超挖引起的超耗，另一方面是初支噴射混凝土回彈引起的超耗。噴混超耗直接造成工程投資的增加和資源浪費，非常有必要進行噴混超耗的影響因素和控制措施的研究。

2.1 隧道超挖影響因素

根據(jù)隧道實際施工流程，隧道開挖主要包含測量放樣、鉆眼和裝藥爆破，每一步操作不當都可能會造成隧道超挖。

隧道開挖掌子面鉆眼前，測量人員通過測量放出隧道中線、開挖輪廓線和炮眼等的位置，鉆眼作業(yè)人員根據(jù)測量放樣位置鉆眼。因此，測量放樣準確性對超挖影響較大。

鉆眼作業(yè)人員根據(jù)測量放樣鉆眼，由于操作空間的局限性，一般鉆眼時均需保證一定的外插角，鉆桿外插角控制不好就容易造成超挖過大，同時，鉆眼長度也直接關系超挖大小。因此，鉆眼也是影響超挖的重要因素之一。

裝藥必須嚴格按照爆破設計裝藥結構進行，明確是連續(xù)裝藥、間隔裝藥還是不耦合裝藥。實際過程中，經常出現(xiàn)按照經驗進行裝藥，裝藥超過設計裝藥量就容易造成超挖。因此，裝藥也是影響超挖的重要影響因素之一。

綜上，測量放樣雖影響大但易控制，鉆孔角度和裝藥結構是需重點控制的因素。

2.2 隧道噴混回彈影響因素

隧道開挖完成后，需及時對圍巖進行初期支護，初期支護主要由噴混、錨桿、鋼筋網及鋼拱架組成，根據(jù)圍巖級別的不同，支護方式會有不同，但噴混是各圍巖級別共同的支護材料之一。

隧道噴混超耗除超挖引起外，另一個主要因素是初支噴混回彈造成的超耗。噴混回彈是噴混粒料與圍巖、鋼拱架、鋼筋網或已噴射粒料相碰撞后，噴混粒料從受噴面彈落的現(xiàn)象。噴混回彈與原材料配合比、噴射工藝參數(shù)和噴射方案等直接相關。原材料包括骨料、水、水泥、礦物摻合料和速凝劑等；噴射工藝參數(shù)包括噴射角度、噴射距離和噴射壓力等；噴射方案包括噴射厚度、素噴或掛網噴等。

本文將依據(jù)現(xiàn)場實際條件，結合試驗，重點研究速凝劑摻量和噴射距離對噴混回彈的影響。

3 隧道超挖控制措施

隧道超挖需從測量放樣、鉆孔和裝藥爆破三個方面進行重點控制。

測量放樣時，建議采用隧道激光斷面儀等儀器準確確定隧道開挖輪廓線和炮孔位置。利用醒目標識標記輪廓線、炮孔的準確孔位，以便鉆眼作業(yè)人員準確鉆眼。同時建議開挖完成后準確測量開挖后的輪廓，為超挖控制提供數(shù)據(jù)支撐。

鉆眼作業(yè)人員施鉆前，需熟悉炮眼布置圖，嚴格按鉆爆設計和測量放樣施鉆，不得隨意更改炮孔的間距和位置。周邊眼施鉆時，需嚴格控制鑿巖機鉆桿角度，以控制超挖量。

裝藥前，裝藥工需熟悉各炮孔爆破設計，準確按照爆破設計裝藥。同時，相關人員需根據(jù)爆破后超挖情況，動態(tài)調整周邊眼等裝藥結構，以控制爆破引起的超挖。實際工程中，建議施工單位與爆破團隊建立有效的溝通管理機制，盡可能控制隧道超挖。

黃臺隧道施工單位為了減少超挖引起的噴混超耗，針對隧道開挖環(huán)節(jié)進行了有效調整和整改，加強了對各環(huán)節(jié)的管理和控制，通過對開挖各工序進行嚴格管控之后，隧道超挖得到明顯改善。

4 隧道噴混回彈控制措施

4.1 試驗方法及材料性能

為了研究低回彈噴射混凝土技術與噴射工藝，解決隧道噴射混凝土回彈率高的難題，本文采用現(xiàn)場稱重法研究噴混回彈問題，現(xiàn)場回彈試驗如圖1 所示。

圖1 現(xiàn)場回彈試驗Fig.1 Field rebound tests

1.試驗方法

結合現(xiàn)場實際情況，選取Ⅲ級圍巖區(qū)段開展相關試驗。試驗中將隧道兩側側墻區(qū)域人為劃分為1m×1m的分塊，每次噴射混凝土用量固定為360kg，噴射完成后清理、稱重脫落在地面上的混凝土，并通過計算脫落量占總用量的百分率來確定噴混的回彈率，試驗中通過土工布和彩條布疊合的方式作為混凝土收集器。噴混回彈率公式為：

式中：ω 為噴混回彈率（%）；m1為回彈物重量（kg）；m0為噴混總重量（kg）。

2.原材料及施工機械

試驗中利用現(xiàn)場濕噴機械手，濕噴機采用混凝土濕噴機CHP30F-A7。噴混采用商品混凝土，每立方用量中，水泥447kg，水170kg，砂798kg，石975kg，減水劑8.9kg，水膠比0.38，砂率45%。

4.2 速凝劑

噴射混凝土配合比是噴混回彈的重要影響因素之一，水膠比、砂率和速凝劑摻量等都對噴混回彈有一定的影響，本文通過試驗研究速凝劑摻量對噴混回彈的影響。

為了較為準確確定最優(yōu)速凝劑摻量，試驗中共選取了0%、5%、6%、7%、8%、9%、10%七種工況進行研究，具體回彈試驗數(shù)據(jù)見表1。經統(tǒng)計，各工況噴混回彈率見圖2。

表1 不同速凝劑摻量下回彈試驗數(shù)據(jù)Tab.1 The rebound test data under different quick-setting agent dosage

圖2 不同速凝劑摻量下回彈率曲線Fig.2 The rebound rate curve under different quick-setting agent dosage

由回彈率統(tǒng)計可知，回彈率與速凝劑摻量密切相關，速凝劑摻量少時，噴混回彈率高，原因是噴混硬化慢，噴射的混凝土不易迅速形成強度，易在后續(xù)噴混的沖擊下掉落；速凝劑摻量較大時，噴混回彈率也高，原因是噴混硬化過快，噴射混凝土能快速形成強度，后續(xù)噴射的粗骨料不易貫入既有噴混面中而導致回彈掉落。

針對不同的速凝劑摻量，分別制作了100mm×100mm×100mm的立方體試塊各9 塊，分別測驗3h、1d及28d的試塊抗壓強度，見表2。

表2 混凝土試塊強度Tab.2 Concrete test block strength

根據(jù)相關規(guī)范要求，噴混3h 強度不得小于2MPa，1d強度不得小于10MPa，28d強度不得小于25MPa。根據(jù)強度試驗，0%、5%及6%摻量3h強度不滿足要求，0%、5%及6%摻量1d 強度不滿足要求，其他均滿足強度要求。速凝劑摻量越高，早期強度越高，但28d 強度隨速凝劑摻量增大呈減小趨勢。

綜合考慮噴混回彈率和強度試驗結果，本工程中速凝劑摻量建議控制在7%～8%左右，具體工程中需通過試驗確定最優(yōu)摻量，動態(tài)調整，滿足各項技術指標要求。

4.3 噴射距離

為了分析噴射距離對噴混回彈的影響，試驗中選取0.5m、1m、1.5m、2.0m 四種工況進行研究，速凝劑摻量按照8%，具體回彈試驗數(shù)據(jù)見表3。經統(tǒng)計，各工況噴混回彈率見圖3。

表3 不同噴射距離下回彈試驗數(shù)據(jù)Tab.3 The rebound test data in different spraying distance

圖3 不同噴射距離下回彈率曲線Fig.3 The rebound rate curves in different spraying distances

由回彈率統(tǒng)計可知，噴射距離對回彈率影響較大，噴射距離較小時，噴混受到的撞擊力較大，造成回彈也大；噴射距離較大時，噴混易成散狀，骨料回彈較大，造成噴混回彈率高。

噴射距離控制在1m 左右可以起到有效控制噴混回彈的效果。

4.4 噴射回彈控制措施

在黃臺隧道的后續(xù)施工中，根據(jù)試驗成果有效調整速凝劑摻量和控制噴射距離等，噴混回彈率得到了有效改善，平均回彈率達到17.5%，相比原噴混回彈率25.9%，噴混回彈率降幅達到了32%。

噴射回彈受諸多因素的影響，噴射施工中需不斷調整各項噴射參數(shù)，包括配合比、噴射工藝參數(shù)和噴射方案等。施工單位需加強噴混回彈的管理和控制，制定有效獎懲措施，提高施工人員對噴混超耗控制的積極性。

5 結論與建議

本文通過對隧道噴混超耗開展試驗和研究，主要得出如下結論：

1.隧道超挖引起的超耗重點是控制測量放樣、鉆孔和裝藥爆破三個程序，其中重點需控制鉆桿角度和裝藥結構。

2.速凝劑摻量對噴混強度和回彈影響較大，采用7%～8%的速凝劑摻量是最優(yōu)摻量，既可以滿足強度要求，也可有效降低回彈。1m 左右的噴射距離是控制回彈較為合適的距離，可有效控制噴混回彈。通過優(yōu)化速凝劑摻量和噴射距離等關鍵參數(shù)，黃臺隧道施工中回彈率由25.9%下降到17.5%，效果明顯。

為了有效控制隧道施工過程中噴混超耗問題，建議隧道工程人員加強噴混超耗控制意識，加強相關研究和管理，為綠色、低碳、高質量工程貢獻力量。