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隧道湿喷混凝土施工技术

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脶 隧道湿喷混凝土施工技术 王清江 (中铁十八局集团公司贵广铁路指挥部,贵州从江557400) 摘要:我国隧道喷射混凝土技术发展远落后于隧道施工技术的发展,喷射混凝土施工是目前隧道施工的薄 弱环节。详细地介绍了喷射混凝土支护原理及作用、干喷和湿喷的优缺点、湿喷混凝土施工工艺、质量控制措 施及施工注意事项,并对湿喷施工中存在的成本过高、渗水地段喷层易滑落流淌、液体速凝剂运输储存不便等 问题进行了探讨分析,可为类似工程施工提供借鉴。 关键词:隧道;湿喷混凝土;速凝剂;支护 中图分类号:U455.91 文献标识码:B文章编号:1672—3953(2010)03—0063—05 改革开放以来,我国隧道工程的施工方法由单 1.2 喷射混凝土的作用 纯的钻爆法,逐渐发展有掘进机法(TBM)、盾构法 喷射混凝土的作用主要有以下几点: 和新奥法(NATM)。按“新奥法”施工原理,隧道设 (1)首先,混凝土是唯一能够与围岩大面积的、 计、施工有四个重要环节,即控制爆破、喷锚支护、应 牢固接触的一种支护方式,是其他方式不能代替的。 力与变形量测和二次衬砌。目前隧道复合衬砌结构 从力学意义上说,它既能传递径向应力也能够传递 已成为主流,衬砌结构由初期支护和二次衬砌组成。 切向应力。 初期支护为主要承载结构,既要能与围岩共同变形, (2)混凝土与岩层之间的附着力可以把作用在 又要有足够的强度和刚度控制围岩变形。目前,铁 喷混凝土上的外力分散到围岩上,防止局部掉块,在 路隧道工程初期支护结构形式主要有:喷混凝土支 隧道壁面附近形成一个承载环,给予约束围岩变形 护,喷锚网支护、钢架喷混凝土支护等。基于结构耐 的支护力(内压),使围岩保持近于三维的应力状态, 久性的要求,隧道设计施工中提出了发展高性能喷 控制了围岩的应力释放。 射混凝土技术的要求,湿喷技术得到重视和发展。 (3)填平围岩的凹面,阻止应力集中,加强了软 但从我国目前总体隧道施工技术水平看,由于在实 弱层。将土压传递到钢支撑和锚杆,开挖后,及时覆 际工作中缺乏对喷射混凝土支护作用重要性的足够 壁面,防止围岩风化。 认识,致使它的发展落后于隧道其它施工技术,喷射 总的来讲喷射混凝土的作用有:支承围岩、“卸 混凝土是目前隧道施工中的薄弱环节。 载”、填平补强围岩、覆盖围岩表面、阻止围岩松动和 1 喷射混凝土技术概况 分配外力等。 1.3 混凝土喷射方式的比较 1.1 喷射混凝土工艺原理及特点 混凝土的喷射方式,从拌合、压送方法看,大体上 将掺速凝剂的混凝土用喷射机喷向岩石或结构 分干式和湿式两种,目前设计多采用湿喷方式。干喷 物表面,从而使岩石或结构物得到加强和保护。喷 与湿喷喷射系统见图1。湿喷就施工工艺控制、环 射混凝土密实性及整体性控制与普通浇注混凝土的 保、喷射混凝土强度及耐久性等方面均优于干喷。 振捣密实原理不同,喷射混凝土通过高速射流密实, 1.3.1 混凝土强度及耐久性 其密实度与射流过程密切相关。喷射混凝土,施工 喷射混凝土强度在一定范围内离散分布,据欧 简便,省去支模、浇筑和拆模工序,施工进度加快,且 洲规范(EFNARC)7.3表述:“对于干喷工艺难于预 较普通混凝土密实度高,强度和抗渗性能好。 设水灰比,实际水灰比一般在0.35~0.5的范围内 波动。经估算,相应强度波动可达15 MPa以上。” 收稿日期:2010一Ol一29 作者简介:王清江(1973一),男,高级工程师,主娄从事土木工程 而湿喷工艺能够对水灰比进行准确控制,因此强度 施工技术与管理工作wqj200611@126.corn 变异系数小,喷层结构可靠性高。就目前施工工艺 水平,干喷砼强度仅能达到C20,而湿喷混凝土强度 国防交通工程与技术-囵2010第3期 ・成果与应用・ 隧道湿喷混凝土施工技术 王清江 (a)干式 ,一= -: 喷射面 喷射面 (b)湿式 图1 于喷与湿喷喷射系统 目前可达到C50[1]。密实性是耐久性和抗渗性的关 图2湿喷混凝土施工流程图 键,高耐久性混凝土必须首先具备高密实性。因湿 喷工艺比干喷工艺具有更高的射流速度,混凝土更 加密实,故湿喷工艺比干喷工艺混凝土有更高的耐 久性能。湿喷具有更高的强度及耐久性的原因主要 体现在以下几方面: (1)水灰比控制好。湿喷混凝土用水量通过设 水泥:采用普硅425水泥,水泥各项性能指标应 符合现行国家标准。 细骨料:选用质地坚硬、级配良好的中砂,细度 模数为2.5~3.0之间,含泥量不超过3 。其它技 术指标应符合《普通混凝土用砂质量标准及检验方 法》(JGJ52)的规定。 备(搅拌机)自动计量,水灰比处于完全可控状态;干 喷混凝土用水量由喷射手通过人工控制阀门控制, 使得水灰比处于不可控或粗约控制状态。 (2)速凝剂掺加量控制准确。湿喷通过计量泵 对掺加比例进行准确控制,并在喷嘴处通过高速射 流均匀混合;干喷基本是由人工凭经验在上料处通 过抛撒控制,计量不准同时混合不匀_2]。 1.3.2 粉尘控制 干喷:水泥以游离态颗粒形式存在,在搅拌、运 粗骨料:选用质地坚硬、级配良好的碎石(或卵 石),粒级范围5~16 mm连续级配,最大颗粒粒径 不大于16 mm,含泥量不大于1%。其它技术指标 应符合《普通混凝土用碎石(或卵石)质量标准及检 验方法》(JGJ53)的规定。 速凝剂:液体聚羧酸速凝剂。速凝剂的合格标 准是:按标准掺量时与水泥浆的凝结时间为,初凝小于 5 min,终凝小于10 min;混凝土抗压强度比≥O.75 。 2.3 喷射混凝土配合比设计 输、上料以及机旁(结合面、余气口)、喷嘴处产生大 量粉尘。 喷射混凝土搅拌配合比和附着在围岩表面的配 合比是不一样的,前者为喷射配合比,后者为附着配 合比。据统计,二者相差约为17 ~20 。故在配 湿喷:水泥在塑性混凝土中以浆体形式存在,整 个工艺过程中除喷嘴处在水雾中有少量水泥颗粒 外,基本无粉尘。 合比设计时,应适当提高喷射混凝土强度等级,以确 保附着在围岩表面的喷射混凝土强度。 喷射混凝土试配强度由下式计算: 2 湿喷混凝土施工技术 = 2.1 工艺流程 昔 湿喷混凝土施工工艺流程见图2。 2.2 原材料 ] 式中, .。为混凝土试配强度(MPa); .x为混凝 土强度标准值(MPa); 为混凝土强度标准差,混凝 国防交通工程与技术一20l0第3期 ・成果与应用・ 隧道湿喷混凝土施工技术 王清江 土等级≤C25取4,≥C30取5;K 为掺速凝剂混凝 时,应先将凹洼处喷平。 土对后期强度损失率,一般为15 ~25 。 (4)最佳喷射距离与角度:喷嘴口至受喷面以 在配合比设计时,为了改善喷射混凝土的质量, 0.6~1.5 m为宜(与混凝土拌合坍落度及喷射风压 可掺加磨细粉煤灰、Ⅱ级灰,掺量为胶材总量的 大小有关)。喷射料束以垂直受喷面为最佳o[sJ 2O ~25 。掺人磨细粉煤灰后喷混凝土质量在以 (5)喷射料束运动轨迹:环形旋转水平移动并一 下几方面得到改善: 圈压半圈,环形旋转直径约为30 cm。喷射第2行 (1)粉煤灰可顶替部分水泥用量,且混凝土强度 时,依顺序由第1行起点上方开始,行间搭接约为5 还能持续增长,符合耐久性混凝土的要求。 ~10 cm。 (2)掺粉煤灰喷射混凝土和易性好,喷射时回弹 (6)喷射料束旋转速度及一次喷射厚度:以1~ 少。 1.5 S左右转动一圈为宜,一次喷射厚度以不坠落时 (3)掺粉煤灰后,由于粉煤灰吸收了水泥及速凝 的临界状态或达到所需厚度时,才向前方移动。 剂中部分的碱,改善了混凝土中含过多的碱而影响 (7)喷射厚度控制采用标桩法,标桩采用O2 rnnl 混凝土的后期强度,削弱了碱骨料反应的可能。 铁丝,外露长度为喷层设计厚度。每平米设置2根。 2.4 主要施工工艺 2.4.4 特殊地段喷射施工工艺 2.4.1 混凝土拌合及运输 (1)拱顶光滑岩面喷射,正式喷射前先在光滑岩 (1)混凝土拌合采用自动计量搅拌站拌合混凝 面扫喷一层厚约2 cm的1:2~2.5的水泥砂浆,适 土,混凝土配料误差:水泥、外加剂及水≯1 ,砂、石 当加大速凝剂掺量,使之喷出后2~3 min内达到终 ≯3%,每盘拌合时间应不少于6O s[4]。 凝,待10 min后按正常操作步骤进行喷射。 (2)混凝土的运输,采用混凝土搅拌运输车运输。 (2)渗、滴水部位喷射,在有渗、滴水围岩表面喷 2.4.2 湿喷机操作 射混凝土时,其喷射混凝土的凝结时间应随着喷射 (1)启动喷射机时,应先送风,后加料,待混凝土 面渗水量的大小进行调整,混凝土的初凝时间与渗 从喷嘴喷出后再供给速凝剂。操作时应特别注意控 水量关系见表1。 制好风压。风压过大,骨料碰到围岩后会大量回弹。 表1 混凝土初凝时间与渗水量对应关系表 风压过小,会造成堵塞。实际操作中,应以混凝土回 渗水量(L/rrifn・mz) 混凝土初凝时间 弹量小、易与围岩面粘着、表面有光泽为度控制风 4 2~3 min 压,一般控制在0.22~O.3MPa[ 。 8 1~2 min (2)停止喷射时,应先关闭速凝剂计量泵,之后 12 <1 min 停止加料,待喷嘴残留的混凝土及速凝剂完全吹净 16 20~30 S 后,再停风、停机。 20 钻眼排水后才能进行喷射混凝土作业 2.4.3 喷射施工工艺 (3)土砂质层喷射,喷射作业前按梅花形每隔 (1)喷射混凝土作业前,应做好以下准备工作: 50 cm设置一根固定桩,桩采用长约50 c m、O10~ ①检查开挖断面净空尺寸,清除危石和进行欠挖处 12 cm的钢筋,用锤打入土层,外露同混凝土喷厚。 理,用高压水或风清洗围岩面。②设置控制喷射混 喷射混凝土时,第一遍初喷厚2 cm,应适当加大风 凝土厚度的标志。检查机具设备和风、水、电等管线 压,使粗骨料嵌入土层,待初喷层混凝土终凝后,沿 路,并试运转。 固定桩旋转喷射直至够厚度。 (2)喷射上料应连续,保持机筒内料满,在料斗 2.4.5 喷射砼养生 口上设一 16 mm孔径筛网,避免超径骨料进入喷 喷射混凝土层一般较薄,外表面系数大,当空气 射机内。 中水分不足时,极易发生早期干缩裂纹,所以要加强 (3)喷射顺序:隧道内喷射顺序采用先墙后拱, 养生。在终凝1~2 h内喷水(土质地段的受喷面应 自下而上,分段、分片进行,按纵向3~4 m为一段, 喷雾)并经常保持潮湿状态,养生时间应不少于14 d。 分片宽约2 m,每片均自下部起水平方向旋转移动 2.4.6 喷射砼施工质量控制 往返一次喷射,然后向上移行。当岩面有较大凹洼 (1)混凝土粘聚度控制:是喷射混凝土关键技术 国防交通工程与技术_2010第3期 ・成果与应用・ 隧道湿喷混凝土施工技术 王清江 是4 000 ̄5 000元/t;而干喷采用的是粉状速凝剂, 其国内售价是1 000元/t左右。每m。喷射混凝土 之一,由于喷射混凝土的特殊性,对刚喷上去混凝土 的附加要求,主要是掌握好稠度临界点,其目的是喷 射混凝土能粘在岩面、不形成夹层、回弹少、不流淌, 这就要求混凝土与岩面要有足够的粘接力和合适的 凝结时间。这个粘结力和凝结时问称之为“稠度临 需要速凝剂(包括损耗量)25 kg,则喷射混凝土每 m。速凝剂成本:液体剂为4 000×0.025=100元,粉 状剂为1 000×0.025—25元,相差75元/m。。单 界点”,也是“危险滑落点”,超出这个范围,回弹量加 剧或喷层成片滑落。喷射混凝土要求凝结时间与喷 射混凝土的厚度有关,其关系见表2。 表2 混凝土凝固时间、喷射厚度与滑落临界关系表 从数字比较使用粉状速凝剂的成本仅相当于液体速 凝剂成本的四分之一。贵广铁路隧道不同围岩级别 干、湿喷混凝土成本见表3。 表3 贵广铁路隧道不同围岩每延米干湿喷混凝土成本差分析 从成本比较上看,湿喷施工要发展推广,就必须 解决降低液态速凝剂成本的问题。 (2)渗水地段喷射混凝土时,混凝土凝固变慢, (2)施工班组建设:高度重视班组建设是搞好湿 喷施工的关键环节之一 要搞好湿喷,就必须改变 易造成喷层滑落、流淌等问题。渗水地段喷射混凝 土时,拟多增加速凝剂用量、调节混凝土快凝来解决 传统的干喷粗放管理模式,建立与湿喷工艺相适应 的施工组织和作业模式。配备专业人员,培训后持 证上岗,并保持人员的相对稳定,加强班组建设。 问题。由于湿喷混凝土本身就稀(坍落度12~16 cm),与岩面的渗水混在一起就更稀,加上液体速凝 剂也是水剂,掺少了不起作用,掺多则是更稀,流淌 更严重,致使喷射混凝土粘不到岩面上,无法施喷。 这主要是因为:喷射混凝土的凝结时间与水灰比的 2.4.7 喷射砼施工注意事项L3 (1)冬季运输、保存和使用液体速凝剂应有保温 措施,负温下成品易凝聚或冻结,但采用80"C水浴 即可溶解,恢复原状,质量不变。 (2)喷射前应仔细检查危石并进行处理,喷射机 应布置在安全地带,并尽量靠近喷射部位,便于掌机 人员与喷射手联系,随时调整工作风压L6]。 关系成反比,加大速凝剂剂量会使混凝土W/C变 大,混凝土凝固变慢[7]。 (3)液体速凝剂运输储存不便。液体速凝剂受 环境气温影响严重,环境气温较低时,液体速凝剂变 稠,甚至冻结,运到工地需要在暖室内融解一个星期 才能使用,运输、保存都需要暖棚保温,施工不便。 (3)经常检查喷射机出料弯头、输料管路接头, 发现问题要及时处理。 (4)喷射混凝土时,最佳工作风压是0.22~O.30 MPa,喷射距离是0.6~1.5 m。如混凝土在管道中 4 结束语 湿喷以其“高效率、高性能、机械化、绿色环保” 的优点势必成为隧道喷射混凝土施工的主流。随着 我国隧道工程建设技术的发展,湿喷技术也必将得 到长足应用和发展,人们也将进一步加强对喷射混 风送阻力大或因个别处需要远距离喷射时,允许风 压使用到0.35 MPa,但不得超过0.4 MPa,避免造 成安全隐患。 3 湿喷存在问题及原因分析 (1)湿喷成本较高,推广困难。我国湿喷技术发 展已3O多a,但目前湿喷采用率还不到2O 。湿喷 凝土支护原理及作用的认识。目前,湿喷混凝土自身 存在的问题在一定程度上制约了湿喷技术的发展和 应用,这是摆在工程界面前应努力解决的问题之一。 参考文献 [1]铁道部工程设计鉴定中心.中国高速铁路隧道国际技术 推广进程缓慢究其原因主要是湿喷成本较高。干喷 与湿喷混凝土配合比区别主要是速凝剂品种和掺量 不同,湿喷采用液体聚羧酸速凝剂,其国内售价目前 交流会论文集IM].北京:中国铁道出版社,2006:卜9 [2]中华人民共和国铁道部.2005铁路混凝土结构耐久性设 国防交通工程与技术_2010第3期 ・成果与应用・ 隧道湿喷混凝土施工技术 王清江 计暂行规定EM].北京:中国铁道出版社,2005 计,2003(7):64—65 [3]汪伏祥.秦岭终南山隧道湿式喷射混凝土技术简介[J]. [6]铁道部经济规划研究院.2005铁路混凝土工程施工技术 煤矿现代化,2008(2):85—86 指南[M].北京:中国铁道出版社,2005 [4]中华人民共和国铁道部.2001铁路混凝土与砌体工程施 [732007铁路隧道钻爆法施工工序及作业指南EM].北京: 工规范[M].北京:中国铁道出版社,2001 中国铁道出版社,2007 [5]农升河.湿喷混凝土的工艺研究及应用[J].铁道标准设 Construction Techniques for Wet--Shotcreting in Tunnels Wang QingJiang (The Gui—Guang Railway Headquarters of the 18th Bureau Group of the Railway Building Corporation of China,Con ̄iang 557400,China) Abstract:The development of the techniques for shotcreting in tunnels is far behind the development of the tunneling construc- tion techniques in China.Therefore,the construction of shotcreting is the weak link of the tunnel construction.The principles and functions of supporting and maintaining during the construction of shotcreting,the merits and demerits of dry-shotcreting and we卜shotcreting,the construction techniques for wet—shotcreting,quality-controlling measures and points for attention in construction are detailed in the paper,with the existing problems,such as the high cost of the wet—shotcreting construction,the likely sliding of the shotcreted layer,and the inconvenience in transporting and storing the liquid fast-hardening agent explored and analyzed.It may serve as a useful reference for other similar projects. Key words:tunnel;wet.shotcreting;fast-hardening agent;supporting and maintaining (上接第39页)Li Youwei (4th Engineering Co.Ltd.of the 12th Bureau Group of the Railway Building Corporation of China,Xi'an 710000,China) Abstract:The accuracy of the measurement of the cable tension and hanger rods of long—spanned basket arch bridges is closely related to the correct evaluation of the condition of bridges.Several currently used measurement methods for monitoring cable tension are briefly introduced and analyzed in the paper,with greater stress placed on the presentation and analysis of the prin- ciples and the test methods of the frequency measuring method adopted for our present bridge,upon the basis of which the most influential factor of measurement accuracy,namely,the length of the cable,is modified so as to ensure the accuracy of the measurement.It may serve as a very valuable reference for bridge construction and monitoring in the future. Key words:hanger rod;cable force;frequency;testing (上接第62页)隧道要考虑整体下沉因素。如果仰拱 [1]关宝树,杨其新.隧道力学概论[M].成都:西南交通大学 封闭后仍存在拱顶下沉量超限,就说明有整体沉降。 出版社,1993 施工时应采取加固隧底基础等措施来防止整体下沉。 [2]关宝树,隧道工程施工要点集[M].成都:人民交通出版 参考文献 社,2003 The Monitoring of the Integral Settlement of the Tunnel in teh Coal Stratum Fang Xichen (Sanming Expressway Co.Ltd.of Fujian Province,Sanming 365000,China) Abstract:With practical projects as examples,the integral settlement of the tunnel in the coal strata is studied and analyzed in the paper.To be more specific,some points for observation are located at both the top of and the bottom of the arch of the tun— nel,and the settling extents of the two are compared.It is then found out whether the settlement at those two places is in step, according the result of the observation of which whether there is integral settlement in the tunnel can thus be determined,the correctness of the survey results of which is already verified by the subsequent construction and survey practice.It may serve as a new survey and monitoring method for the construction of tunnels in coal strata. Key words:coal strata;tunnel;integral settlement;monitoring 国防交通工程与技术 囫 2010第3期 

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