隧道工程混凝土喷射施工技术及质量控制

隧道工程混凝土喷射施工技术及质量控制

杨帅 周坤 杨绍文

中铁十二局集团第二工程有限公司 030024

摘要：随着科学技术的发展，大量的新材料、新工艺、新设备、新技术不断应用于工程中，同时，隧道施工技术也在超长、大跨度、防水、穿过不良地层等方面取得了长足的进步，涌现出了大量的科技成果。锚喷构筑法在技术上有采用速度较快，支护及时、支护质量较好、强度高、密实度好、防水性能较好等诸多优势。因此，被广泛应用在隧道工程建设中。 本文立足于此，针对隧道工程混凝土喷射施工技术展开相应分析，探讨改技术的质量管控措施。

关键词：隧道工程；混凝土；喷射；施工

前言：喷射混凝土技术在隧道工程中应用较为广泛，它主要是使用混凝土喷射机，将掺有速凝剂的混凝土按照一定的混合比例和程序进行拌和，然后经过高压喷嘴喷射到隧道围岩表面，使混凝土快速固结形成一种高密度、高强度的支护结构。

1 工程总概况

滇中引水工程受水区包括丽江、大理、楚雄、昆明、玉溪及红河的35个县（市、区），总面积3.69万km2；工程多年平均引水量34.03亿m3，属大型水利工程。工程由石鼓水源及输水总干渠组成。水源工程为石鼓大同取水、一级泵站提水，由引水渠（兼沉沙池）、进水塔、进水隧洞及涵管、地下泵站、出水隧洞、出水池和地面开关站等建筑物组成；石鼓泵站设计流量为135m3/s，扬程范围为208.6m～226.3m，设计扬程为225.8m，装机12台，总装机容量508MW，泵站出水池水位2035m。输水总干渠跨滇西北、滇中及滇东南地区，从丽江市玉龙县石鼓镇开始，终点为红河州蒙自。总干渠全长664.236km，设计流量135m3/s～20m3/s，共划分为大理Ⅰ段、大理Ⅱ段、楚雄段、昆明段、玉溪段和红河段6段。输水总干渠包括输水、消能建筑物共118座，其中隧洞58座、长611.986公里，渡槽17座、长3.7公里，倒虹吸25座、长42.595公里，暗涵15座、长4.891公里，渠道消能建筑物3座（含2座电站）、长1.064公里；控制建筑物127座，其中分水口28座（其中11座兼退水），节制闸18座，退水闸23座，工作闸28座，事故闸24座，检修闸6座。

1.1 本标段概况

本次招标范围为楚雄段万家隧洞至凤屯隧洞（桩号CX16+257～CX35+024.685）段施工，总干渠全长18.768km，其中：

1.1.1输水建筑物为：

① 万家隧洞出口段：长1.965km，设计流量120m3/s，渠底纵坡1/5000，马蹄形隧洞净断面尺寸8.86m×9.58m；② 万家暗涵：长0.111km，设计流量115m3/s，渠底纵坡1/5000，马蹄形，净断面尺寸8.72m×9.43m；③ 柳家村隧洞：长12.526km，设计流量115m3/s，渠底纵坡1/5000，马蹄形，净断面尺寸8.72m×9.43m；④ 柳家村渡槽：长0.246km，设计流量115m3/s，渠底纵坡1/5000，矩形，净断面尺寸2-6.05m×6.2m；⑤ 凤屯隧洞进口段：长3.92km，设计流量115m3/s，渠底纵坡1/5000，马蹄形，净断面尺寸8.72m×9.43m。

1.1.2施工支洞为：

① 柳家村隧洞1#施工支洞：长894m，平支洞底坡10.38%；

② 柳家村隧洞2#施工支洞：长706m，斜井支洞倾角22°；

③ 柳家村隧洞3#施工支洞：长559m，斜井支洞倾角23°；

以上三个施工支洞的平洞支洞断面采用城门洞型，断面尺寸为7.5m×6.0m（宽×高）；斜井支洞断面采用城门洞型，断面尺寸为6.5m×5.5m（宽×高）。

1.1.3主要控制建筑物主要为：

万家分水阀、万家暗涵进口节制闸、柳家村退水渠、柳家村渡槽进口事故闸、柳家村渡槽出口事故闸、柳家村分水闸等控制建筑物。

1.2水文地质条件

⑴ 万家隧洞

隧洞地下水位埋深主要在50m～150m之间。完整或较完整的泥质岩透水率一般在1Lu～3Lu，砂岩透水率一般在1Lu～6Lu，砂岩地层岩体透水性较泥质岩强，断层及影响带中等透水为主。压水试验P-Q曲线以A型（层流型）为主，局部有C型（扩张型）和D型（冲蚀型），C型、D型分布于断层构造部位。地下水水化学类型以HCO₃-Ca型为主，其次为HCO₃-SO₄-Ca、HCO₃-SO₄-Ca-Mg型。

⑵ 柳家村隧洞

隧洞进口至三箐神山属金沙江流域的渔泡江水系，后段属金沙江流域的龙川江水系。地下水类型主要为基岩裂隙水，局部有承压水。隧洞前段（黄泥沟背斜之前）地下水位埋深一般在20m～90m之间，后段一般在20m～60m。砂岩地层岩体透水性较泥质岩类强，较完整的泥质岩一般属微透水～弱透水，较完整的砂岩一般属弱透水～中等透水，断层带部位一般具有中等～强透水性。地下水水化学类型以HCO

₃-Ca-Mg型为主，其次为HCO₃-SO₄-Ca-Mg、HCO₃-Ca、SO₄-HCO₃-K+Na、HCO₃–Ca-K+Na型，但夹膏岩地层洞段地下水对混凝土可能存在硫酸盐型腐蚀。

① 柳家村隧洞1#施工支洞

地下水类型以基岩裂隙水为主，地下水位一般埋深40m～60m。围岩透水性以弱透水为主，断层带及影响带部位具有中等透水性。地下水化学类型为HCO₃-SO₄-Ca型，该段地层中含石膏，环境水对混凝土具有硫酸盐型强腐蚀，对钢筋混凝土中的钢筋弱腐蚀，对钢结构具有中等腐蚀，采取相应的防腐蚀措施。

② 柳家村隧洞2#施工支洞

地下水类型以基岩裂隙水为主，进口段10m位于地下水位以上，其他洞身段均在地下水位以下。隧洞围岩以弱透水为主，在断层带及其影响带部位为中等透水～强透水性。

③ 柳家村隧洞3#施工支洞

地下水类型主要为基岩裂隙水，地下水位埋深随山势变化，多在30m～70m间。支洞前段围岩透水率较大，属弱透水～中等透水，后段透水率较小，弱透水为主，在断层带及其影响带部位为中等透水。地下水化学类型为HCO₃-SO₄-Ca型，环境水对混凝土、钢筋混凝土中的钢筋均无腐蚀性，环境水对钢结构具有弱腐蚀性。

⑶ 凤屯隧洞前段

隧洞沿线除牛鼻子河较大外，其他规模较小的箐沟。地下水类型主要为基岩裂隙水，局部有断层脉状水、承压水。隧洞沿线地下水位埋深在5m～120m之间，地下水位随季节变化，一般在8m～11m之间。断层部位局部透水率＞100Lu，砂岩地层岩体透水性较泥质岩类强，透水率较大（q≥10Lu）的孔段均位于断层带及影响带部位，完整或较完整的泥质岩一般属弱透水～微透水，完整或较完整砂岩一般属中等透水～弱透水。地下水化学类型为SO₄-K+Na-Ca型与HCO₃-SO₄-Ca-Mg型。地下水对混凝土具有重碳酸型中等腐蚀、对钢筋混凝土中的钢筋具有无腐蚀、对钢结构具有弱腐蚀。

⑷ 万家暗涵

地下水位接近地表，河床冲洪积层及第三系地层具中等透水性。地下水SO₄^2-含量为500mg/L，对混凝土具硫酸盐型强腐蚀，对钢结构具有中等腐蚀性。

⑸ 柳家村渡槽

地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系孔隙潜水，两岸地下水位均高于河水位，地下水位埋深30m～50m，河床地下水位接近地表。双殿河为工程区内的最低排泄基准面，地下水补给河水。河床冲洪积层渗透系数在5.23×10^-3cm/s～6.74×10^-2cm/s，具中等透水性。河水和钻孔中各采取了1组水样进行了水质分析，水化学类型为HCO₃-Ca和HCO₃-SO₄-Ca，环境水对混凝土和对钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

⑹ 退水建筑物

地下水类型主要为基岩裂隙水和第四系孔隙潜水，两岸地下水位均高于河水位，地下水位埋深30m～50m，河床地下水位接近地表。根据钻孔注水试验成果，河床冲洪积层渗透系数在5.23×10^-3cm/s～6.74×10^-2cm/s，具中等透水性。河水和钻孔中各采取了1组水样进行了水质分析，水化学类型为HCO₃-Ca和HCO₃-SO₄-Ca，环境水对混凝土和钢筋混凝土中的钢筋无腐蚀性，对钢结构具弱腐蚀性。

2 质量标准及技术要求

（1）喷射混凝土原材料（水泥、矿物掺合料、细骨料、粗骨料、外加剂、水等）应满足《通用硅酸盐水泥》（GB175-2007）、《混凝土外加剂》（GB8076）、《混凝土拌和用水》（JGJ63-2006）等现行国家规范的相关要求。

（2）水泥采用P.O 42.5普通硅酸盐水泥。

（3）细骨料应采用坚硬耐久的粗、中砂，细度模数宜大于2.5；粗骨料应采用耐久的卵石或碎石，粒径不应大于15mm；喷射混凝土中不得使用含有活性二氧化硅的骨料。

（4）速凝剂的初凝时间不应大于5min，终凝时间不应大于10min。

（5）水泥和速凝剂的称量允许偏差为±2%，砂、石称量允许偏差为±3%。

（6）喷射混凝土均应采用湿喷法，钢筋网由人工安装，喷射混凝土标号应不低于C20。

（7）钢筋网采用Φ6mm光圆钢筋制作，钢筋网格间距应符合相关设计要求，钢筋网应同锚杆连接牢固，相邻钢筋网应搭接，搭接时纵横钢筋网应对应，搭接长度不应小于200mm。

（8）喷射混凝土作业应分段分片依次进行，喷射顺序自下而上，一次喷射厚度按照《喷射混凝土工艺性试验》确定的厚度进行。分层喷射时，后一层在前一层混凝土终凝后进行，若终凝超过1h后再行喷射，应先用高压水清洗喷层面；喷射作业应紧跟开挖工作面，混凝土终凝至下一循环放炮时间不应小于3h。

（9）喷射机作业应严格执行喷射机的操作规程：连续向喷射机供料；保持

3 隧道工程混凝土喷射施工技术

3.1干式喷射混凝土的施工工艺

干材料在搅拌站混合以后，使用压缩空气输送到高压喷嘴处，在喷嘴处与水、液态原外加剂和速凝剂混合，然后通过高压将混合物喷射出来，通常喷射的压力在0.6〜0.7MPa。干喷的施工方法较为方便且流程简单，所需要的机械设备也比较少，只需要一台拌和机和干喷机。干喷施工的输送距离比较长，施工布置比较灵活，通常输送的距离可达到300m， 垂直距离也可以达到180m远。通常可以提前在喷射机中加入速凝剂，然后将其搅拌均匀。干喷混凝土的施工方法工作环境较差，粉尘的回弹量较大，而且在喷射过程中，有脉冲现象所以喷料的均匀性比较差。拌和用的水在喷头处才能与干粉结合，所以它的水灰比准确性在控制上较难， 操作人员的施工经验、技术水平和临场应变能力对喷射质量有着较强的影响，所以施工质量的控制受人为因素影响较大，设计配合比也会受到回弹因素的影响，使实际的混凝土配合比存在一定差距。

3.2湿式喷射混凝土的施工工艺

湿式混凝土喷射施工中，除了速凝剂以外，所有的原材料都在拌和站进行拌合均匀，然后再通过混凝土泵送到喷嘴处，在喷嘴位置与速凝剂混合后一起喷射出来，喷射的空气压力在0.6〜0.7MPa。湿喷的混凝土喷射施工，对混合料的配合比控制较为容易，拌和也较为均匀，对水泥的水化非常有利，所以施工后的混凝土强度也较高。粉尘的回弹量较少，对施工环境没有影响。但是湿喷机的设备较为复杂，加入速凝剂也比较困难。能够实现的混合料输送距离和输送高度较小，对施工现场的工作面要求也较高，混合料在喷射过程中不能出现停机等现象，且喷射后也需要及时对设备进行清洗。

4 喷射混凝土施工重点环节的质量控制

4.1风压的控制

施工时喷射混凝土的输料管长度应该控制在规定范围以内，喷嘴与出料口的高差要控制在5m以内。

4.2喷射角度的控制

在受喷面较为平整时，喷嘴尽量与喷面垂直，如果受喷面比较不平，应该尽量与受喷面保持垂直的喷射角度。如果喷射混凝土的角度不垂直，会影响混凝土的密度,并加大回弹量，造成过多的浪费。

4.3喷射距离

为了保证混合料的充分拌和，可以在喷头上接出一段塑料管，也可以保护操作人员不被回弹料伤到。

4.4喷射方法

为降低喷射后的混凝土发生下滑和脱落问题，喷射工作可采取分段、分块或者分部进行的方式。

4.5喷射的厚度控制

喷射混凝土的厚度要严格按照设计的温度进行，可以将钢筋头焊接在钢拱架或者其它支护架上，来作为喷射混凝土厚度的标志物。在局部喷射部位，如果有混凝土过厚的问题，应该在挂防水板之前将混凝土剔除，以避免对防水板造成破坏。

参考文献：

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