浅谈喷射混凝土回弹率高、掉块的原因分析及解决措施

浅谈喷射混凝土回弹率高、掉块的原因分析及解决措施

熊明涛

中铁十一局集团第二工程有限公司，湖北十堰  442000

摘要：喷射混凝土占隧道混凝土总量近四分之一比重，是控制隧道施工成本的关键点。下面统计分析在建川藏X标、川藏Y标、池黄铁路等项目喷射混凝土回弹率高，施工过程掉块严重等质量缺陷。从原材料质量控制、配合比设计、混凝土施工质量控制、现场施工环境等方面进行调研统计分析，结合现场实际情况总结隧道初期支护混凝土回弹率大、掉块的原因及解决措施。

关键词：隧道施工；喷射混凝土；回弹率；掉块；原因分析；解决措施

1 工程概况

目前公司在建的川藏7、川藏4、西十、杭衢、池黄5个项目共22座隧道，喷射混凝土均采用施工技术难度高、强度保证率好的湿喷工艺施工，各项目均存在不同情况的回弹率大、掉块等现象，各项目具体施工情况如表1。

表1：公司在建项目喷射混凝土施工情况一览表

2 原因分析

各项目成立隧道喷射混凝土质量跟踪小组，制定质量指标清单，每天现场实测喷射前混凝土坍落度、喷射过程各部位回弹量，统计混凝土出场、运输、停滞时间，同时实施日汇报制度，每天总结分析现场实测数据，指导下一步施工组织安排，现将隧道初期支护混凝土掉块原因分析如下：

2.1 喷射混凝土原材料控制

喷射混凝土基本原材料主要由水泥、机制砂、碎石、减水剂及速凝剂组成，试验人员定期将原材料数据、生产数据进行汇总分析，总结如下：

（1）水泥：各项目水泥均满足GB 175-2007《通用硅酸盐水泥》技术性能要求，且水泥质量稳定，无较大波动。

表2：各项目水泥基本性能指标一览表

（2）细集料 ：5个项目细集料均为机制砂，性能较稳定，川藏Y标、7标0.075mm以下含量和亚甲蓝MB值不符合要求，其他项目均能满足规范要求。

表3：各项目细集料基本性能指标一览表

（3）碎石：喷射混凝土用5-10mm碎石级配合格，但含泥量均显示超标，4.75mm筛和2.36mm筛细颗粒含量较多，混凝土比表面积偏大、无骨架作用、强度增长较慢，导致混凝土易发生掉块，回弹量增大。

表4：各项目粗集料性能指标一览表

（4）减水剂：由于材料波动、温度波动、运输距离等原因造成混凝土波动，如池黄铁路项目由于温度骤降，现用减水剂缓凝成分较高，及时联系减水剂厂家对配方进行调整（减水剂配方缓凝成分降低30kg/吨，减水提高20kg/吨），确保混凝土工作性能。试验人员在混凝土出站时应严格控制混凝土各项性能，杜绝喷锚混凝土在现场加水的情况。保证适宜的水胶比是降低混凝土回弹率的重要手段之一。

表5：各项目减水剂基本性能指标一览表

（5）速凝剂：各项目速凝剂进场检测指标均能满足规范要求。但未进行速凝剂与水泥的相容性试验，川藏X标速凝剂厂家根据现有水泥将速凝剂和水泥的适应性重新进行调整，根据气温调整了速凝剂的凝结时间，将凝结时间由原来的3分钟调整为1.5分钟，喷射混凝回弹量明显改善。

表6：各项目速凝剂基本性能指标一览表

进场速凝剂稳定性较差，检查中发现各隧道口使用速凝剂均存在不同程度沉淀及分层现象，速凝剂浓度不均匀导致稳定性较差，在池黄铁路金鸡岭1#隧道进口初支混凝土施工过程中，发现喷射完成后2h还未终凝，凝结时间较长导致混凝土受复喷压力冲击扰动发生掉块。后取样检测该速凝剂稳定性，3天底部沉淀物体积26ml，明显分层。见图1、图2所示。

图1：  进场检验                     图2：3天沉淀物体积

存放环境不合规，速凝剂为隧道施工工班自购物资，存放较为随意、粗犷，部分隧道口现场速凝剂储样桶未设立专用仓库且未进行覆盖，露天存放经暴晒后易出现速凝剂变质、遇

雨进水稀释等情况。速凝剂现场存储环境见图3。

图3：速凝剂现场存储环境

2.2 施工混凝土配合比控制

（1）混凝土配合比设计：各项目配合比设计均参照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ55进行设计，水胶比取值满足规范要求，但设计过程均未考虑湿喷工艺应喷射密实性与速凝剂对结构强度的影响。依据《铁路隧道湿喷混凝土施工技术规程》Q/CR 9249-2020要求计算配制强度时，强度标准值应乘以k1、k2系数。湿喷混凝土密实性系数k1宜为1.05～1.25,速凝剂强度影响系数k2依据减水剂性质取值，宜为1.00～1.40。

表7：速凝剂强度影响系数kz取值

（2）施工配合比控制：由于材料波动、温度波动、运输距离等原因，为保证混凝土拌合物性能满足施工要求，各项目施工配合比在理论配合比基础上均存在减水剂超掺现象，池黄项目3#拌合站减水剂设计掺量为1.0%，实际掺量1.1%，帕姆岭拌和站减水剂掺量为1.0%，拌和站每方加水超5公斤，根据值班调研杭衢项目存在不同程度的现场加水现象。

图4：拌合物性能检测                   图5：现场混凝土和易性良好

（3）现场速凝剂掺量：各项目湿喷浆机型号、新旧程度差异较大，且所用速凝剂计量泵也参差不齐，部分混凝土湿喷台车用流量计进行计量，无法保证配合比速凝剂的掺量，如金鸡岭1#隧道进口喷射混凝土施工情况现场值班发现，隧道喷射混凝土速凝剂掺量采用流量方式控制，定量控制较难。为验证速凝剂掺量，试验人员以一桶速凝剂为1.5t，通过在桶上做标记等分5等份，一份0.3t，按照喷锚配合比设计速凝剂掺量7%计算，一车喷射混凝土10m3需消耗速凝剂0.32t。根据现场值班情况统计分析隧道内速凝剂掺量边墙控制在5%以下，拱顶在6%左右，速凝剂使用过程中存在偷工减料的情况。

图6：喷锚机老旧                        图7：速凝剂掺量核对

川藏X标一桶为1.3t速凝剂,按照喷射配合比设计速凝剂掺量8%计算，一车喷射混凝土12m3需消耗最少0.49t速凝剂，36m3混凝土理论消耗1.47t速凝剂，而根据现场盯控反馈施工过程中未更换速凝剂桶，掺量不足，导致混凝土凝固较慢，存在掉块现象。

图8：喷射混凝土台车计量系统与核算重量相差较大

2.3 现场施工工艺质量控制

（1）超挖。隧道围岩相对破碎，爆破效果较差，所有隧道均存在不同程度超挖，尤其拱腰及拱顶处，施工过程中采取一次性喷射，混凝土自重较大，影响混凝土与岩面的粘结力，发生掉块。

图9：隧道拱腰超挖               图10：隧道超挖46cm

（2）钢筋网焊接不牢。钢筋网片与钢架焊接不牢固，在喷射过程中受喷射混凝土冲击易损坏，网片掉落后无法继续喷射，需加强网片自身质量及与钢架焊接质量。

图11：喷射混凝土状态良好              图12：2分钟后网片脱落、混凝土掉块

（3）喷射工艺：根据现场了解，操作手在喷射过程中经常固定在一个位置想一次性喷满，导致喷层厚度太厚，混凝土未达初凝，自重本身较大，导致掉块。喷射过程中，隧道掌子面灰尘极大影响操作手视线，喷射角度难以保持在90°左右，经常出现较大夹角，使喷射压力无法保持最佳，混凝土附着力不够，出现掉块现象。

3 隧道初期支护混凝土掉块解决措施总结

3.1 原材料质量控制

（1）集料：严格控制细集料的质量，细度模数控制在2.5-3.2之间，采用机制砂时亚甲蓝MB值应小于1.4,0.075以下颗粒含量宜控制在3%-7%之间，采用河沙时含泥量不应大于3%，泥块含量不应大于0.5%；粗集料粒径不宜大于16mm，级配良好，含泥量不大于1%。

（2）减水剂：根据气温、材料变化及时调整减水剂配方，确保到场混凝土性能满足泵送要求，减水率不小于25%，1小时坍落度损失不大于2cm,杜绝喷射凝土现场加水。

（3）速凝剂：每批次到场速凝剂使用前检测速凝剂与水泥、减水剂的相容性试验及水泥净浆凝结效果试验，速凝剂初凝时间不宜大于3min,终凝时间不宜大于8min,当喷锚面有水时可适当提高标准；速凝剂在桶中存放一定时间后会发生沉淀，过程随时检测速凝剂的稳定性，抽取、使用速凝剂前对速凝剂进行搅拌，搅拌均匀后进行施工。沉淀、变质材料严禁用于施工，3d稳定性试验不见沉淀物。

3.2 混凝土配合比质量控制

（1）试验人员在混凝土出站时应严格控制混凝土各项性能，杜绝喷射混凝土在现场加水的情况。

（2）严格控制速凝剂掺量。日检查，总量核算的方法验证速凝剂掺量是否满足设计要求，速凝剂的实际参量与设计掺量偏差不宜大于10%；根据不同部位，可采取不同速凝剂掺量，边墙施工时，在确保回弹率可控的情况下，适当降低1%-3%的速凝剂掺量，节约成本，拱顶喷锚时提高速凝剂掺量以减小拱顶喷射混凝土回弹率。

（3）喷射混凝土拌和物的和易性，特别是黏聚性对减少混凝土的回弹起重要作用，加入聚丙烯酰胺等增黏剂使混凝土黏聚性增加，可以有效降低回弹率。另外，在混凝土中掺入一定量的掺合料有助于改善混凝土的和易性，减少回弹，掺合料的粒径越小，效果越好。

3.3 人员制度管理

（1）喷射混凝土的质量受操作手的影响较大，要选择经验丰富的操作手。在喷射混凝土施工前，要对施工人员进行培训，考核合格后方能上岗。

（2）加强人员管理，定期召开喷锚掉块问题分析会议，提供各隧道口互相学习总结经验的机会，确保混凝土节超控制落到实处，传达严控喷锚掉块的会议理念。

（3）制定材料控制措施，严格执行进场原材料报检制度，加强过程巡检；

（4）持续执行混凝土跟班作业制，及时掌握现场实际情况。

3.4 设备管理

（1）喷射设备的选择要综合考虑隧道断面尺寸、施工进度、施工环境等因素，选择可以获得良好施工性和经济性的喷射设备。

（2）淘汰落后、陈旧的设备，特别是无法速凝剂无法计量的设备

3.5 喷混凝土技术要求

（1）喷射顺序：喷射砼前对一般岩面可用高压水冲洗受喷面上的浮尘、岩屑，当岩面遇水容易潮解、泥化时,宜采用高压风吹净岩面,以保证喷射混凝土与受喷岩面粘结牢固。喷射应先墙后拱，从底部到顶部，S曲线移动喷射。隧道从侧壁的底部开始喷射，然后喷射到拱顶的中心线，完成一环混凝土的喷射。软弱破碎及超挖较大处可先喷。分片喷射要自下而上进行并先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土。边墙喷混凝土应从墙脚开始向上喷射，使回弹不致裹入最后喷层。

图13：喷混凝土施工顺序示意图

（2）喷头角度及与受喷面距离：喷射时，喷头应保持垂直于喷射面。喷射角太小会增加混凝土回弹率，降低喷射密度;喷流垂直于岩石表面，连续混凝土的“稀薄流”对嵌入回弹有二次作用，可以降低回弹率，增加喷射厚度。当喷射表面比较平整时，喷射时应使喷嘴与受喷面垂直，若喷嘴偏离垂直方向，会导致喷射混凝土的密实度降低，回弹量变大。喷头与受喷面距离0.8～1.2m。

（3）喷射混凝土：混凝土的坍落度应为10cm～16cm，喷射混凝土在刚开始喷射时回弹大，当岩石表面喷涂厚度达到2cm～3cm后回弹小且稳定，当喷射到附着在岩石表面的混凝土滑落、流动，喷射厚度达到较大值，此时不能继续喷射，待终凝后再复喷到要求厚度。喷射时首先调整喷头在边墙底部的喷射位置，使用机械臂自动调整臂的功能，让其与地面平行，并平行于隧道壁，调整喷头的距离，上述操作都完成后，可以开始喷射。开始喷射后，中途不可调整距离和机械手臂的角度，只需要使用自动伸缩功能控制喷头自动伸缩，这时从一端缓慢到另一端需来回跑2次～3次，可完成一次喷射；然后伸展机械手臂30cm左右 (在拱部根据隧道大小进行适当的翻转），机械臂的垂直，水平移动，保持喷头和喷射的角度与距离，

（4）工作风压：工作风压0.2MPa～0.4MPa，工作风压的选择取决于混凝土的和易性，和易性越好，工作风压越小，反之亦然。

3.6 严格控制超挖，减轻喷射混凝土自重，降低喷射混凝土回弹率

根据现场情况和测量结果显示隧道实际超挖严重，混凝土喷射厚度过大，混凝土自重增加，导致混凝土掉块严重，拱顶尤为明显。督促施工班组严格控制超挖，指导现场施工一次喷射混凝土厚度以喷射混凝土不滑移不坠落为度，边墙一次喷射混凝土厚度控制在7～10cm，拱部控制在5～7cm，并保持喷层厚度均匀。现场施工工艺的提高，有效减少了喷射混凝土回弹率。

4 结语

综上所述造成喷锚混凝土回弹较大原因很多，并且环环相扣，在喷锚混凝土施工中单靠某方面控制是远远不够的，要建立完善的管理体系，相互监督、相互约束，应该培养全员的质量意识和成本意识，全员参与使隧道喷锚混凝土施工时回弹降到最低，保证质量、节约成本。

作者简介：熊明涛（1988-），男，工学学士学位，工程师，主要从事试验检测工作。