浅谈 隧道工程混凝土超耗原因及控制措施

蔡挺

中铁六局集团路桥建设有限公司 湖南长沙 410007

摘要：隧道工程施工中混凝土的超耗问题是目前工程施工面临的难题,如何能够有效降低隧道混凝土的超耗量是项目成本管控的重点,也是难点。 为进一步降低隧道工程混凝土超耗，有效控制隧道光面爆破超欠量与预留变形量的问题，本文将超欠挖控制作为工序重点进行管理。针对关键薄弱环节精准发力，制定了隧道开挖质量提升实施方案，细化落实的措施、标准、责任人、考核办法等，改变目前隧道混凝土超耗严重的局面，从多个角度出发，提出具体的止耗措施和方法，为以后隧道工程的施工提供更加有效地借鉴和参考。

关键词：隧道工程；混凝土超耗；光面爆破；超欠挖控制；止耗措施

1、引言

目前大多数隧道工程初支混凝土超耗率大约在80%以上，二次衬砌混凝土超耗在10%以上，因此隧道混凝土超耗是隧道工程施工成本控制的关键和重点。为有效降低施工成本,合理确定隧道初支、二衬混凝土消耗系数,做好施工管控,有效控制混凝土损耗是隧道工程施工管理的重中之重。

2、工程概况

由中铁六局集团路桥建设公司承建的新建赣州至深圳客运专线（GSSG-3标）工程施工范围为DK172+670.44（2标段白土大桥深圳台台尾里程），至本标段终点DK182+143.20（新聚隧道出口），正线长度9.472公里，该区段地处广东省河源市和平县境内。该区段内含有路基12段，共1041.84米；桥梁9座(5座大桥4座中桥)，共1402.81米；隧道7座，共7027.91米；钢筋混凝土框架涵2座（2-4.0m和1-1.5m各一座）。该区段隧道长度7027.91米占该施工区段比例为74.83%。其中隧道初支混凝土为C25喷射混凝土,设计方量12.53万方，衬砌混凝土16.22万方。目前隧道混凝土超耗量主要体现在初支喷射混凝土和衬砌混凝土两个方面，如果初支喷射混凝土和衬砌混凝土超耗量得到控制，将大大降低隧道成本，项目的效益将会得到很大提高。

3、现状

赣深高铁项目所有隧道已全部贯通，初喷混凝土开累超耗数量严重。通过对赣深铁路和兄弟单位隧道混凝土超耗数据进行横向对比，我公司承建的隧道初支混凝土超耗情况偏高，且不稳定。初支混凝土超耗率普遍在80%-220%之间，衬砌混凝土超耗率普遍在10%-20%之间，部分隧道衬砌混凝土超耗率甚至达54.98%，超耗严重，形势不容乐观。

针对这一现状，将混凝土超耗及超欠挖控制作为工序重点进行管理。针对关键薄弱环节进行精准发力，综合施策。制定了隧道开挖质量提升实施方案，细化落实具体止耗措施、制定降耗标准、明确责任人、建立考核办法等，改变目前公司隧道混凝土超耗严重的局面。

4、超耗原因

隧道超耗原因不仅涉及围岩级别，还与地质、地层产状、水文、有无钢架、开挖方式、开挖进尺、原材料质量、混凝土供应及时性及混凝土工作性能、施工经验、责任心等多个方面有关。

我们根据隧道施工工艺将隧道混凝土超耗分两个部分进行分析，分别是初支混凝土超耗和衬砌混凝土超耗。

4.1初支混凝土超耗原因分析

通过利用三维激光扫描仪对隧道断面开挖数据采集和喷射混凝土数量分围岩进行统计分析，得出造成隧道初支混凝土超耗的三个主要原因是：掌子面轮廓线超挖、喷射混凝土配合比、喷射混凝土施工工艺。

4.1.1掌子面轮廓线超挖的因素

4.1.1.1地质条件

隧道地质条件变化，如岩层走向、裂隙发育情况、围岩破碎程度，对是否超挖影响较大。个别较差围岩，即使是按照正常和合理的开挖和爆破工艺，也会因为地质情况造成超挖。

4.1.1.2开挖设备和爆破工艺

在光面爆破实施作业中，施工人员在炮眼钻进过程中操作不规范，钻杆钻进角度控制较差，特别是在拱部施工过程中，由于施工高度空间受限，钻杆角度偏大，炮眼深度越深，钻进至孔低，偏离轮廓线位置越远，炮眼钻进随意性较高；其次周边眼的间距，未按照爆破施工方案及技术交底的理论指导爆破参数进行布置，炮眼数量严重不足，同时单孔装药量较大，未根据围岩情况调整装药结构，通过三维激光扫描仪对爆破断面的测量，隧道设计轮廓线与实际轮廓线比较，超挖30cm-40cm之间，平均超挖35cm。

4.1.1.3管理深度和人员敬业程度

首先，隧道施工管理目前是以劳务分包为主要分包模式，劳务分包单位现场施作是以班组为单位，导致项目的管理深度难以到达施工班组，也因无激励约束措施造成测量人员和施工人员责任心不强，敬业程度不高。其次，班组为了追求进度，测量人员不是按照每一循环都进行放样，而是间隔3-4个循环再进行放样。这其中的3-4循环地开挖，班组只是按照经验和目测进行开挖，造成超挖。再次，隧道开挖班组一般都是包干，为追求施工进度，往往是加大药量、加大孔距等，而欠挖需要补炮返工，费时费力，所以在没有严格超挖考核的情况下，开挖班组常有超挖的内在倾向。

4.1.2喷射混凝土配合比引起的超耗

4.1.2.1原材料地材原因

小型湿喷机喷射混凝土过程中经常出现堵管现象，造成混凝土损耗。按照要求，喷射混凝土原材采用5-10mm碎石，砂子采用中粗砂，目前喷射混凝土所用原材碎石、中粗砂的含泥量均达到规范所要求上限，且级配较差，从而使拌制的混凝土和易性及粘结性较差，同时由于外加剂的保塌时间较短，运输至现场后不能及时施工，罐内存放时间达1小时后，无法达到喷射混凝土的塌落度要求，致使喷射混凝土无法正常喷射至初期支护岩面上或喷射到岩面上的混凝土发生掉落，导致喷射混凝土超耗。

4.1.2.2速凝剂原因

速凝剂在现场存储采用自制水箱进行存储，速凝剂在进场经检验合格后使用，但速凝剂存放一定时间后会发生沉淀，自身的配方参量比例发生变化，在抽取喷射混凝土所需速凝剂时，未及时对存储容器内的速凝剂进行整体均匀搅拌，造成抽取所使用的速凝剂配方无法起到速凝作用，导致喷射混凝土不能及时凝固，回弹量较大，超耗严重。

4.1.2.3速凝剂掺量原因

喷射混凝土过程中，速凝剂的掺量不准确，速凝剂的计量采用湿喷机自带的自动液压泵设备定量加入，但由于长时间施工使用过程中，输送管路未进行及时清理，造成管路污垢较多，造成速凝剂掺量计量不准确，速凝剂掺量不足，与混凝土不能有效的发生作用，导致混凝土不能及时凝固，回弹较大，超耗严重。

4.1.3喷射混凝土施工工艺引起的超耗

在现场观察喷射混凝土操作手在进行喷射作业过程施工工艺、方法不符合技术交底要求，首先操作手在喷射前，未对爆破开挖后的整个岩层面采用高压风枪进行清理，就直接进行混凝土的初喷作业，其次，操作手未针对边墙、隧道拱顶等不同部位进行喷射，及时对高压喷枪高压风压力进行调节，导致喷到岩面上的混凝土由于压力过大，造成喷射混凝土喷到岩面上后回弹较大，最后是在喷射顺序及每次喷射厚度方面施工不规范，喷射顺序随意，同时喷射厚度较厚，同一喷射部位一直喷射至覆盖拱架为止，导致喷射混凝土喷至墙面上，由于自重原因掉落至地面，造成回弹量较大。

4.2衬砌混凝土超耗

4.2.1掌子面轮廓线超挖引起的超耗

隧道开挖光面爆破超挖严重，既可以引起初期支护喷射混凝土的超耗，同时，对于采用光面爆破无钢架的Ⅱ和Ⅲ围岩衬砌混凝土也会造成混凝土超耗。因为低等级无钢架围岩初支混凝土只是对裸露围岩进行封闭，不能有效填补超挖空洞，因此超挖部分由二衬混凝土填补，造成衬砌混凝土超耗。仰拱也作为衬砌的一部分，隧底超挖必定会造成衬砌混凝土的超耗。

4.2.2隧道预留变形量引起的超耗

首先要明确设置隧道预留变形量是为了防止初期支护侵入二次衬砌，造成衬砌厚度不足而进行的人为因素。由于隧道在开挖后会发生应力的重新分布，造成隧道断面在开挖后的一定时间内会向内有一部分的收敛，因此在实际进行开挖时隧道断面尺寸就要略大于设计给出的断面开挖尺寸，这个差值就称为隧道开挖预抬量，一般在设计出图时会给出相应的参考值。而部分的施工单位因为施工经验相对不足，致使整个隧道使用同一个预抬量，不去参考监控量测数据，预留沉降变形量不进行动态调整，或者预留变形量调整不及时，同时由于围岩变形量也相对较小，预留的空间就需要由二衬混凝土进行填充，造成衬砌混凝土的超耗。

5、降低混凝土超耗的控制措施

经过对初支混凝土和二次衬砌混凝土造成超耗的原因进行分析、研讨、试验，我们从人、机、料、法、环、测六个方面制定出具有针对性和有效性的措施，以此来降低初支混凝土的超耗量，达到提质增效的目的，具体措施如下：

5.1 确定目标

首先要确定隧道光面爆破开挖控制的目标：通过查找相关数据和规范明确定线性超挖量不大于8cm，炮眼痕迹留存率，硬岩应≥85%，中硬岩应≥60%，并应该在开挖轮廓面上均匀的分布，在确保隧道施工安全的前提下将初支混凝土超耗率控制在60%-80%之间，衬砌混凝土超耗率普遍在10%之内。

5.2加强对隧道预留变形量的控制

隧道预留变形量对初支混凝土和衬砌混凝土的影响最为明显，若隧道预留沉降量得到控制，混凝土超耗也将得到改善。在隧道施工中，监控量测不仅为隧道围岩变化提供安全预警，更为隧道预留变形量提供依据，所以，就要求技术人员持续加强监控量测，认真分析监控量测数据，尤其是长期观测后的变化趋势，根据数据动态调整预留变形量。

5.3优化混凝土配合比设计

首先要严格控制初喷射混凝土所需原材料的质量，特别是对材料含泥量的控制，粗骨料碎石粒径不超配合比要求，级配良好，速凝剂要求供应商对其配方参量进行调整，并且进行试验，试验要求初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min，同时速凝剂的存放时间不宜过长，在施工过程中要及时使用，调整混凝土拌合过程中外加剂的参数和参量，使混凝土的保塌时间达到2小时及以上。

5.4改进喷射工艺

在施工工艺方面进行改进，在喷射混凝土前对掌子面采用高压风进行清理，将岩面粉尘清理干净，同时采用喷雾状高压水对岩石表面进行湿润，增加喷射混凝土与岩面的粘结力；喷射手在喷射混凝土时喷头应垂直于岩面，喷头与岩面距离控制在0.6m-1.2m范围，湿喷机的工作压力控制在0.1-0.15MPa，对拱墙、拱顶的喷射压力进行适当调整，减少混凝土的回弹率；严格喷射混凝土施工顺序，喷射施工顺利应该自下而上顺序进行施工，每次喷射厚度边墙控制在不大于15cm，拱顶控制在不大于10cm，喷射手采用螺旋形式进行喷射，待初凝后再进行下一层的喷射混凝土的喷射。

5.5改进和优化爆破工艺工法

隧道钻爆法施工进行钻爆设计的内容应该包括炮眼的布置形式、炮眼的深度、炮孔的斜率和炮眼的数量，爆破器材的使用、炮孔的装药量及装药的结构，起爆方法和起爆顺序，钻眼使用的机具和钻眼要求、主要的技术指标和必要的说明。针对优化和确定后的爆破参数，细化爆破作业工序。对实施后的隧道断面进行测量，通过不断调整和改进，以PDCA循环来实现优化爆破工艺工法的目的，达到最优的爆破参数。

5.5.1炮眼布置应明确的要求

光爆层周边眼应该沿着隧道需要开挖断面轮廓线来进行布置，内圈眼的布置应该满足周边眼中最小抵抗线的要求。其余辅助眼应该均匀交错的布置在光爆层内圈眼和掏槽眼之间，间距还应该满足爆破岩石块度的要求。爆破时的周边眼与辅助眼的眼底应该尽量处于同一垂直面上，掏槽眼应加深10-20cm。

5.5.2光面爆破钻眼施工的要求

爆破时的炮眼数量、炮眼位置、炮孔深度以及斜率都应符合钻爆法设计的相关要求。周边眼眼口的允许误差为±5cm，眼底所在范围不得超出开挖断面轮廓线15cm。在钻眼的过程中，作业高度超过2.0m时，应该配备与开挖面相适应的作业台车，以此来保证钻眼的位置和斜率准确。当开挖面凹凸较为明显，凸出岩块较大时，应该按照实际情况对炮眼的深度和装药量进行调整，使周边眼和辅助眼眼底尽可能的处于同一垂直面上。等待钻眼施工完毕以后，应该对照设计的炮眼布置图进行逐一的检查并做好相关记录，对不符合要求的重新进行钻孔，并进行再次的对照检查，直至合格后方可进行装药。当使用凿岩台车进行钻眼的时候，使用的台车的结构性能要符合断面和开挖工法的相关要求。

5.5.3装药作业相关要求

炮眼装药前应该对装药作业面进行安全检查，对检查出的问题进行及时处理。装药前应该进行清孔，清除孔内的岩石粉末和积水。等到炮眼清理完成后，首先应对炮眼深度、炮孔角度、方向和炮眼内部情况进行检查，处理不符合要求的炮眼。如果检查出有炮眼缩孔、坍塌或者有裂缝等情况不得进行装药操作；装药最好采用装药机进行，装药的炮眼应该采用炮泥进行堵塞，炮泥宜采用炮泥机来制作，不得将炸药的包装材料作为炮泥进行堵塞炮孔。炮泥宜采用黏土和砂进行混合制作干湿度也要适度。

5.6采用新技术及新型工装

隧道混凝土现场施工采用湿喷机械手、三臂凿岩台车、隧道轨下衬砌工装设备、防水板铺挂、钢筋精确绑扎台车、新型衬砌模板台车、门架式液压水沟电缆槽台车等大型设备，通过先进的工装设备，有效的降低了喷射混凝土和衬砌混凝土超耗现象，同时对施工功效的提高起到了重要作用。应用三维激光扫描技术、初支欠挖铣挖机处理技术、防空洞监测装置和液位器装置、水压爆破、聚能穴爆破等新技术能有效提高控制超欠挖功效，在保证初支和衬砌混凝土质量前提下，起到节能降耗的作用。

结束语

综上所述，在隧道工程降低混凝土超耗的过程中，可通过提升隧道工程施工作业测量精度及频率、严格把控原材料进场、严格控制混凝土配合比、动态调整和优化爆破工艺参数、采用新技术及新型工装设备等一系列措施来达到混凝土止耗的目的。意在从多个角度出发，针对目前隧道工程混凝土超耗严重，成本控制难度巨大的实际情况，分析问题成因，找寻解决方法，制定更为科学、合理的方案策略，从而不断降低混凝土的超耗量。

参考文献：

[1]卿三惠.高速铁路施工技术-隧道工程分册.北京:中国铁道出版社，2013.11（2017.11重印）.

3