喷射混凝土技术

1、喷射混凝土作用机理与性能特征
作用机理： NATM的技术基础
新奥地利隧道修建方法 （简称新奥法）遵循这 样一个原理，即主动地 使隧道围岩（岩土体） 成为环状承载‚结构‛ 的一部分。
软岩隧道 控制变形，防止松散 形成承载环
1、喷射混凝土作用机理与性能特征
围岩主动承载作用的激发（控制变形）
应力重分布 变形 坍塌（变形控制不力） 传统矿山法 NATM 等待坍塌后自稳 控制变形
1、喷射混凝土作用机理与性能特征
项目背景: 对新奥法的应用与理解存在偏差 不重视初期支护 （甚至混淆初期支护与临时支护的概念） 二衬过于强大 造成隧道安全事故多和造价高 在复合衬砌结构体系中 喷射混凝土是初期支护，而不是临时支护 不但要保证施工安全，还要保证运营安全 在隧道设计寿命周期内，都得承受荷载
4、喷射混凝土新技术及其应用
高强喷射混凝土技术
C40～C60 低水胶比、高工作性、无碱速凝剂 原材料控制（级配与含泥量） 配合比优化 外掺料 外加剂
4、喷射混凝土新技术及其应用
高性能喷射混凝土技术
高性能混凝土为一种新型高技术混凝土，是在大幅度提高 普通混凝土性能的基础上采用现代混凝土技术制作的混凝 土，是以耐久性作为设计的主要指标，针对不同用途的要 求，对下列性能有重点的加以保证：耐久性、施工性、适 用性、强度、体积稳定性和经济性。 吴中伟
影响因子 W/C
干喷
湿喷 设备(搅拌站) 准确控制
α dc
人工(喷嘴阀门) 毛细孔 粗约控制 喷嘴加水，混 水泥石微观结构 合时间太短
蜂窝孔
搅拌形成浆体， 水化充分
射流密实特征分析
速凝剂 水泥石微观结构 人工粗约控制
设备准确控制
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
混凝土有三种成型密实方式
振捣密实 自密实 喷射射流密实
初始应力 开挖 支护 一次应力 二次应力 三次应力
稳定 四次应力
1、喷射混凝土作用机理与性能特征
硬岩隧道（节理裂隙） 关键块体稳定 防止危石坍落 镶嵌 咬合
节理裂隙发 育硬岩隧道 喷射混凝土 也需要及时
1、喷射混凝土作用机理与性能特征
隧道工程的本质和关键 —控制变形 控制变形的手段 —初期支护 控制变形的关键—快！！ 初期支护结构体系 --喷射混凝土、锚杆、拱架、钢筋网 喷射混凝土作用 --灵魂与血肉（可以共同也可以单独）
材料抗渗 结构抗渗 裂纹 （收缩裂纹、变形裂纹） 施工缝 基面处理
3、高密实高抗渗喷射混凝土
喷射混凝土高抗渗能力机理初步分析：
在高密实度基础上 喷射过程中裹入气泡以及蜂窝孔 阻断毛细孔通路
3、高密实高抗渗喷射混凝土
高密实和高抗渗的意义
密实性是混凝土强度的基础，更是耐久性的关键 （是必要条件但不是充分条件），大量研究表明:混 凝土的渗透性与其耐久性之间有着密切的联系,因 此通常认为渗透性是评价混凝土耐久性最重要指标
1、喷射混凝土作用机理与性能特征
加强初期支护 加厚喷层、加密钢支撑 --事倍功半 改进喷射混凝土性能 --事半功倍
1、喷射混凝土作用机理与性能特征
喷射混凝土性能
强度指标： 早期强度 黏结强度 基准强度
耐久性能指标： 密实性 抗渗性 电通量 抗冻标号
1、喷射混凝土作用机理与性能特征
喷射混凝土目的 不是砂石料水泥的堆砌 而是必须满足以上性能指标要求 才能实现控制变形的目的 喷射混凝土技术现状 干喷：目前的工艺水平和员工技能 1d强度3～8MPa 28d强度15～25MPa
混凝土性能控制的核心就是:
孔隙率和孔隙结构
密实度是影响混凝土强度和耐久性的关键因素 △fc=500(1-dc)--不密实引起的强度损失 密实度降低1%，强度降低5% 换算为容重：容重降低5Kg，强度降低1% 密实性是混凝土耐久性的先决和必要条件 密实度dc=d/d0 d --喷射试件密度 d0 –充分振捣试件密度
喷射混凝土技术 发展与应用
报告人：罗朝廷 中铁西南科学研究院 2010.8 辽宁本溪
内容提要
1.喷射混凝土作用机理与性能特征 2.喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析 3.高密实高抗渗喷射混凝土 4.喷射混凝土新技术及其应用 5.湿喷技术内涵 6.喷射混凝土施工技术关键要点 核心内容是介绍中铁西南院基于 射流密实机理研究而取得的科研成果 《高密实高抗渗喷射混凝土技术》 以及在此基础上开发的相关技术
4、喷射混凝土新技术及其应用
初期支护结构耐久性
这是一个长期以来受到忽视的问题，既然初期 支护结构是永久承载结构，就应该关注耐久性。 初期支护耐久性的两个特征: 首先，初期支护与围岩体接触，直接受到腐蚀 介质的侵蚀，其环境作用等级高于二衬。 其次，Ⅳ～Ⅵ级围岩初期支护应视为钢筋混凝 土结构，耐久性问题突出。钢筋混凝土结构耐久 性主要受混凝土保护和控制。 铁建设[2005]157号文和GB50476-2008都回避 了喷射混凝土，实际上喷射混凝土可以满足耐久 性指标。
混凝土材料 新技术应用
高密实喷射混凝土
早高强喷射混凝土 高强喷射混凝土 高性能喷射混凝土 低碳环保喷射混凝土
目的
土喷 新射 技混 术凝 支 新 护 功 结 能 构
目标
4、喷射混凝土新技术及其应用
早高强喷射混凝土技术
我院承担的铁道部科研课题 国标 1d强度≥5MPa 铁道部 1d强度≥10MPa 根据喷射混凝土作用机理 在软岩隧道或断层破碎带提高标准 3h强度标准（Ⅵ级围岩） 8h强度标准（Ⅴ级围岩） 1d强度标准
总浆体量满足要求（配合比） 喷嘴料流质量 拌和物工作性 设备性能（实现均匀稀薄流）
浆体充填饱满度 决定密实度
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
喷嘴料流质量 （管道料流形态）
混凝土拌和物工作性
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
关键技术： 大流动性混凝土 保持粘聚性 管道不离析 喷嘴不跌浆
4、喷射混凝土新技术及其应用
实施喷射混凝土新技术 实现初期支护结构新功能
提高初期支护技术标准与结构安全性 优化隧道衬砌结构（减薄喷层或减薄二衬） 早高强喷射混凝土控制变形 （格栅替代型钢、城市及浅埋隧道控制地面沉降） 优化施工方法（三台阶、两台阶） 提高结构耐久性与结构自防水（水压力与冻涨压力） 推广单层衬砌
在有水地段进行喷射混凝土施工，如果不事先 对水进行处理，则水在压力作用下渗过早龄期 喷射混凝土，形成透水通道，那么既不能发挥 喷层的防水能力，又会对喷层造成溶蚀破坏。 如果在喷射前对水进行注浆封堵或集中引排处 理，使喷层在3天以内不受到水压力的作用， 在3天以后对排水点实施封堵，则可以充分发 挥喷射混凝土的高抗渗特性，实现初期支护结 构自防水，既保护混凝土不受溶蚀破坏，钢支 撑和钢筋网不受锈蚀破坏又有利于保护隧道周 边生态环境。
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
密实特征分析 振捣 浆体流动方向为三维 密实 充填饱满 水囊 泌水
1浆体流动方向为一维 骨料和钢筋 射流 2受速凝影响，扩散距离小 背面阴影区 密实 孔隙 3浆体充填与骨料嵌入
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
根据射流密实特征分析 干湿喷射密实性（蜂窝孔）差异
降低各种腐蚀介质如水、CO2、O2、硫酸盐、氯离子在 混凝土中的渗透性和扩散性以及Ca(OH)2的溶出
抗渗性能与抵抗离子扩散能力是有差异的 抗渗能力（体现物理密实） 抗离子扩散能力（体现化学密实）
目前的试验结果是突破性的，需要进一步的 试验研究
4、喷射混凝土新技术及其应用
密实机理研究
优化配合比与工艺参数
4、喷射混凝土新技术及其应用
早期强度影响因素 水胶比、环境温度、外加剂、外掺料
途径：通过高强实现早强，通过外加剂和外掺料 提高早期水化速度，以及共同作用。 环境温度对早期强度指标影响很大（配比变化） 通过外掺料与早强剂的联合作用，早高强喷射 混凝土可以达到以下标准： 3h强度--1～5MPa 8h强度--10～20MPa 1d强度--20～30MPa 早高强喷射混凝土适用于软岩或大变形隧道以控 制围岩变形；城市浅埋隧道控制地面沉降。
4、喷射混凝土新技术及其应用
要实现初期支护结构耐久性 抗渗防水 高性能喷射混凝土（腐蚀环境） 如果钢支撑和钢筋网浸泡在水中 绝无耐久性可言 隧道防排水结构（四道防线）： 围岩裂隙注浆 喷射混凝土（黏结、折减系数） 防水板 二衬（静水压力）
4、喷射混凝土新技术及其应用
喷射混凝土结构自防水功能的开发
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
混凝土孔隙分类 种类 成因 影响因素 尺度 水化产物的 不可见 凝胶孔 内部孔隙
毛细孔 多余水蒸发 含气、引气、 气泡 喷射裹入 水灰比 不可见 不可见
浆体充填 蜂窝孔 不饱满
射流密 实过程
肉眼 可见
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
喷射混凝土混凝土强度影响因子
4、喷射混凝土新技术及其应用
高强与高性能喷射混凝土的特殊性:
由于具有低水胶比和较高水泥用量 新拌混凝土具有很强的粘稠性,管道输送阻力大, 应特别注意新拌混凝土的工作性,提高坍落度指标 否则容易造成蜂窝孔，形成疏松结构 虽然减少了毛细孔,但却增加了蜂窝孔 高强(高性能)喷射混凝土其性能与工作性和喷射密实 工艺过程的关联度更高
青岛海底隧道高性能喷射混凝土技术应用
高效减水剂：聚羧酸盐类，减水率≥30% 超细粉：硅粉、粉煤灰 水胶比：0.4(含速凝剂中含水量) 强度等级：C35 1d强度：≥10MPa（具有更强控制围岩松弛与变形的能力）
实际达到17MP a
抗渗标号：可以达到P40 氯离子扩散系数：≤3×10-12m2/s （0.79～2.34×10-12m2/s) 电通量：≤1500C
干喷
管道水泥呈 粉体形态 （分离） 管道水泥呈 浆体形态 （包裹砂石 料） 充填不易 容重 组分比例 饱满（骨 2200左 不稳定 料背后阴 右 影区）
容重 组分比例 充填容易 2350左 基本稳定 饱满 右
湿喷
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
实现高密实度喷射混凝土的基本条件 根据喷射混凝土射流密实特征，要实现浆体充填饱满
3、高密实高抗渗喷射混凝土
3、高密实高抗渗喷射混凝土
工将 成园 园柱 堆试 试件 件加 抗 渗 试 验
大 板 试 件 取 芯
3、高密实高抗渗喷射混凝土
4MPa水压作用下 的渗水高度
3、高密实高抗渗喷射混凝土
3、高密实高抗渗喷射混凝土
西南院200多组试验数据：抗渗标号达到P40 所有喷射混凝土（0.7水灰比）都可以达到P20以上 并且是3d龄期就可以达到
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
流动性混凝土（材料保证） 管道均匀稀薄流（设备保证）
百度文库
高密实性喷射混凝土
这在喷射混凝土理论和实践上 都具有重要意义
3、高密实高抗渗喷射混凝土
根据射流密实理论指导
开发了高密实高抗渗喷射混凝土技术
直观参数：容重≥2350Kg/m3 实现途径：流动性混凝土+管道均匀稀薄流输送 高抗渗 抗渗标号：P40
1、喷射混凝土作用机理与性能特征
初期支护功能定位： 《隧道围岩稳定性及其控制技术》 核心理念： 初期支护承受全部形变荷载 二衬只是防水结构和安全储备 强化初期支护，二衬标准化简单化
贵广铁路二衬优化设计（Ⅳ级围岩取消钢筋），节约8亿
水平：国际先进 目标：建立中国隧道修建技术体系 由隧道大国变为隧道强国
技术途径： 低水灰比(高效减水剂){第五组分} 矿物添加料{第六组分} 优化射流密实过程以提高密实度 工艺途径： 改善过渡层及界面结构 湿喷 控制裂纹
4、喷射混凝土新技术及其应用
喷射混凝土耐久性基本指标控制 电通量 外掺料作用最为显著（必备组份） 混掺效果最好 可以达到小于800库仑
4、喷射混凝土新技术及其应用
因此:高性能混凝土必须首先具有高工作性
4、喷射混凝土新技术及其应用
低碳喷射混凝土技术
应用射流密实理论，优化配合比和工艺参 数，降低水泥用量，贯彻国家低碳经济理念
C15喷射混凝土，胶凝材料用量250Kg/m3左右 C20喷射混凝土，胶凝材料用量300Kg/m3左右 C25喷射混凝土，胶凝材料用量350Kg/m3左右 C30喷射混凝土，胶凝材料用量450kg/m3以内
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
喷射混凝土强度理论
普通混凝土强度理论—水灰比法则 射流密实理论—射流密实特征研究 速凝理论—速凝对水泥石微观结构影响
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析
混凝土结构 浆体充填砂石料 空隙并将其胶结 为一个整体
多孔材料
2、喷射混凝土强度理论与射流密实特征分析