C30高强喷射混凝土的研究及应用

C30高强喷射混凝土的研究及应用

冯健

(中铁隧道局科研所洛阳 471009)

摘要在内昆线曾家坪一号隧道施工中,初期支护采用了C30高强喷射混凝土。本文介绍了C30高强喷射混凝土配合比研究及试配过程,以及施工中的应用情况,并对高强喷射混凝土技术产生的综合效益和应用前景作了分析。

主题词高强喷射混凝土配合比施工工艺

1 前言

在隧道及地下工程施工过程中,锚喷支护的及时与稳固对施工的安全与进度起到了举足轻重的作用,在地质条件差、受力条件复杂的不利情况下,高强度、高质量的支护更具有关键的意义。随着隧道施工条件的不断恶化,对高强度锚喷支护的研究越来越具有实际意义。

长期以来,在我国隧道及地下工程施工领域里,C20级喷射混凝土一直在临时或初期支护中占据主导地位,而高强喷射混凝土的应用则比较少。高强喷射混凝土在我国的推广应用相对较慢,主要是受到了以下因素的制约：1.1速凝剂的性能还有待改进,尤其是后期强度损失率还比较大;

1.2有利于混凝土强度提高的湿喷方式,设备配套尚未完善,工艺也较复杂,特别是液体速凝剂混合不够均匀,对混凝土强度有一定的影响。加之液体速凝剂价格较昂贵,因此湿喷的应用受到一定局限;

1.3增强材料的应用受到限制。如硅粉的加入可明显提高混凝土强度,但货源紧缺,价格较贵;

1.4喷射工艺需进一步完善;

1.5设计方面,喷射混凝土强度等级一直是以C20级为主,较少采用C30级以上的高强喷射混凝土。

随着近年来铁路建设选线从有利于施工向有利于运营的转变,地形、地质条件恶劣的隧道及大跨隧道呈明显增多的趋势,在这种情况下,隧道开挖阶段结构受力条件比以往任何时候都更加复杂,对初期支护的强度和安全性提出了更高的要求。因此,高强喷射混凝土日益受到重视,目前正处于研究开发向施工应用的过渡阶段,今后将会在材料、机具及施工工艺等方面继续加强研究和改进,力图实现喷射混凝土施工技术的新突破。在不掺增强材料和采用潮喷工艺的情况下,我局以前在小浪底工程4#公路大哑口隧道中已成功地进行过C30喷射混凝土施工,取得了较好的效果,证明采用常规材料配制C30级喷射混凝土并付诸施工是可行的。此次我局在内昆线施工,遇到多座大跨车站隧道,对初期支护提出了严峻的挑战。为此我们进行了C30高强喷射混凝土施工技术的专题研究,就原材料配置、理论配合比选定、喷射施工工艺配套等进行了大量的试验与研究,并在内昆线曾家坪一号隧道施工中付诸应用。

2 工程概况

由隧道局二处施工的内昆线曾家坪一号隧道全长2563米,是整个内昆铁路的重点工程。受地形限制,曾家坪车站伸入该隧道内,故隧道进口端253m设计成三线大跨车站隧道,其开挖跨度达20.68米,高13.83米,断面高跨比仅为0.67,形状过于扁平,结构受力条件十分不利。该隧道通过地段地质条件复杂,有砂粘土、块石土、泥质灰岩、泥岩、砂岩并有断层破碎带。隧道总涌水量为15628m3/d,其中

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进口端里程DK291+187～291+350为1280 m3/d。三线段范围内主要为Ⅴ级和Ⅳ级围岩,其中洞口段50米位于岩堆体中,埋深仅8～17米,为超浅埋隧道。因跨度大、地质差,经反复研究、比选开挖方案,决定进口三线段隧道采用双侧壁导坑法施工。为保证初期支护的安全可靠,经结构受力计算分析,设计要求喷射混凝土的强度等级采用C30级。因施工中采用常规的潮喷工艺,且不采用任何增强材料,因此在施工过程中如何通过各方面控制,完成C30喷射混凝土的配制,并通过完善的施工工艺,稳定地保证C30喷射混凝土的强度指标,是该隧道施工中必须解决的一大技术难题。

3 理论配合比研究

我国在喷射混凝土的配合比方面研究资料较少,施工前一般参考《锚杆喷射混凝土支护技术规范》中给出的主要设计参数（水灰比、砂率、胶骨比等）,通过试配来确定。一般来讲,配制高强喷射混凝土通常要掺入硅粉或钢纤维等增强材料,以利于提高混凝土强度。根据有关研究资料,细骨料的粒度、单位水泥用量、速凝剂掺量、砂率等对喷射混凝土强度有较大影响。其中,砂子粒度越大（即越粗）,混凝土强度越高,这是因为混合料与水在喷射前会合的时间极短,砂子较粗时有较好的浸润效果;水泥用量要适宜,过大时强度反而下降（一般不宜超过550kg/m3）;速凝剂掺量过大时,混凝土后期强度明显下降。我国大瑶山隧道施工的经验还表明,当回弹率控制得较小时,混凝土强度值一般也较高。

就施工现场而言,喷射混凝土强度值波动一般都比较大,尤其是采用干喷或潮喷方式。这实际上与许多因素有关,除原材料质量及配合比因素外,还与机具设备、施工工艺、操作人员的熟练程度及水平以及环境条件等许多因素有直接的关系。因此,要提高喷射混凝土强度、稳定控制喷射混凝土质量,必须综合解决上述问题。

3.1 现场调查

曾家坪一号隧道采用潮喷法进行喷射混凝土施工。使用的材料,水泥为525普通硅酸盐水泥,骨料为机制砂（不再掺入粗骨料）,掺粉状速凝剂。不掺增强材料。存在的问题主要有：

a)现场水泥品牌较杂,不利于施工中的质量控制;

b)骨料的级配不佳;

c)喷射工艺不完善;

d)喷射机组的配置不完整,无速凝剂添加装置,采用人工添加,掺入量不准确,拌合不均匀等。

从上述情况来看,结合本工程进行C30喷射混凝土配合比设计选定,主要面临以下不利条件：

a)强度等级高,要求试配强度高。因潮喷混凝土的用水量主要由喷射手凭经验掌握,具有很大的随意性,因此喷射混凝土的强度必然有较大波动。考虑到目前施工管理水平现状,C30喷射混凝土试验室试配强度宜不低于36～38MPa;

b)不使用增强材料,势必对水泥、骨料、速凝剂等提出更高的质量要求;

c)骨料使用的是机制砂,其坚固性与级配情况均不如河砂。另外,使用机制砂进行喷射混凝土配合比设计,缺乏经验和参考资料。

3.2 原材料的试验及选定

a)水泥：现场使用的525普通硅酸盐水泥主要有川南特种水泥厂的芙蓉山牌、川东水泥厂的华蓥山牌和湖北兴化水泥厂的宝石牌三种牌号。经按规定抽检,质量均符合国标要求。

b)骨料：喷射混凝土所用骨料通常应采用两级配,即由细骨料和最大粒径不超过16mm的粗骨料（俗称米石）构成,其混合后的级配,按《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GBJ

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