隧道喷混凝土技术现状和发展

隧道喷混凝土技术现状和发展喷混凝土支护，在地下工程中占据十分重要的位置。这是大家公认的。它不仅是初期支护的主要构件，也逐渐成为永久支护的重要构件。许多国家都把提高喷混凝土的性能、技术放在十分重要的位置。日本土木学会2005年公布的“隧道喷混凝土指南”、挪威隧道学会的1999年的“喷混凝土岩石支护”以及欧洲共同体的有关喷混凝土性能的规定等，都说明了这个问题的重要性。12/17/20222一、对喷混凝土支护作用的认识喷混凝土是如何发挥其支护作用的？对此我们必须有一个明确的认识。首先，喷混凝土必须与围岩密着，与围岩成为一体才能起支护作用；因此我们要求喷混凝土的一个重要性能，就是与围岩的附着性，或者说喷混凝土与围岩的附着强度。这一点在我们的设计施工中，常常是被忽略了。12/17/20223一、对喷混凝土支护作用的认识其次，隧道开挖后，我们希望能在“最短的”时间内，控制住围岩的松弛或变形，因此，我们要求以“最快的”速度向围岩喷射混凝土。混凝土的强度是随时间增长的。要其发挥支护作用，就必须让喷混凝土在“短时间”内达到一定的强度。也就是说，喷混凝土必须具备在短时间内达到一定强度的性能，就是我们所谓的“初期强度”。根据围岩条件，喷混凝土的初期强度，有的取3小时强度，有的取24小时的强度。这一点，我们在设计施工中也被忽略了。12/17/20224一、对喷混凝土支护作用的认识最后，具有一定厚度的喷混凝土层也具有结构作用。喷混凝土的结构作用，是我们在设计中考虑到主要作用。喷混凝土只有在充分考虑其附着性、初期强度和结构作用的条件下，才能充分发挥其支护作用。12/17/20225二、喷混凝土的基本性能喷混凝土的基本性能，根据其功能有两种考虑。一种是有二次衬砌的场合，一种是无二次衬砌的场合。有二次衬砌的场合仅仅要求满足安全性能的要求。即应具有设计基准强度、初期强度和弯曲韧性的力学性能。后者是对钢纤维喷混凝土附加的性能要求无二次衬砌的场合，也就是喷混凝土作为永久支护的场合，除应具有上述力学性能外，还要满足抗裂性、抗剥离性、美观、及耐久性的要求。

12/17/20226喷混凝土的力学性能

1、设计基准强度2、初期强度：3、附着强度；12/17/202271、设计基准强度

喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国家都规定喷混凝土的设计基准强度，采用与衬砌混凝土同等的强度。不仅如此，考虑到材料、配比或者施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高强度已经成为可能，因此喷混凝土的设计基准强度有向高强度方向发展的趋势。例如，日本第二东名·名神高速公路，在大断面隧道中，采用材龄28天的抗压强度36N/mm2作为设计基准强度。也有的国家规定在不良地质条件下采用高强度喷混凝土的建议。12/17/20228在一般地质条件下的隧道，喷混凝土设计基准强度采用与衬砌混凝土强度相当的建议是可行的。另外应该指出，在欧洲一些国家的喷混凝土规定中，很少有采用小于C25等级的喷混凝土。在不良地质条件下的隧道，应该提高喷混凝土的强度等级，采用高强度混凝土也是合适的。12/17/20229

喷混凝土抗压强度划分

EFNARC的标准

强度划分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圆柱体试件24283236404448立方体试件3035404550556012/17/202210

挪威的标准

喷混凝土抗压强度划分

抗压强度(MPa)C30C35C40C45C50C55立方体试件的最小抗压强度303540455055取样试件的最小抗压强度19.222.425.628.832.035.212/17/2022112、初期强度

一般说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽快地发挥作用，这是我们要求喷混凝土具有一定初期强度的目的。设定喷混凝土初期强度时，应考虑隧道开挖条件及随掌子面进展产生的围岩动态，以充分确保掌子面及其附近围岩的稳定，取24小时以内的强度为标准。初期强度，应根据围岩条件和施工条件，可以取24小时以外的强度为标准，有的国家就是以3小时的强度作为基准的。12/17/202212初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧道功能、断面形状等构造条件、荷载条件及设计方法等而异。下表是日本各单位的初期强度设定事例。单位类别材龄3小时抗压强度（N/mm2）材龄24小时抗压强度（N/mm2）道路协会喷混凝土－5铁道建设·运输设施高品质喷混凝土1.58道路公团喷混凝土－5高强度喷混凝土210高强度纤维喷混凝土21012/17/202213欧洲，根据掌子面的进展，考虑确保掌子面及其附近的围岩稳定的重要性，要求喷混凝土具有图示的初期强度。12/17/202214J1：（A~B）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合J2：(B~C)：适用于厚层施工和有涌水，受到后续作业直接作用的场合J3：(C以上)：只适用于特殊条件的场合（例如，大量涌水的场合）12/17/2022153、附着强度

喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发挥喷混凝土支护作用的关键指标。许多国家都有明确的规定。12/17/202216喷凝土的欧洲标准（EFNARC)G规定的附着强度如下表所示，通过附着试验核查。

附着强度最小值（MPa)附着的划分与混凝土的附着与岩体的附着非结构物0.50.1结构物1.00.5挪威规定附着强度在0.2～1.8MPa之间。12/17/202217附着强度测定事例岩类等矿物粒子大小附着强度

粗糙面破坏面片岩粘土矿物、绿泥石非常细0.24±0.180.28±0.11云母片岩石英、长石、云母中位0.58±0.190.85±0.35片麻岩（叶状构造）石英、斜长石、云母、角闪石中位0.19±0.050.51±0.11片麻岩（叶状构造）石英、斜长石、云母、角闪石中位1.53±0.281.8砂岩（裂隙多）石英、长石细（1.1）破坏面（1.1）破坏面砂岩石英、长石细1.81.8泥灰岩方解石、粘土矿物细1.491.84石灰岩方解石细1.58±0.121.54±0.30大理岩方解石中位1.38±0.301.52±0.28花岗岩、闪绿岩石英、斜长石、黑云母粗0.34±0.121.12±0.20花岗岩、闪绿岩石英、斜长石、黑云母中位1.04±0.321.40±0.26花岗岩、闪绿岩石英、斜长石。黑云母细～中位1.48±0.451.71±0.14辉绿岩斜长石、辉石细～中位1.56±0.251.7木版－－1.71.7喷混凝土表面－－1.71.712/17/202218三、控制喷混凝土质量的关键控制喷混凝土质量的关键有四：1、附着配比；2、回弹率；3、粉尘量；4、喷射工艺；（包括喷射手、喷射机械等）。12/17/2022191、喷射混凝土配比

一般说、喷混凝土配比是按初期强度、设计基准强度及附着强度等，通过试验确定的。但对工程来说，喷混凝土的附着配比是最有意义的。附着配比指的是：喷混凝土喷射后附着在围岩上的配比。它与喷射配比、喷射工艺以及喷射工的技术熟练程度有直接的关系，不容忽视。下表是欧洲的一个标准。喷射后喷混凝土强度（附着配比）C30C35C40C45C50C55喷射前喷混凝土强度（喷射配比）C38C43C48C54C60C6512/17/2022202、回弹率及粉尘浓度回弹意味着粗骨料的损失，而粉尘则意味着微细颗粒的损失。这两者对附着的喷混凝土质量，具有重要的影响。因此，喷射施工中，如何控制回弹和减少粉尘的发生是很重要的课题。也是确保喷混凝土质量的重要课题。在质量控制中，有的国家规定：回弹不能大于20％，粉尘浓度不能大于5mg/m3，否则，就是不合格。12/17/2022213、喷射机械

喷射机械的性能和能力是减少喷混凝土质量离散性的重要保证。特别是，在大断面隧道中，一次喷射混凝土的数量有所增加，同时为了缩短喷射时间，采用大容量，高性能的喷射机械，已是大势所趋。因此许多国家都规定了喷射机的要求性能。如单位时间的喷射量等。有的更明确规定，喷射机的生产效率应在10m3/h以上。许多施工单位也都认识到这一点，开始采用大容量的喷射机，是非常英明的决策。日本在大断面隧道施工中，规定至少配备2台20m3/h的喷射机。12/17/2022224、喷射工艺大家知道，喷混凝土喷射工艺，基本上分为2种。即：干喷和湿喷。在一般情况下，都建议采用湿喷，这是合适的。但有些情况，采用干喷更为有利。因此，国外的喷射机械都向着干喷、湿喷两用方向发展。因此，在施工中，排斥干喷是不合适的。干喷混凝土的初期强度比湿喷混凝土发现快是一大优点，要充分利用之。12/17/202223四、大断面隧道的喷混凝土技术在大断面的条件下，隧道支护结构需要加强。加强的途径有二。其一是改变过去采用的支护结构参数，如增加喷混凝土厚度，加密钢支撑间距等；这是我们目前采用的主要方法。另一个方法就是改变材料的规格，例如高强度喷混凝土、高承载力锚杆等。第1种方法的后果，就是：加大了开挖断面积，这也是在同样净空断面积的条件下，我们的开挖断面积比较大的原因之一。第2种方法，是其他国家采用的主要方法。结果不仅提高了支护结构的效果，也缩短了作业的时间。12/17/202224日本第二东名高速公路隧道事例净空断面积：约150㎡开挖断面积：最大200㎡采用高强喷混凝土：比采用普通喷混凝土的厚度，减少3％；锚杆采用高强锚杆（设计承载力28kN)，锚杆数量减少30％；采用高规格钢支撑（HH－154）；二次衬砌采用高强喷混凝土，设计厚度减少10cm不设变形富余量。12/17/202225主要研究高强度喷混凝土和钢纤维喷混凝土。高强度喷混凝土要求的强度列于下表。种类要求强度（MPa）目标强度3小时1天28天28天高强度2以上10以上36以上50以上一般强度－5以上18以上－12/17/202226高强度喷混凝土的标准配比列于下表要求强度（MPa）塌落度（cm）粗骨料最大尺寸（mm）单位水泥用量（kg）单位速凝剂对水泥的用量（％）见上17/202227在大断面隧道中，为了缩短喷混凝土的作业时间和以最短时间喷射全周边的混凝土，必须采用多台大容量的喷射机械。12/17/20222812/17/202229五、喷混凝土性能核查方法

核查喷混凝土性能时，首先要设定喷混凝土应具有的性能。喷混凝土施工最重要一点是喷射的混凝土在施工中不剥落，而保持与附着面密着的状态。同时喷混凝土施工后，要求能够立即；支持围岩的结构功能，所以与通常的混凝土不同，不仅需要管理28天的强度，还要管理3小时、24小时的初期强度。因此喷混凝土的性能科定义为：附着性能和任意材龄的抗压强度发现性能。12/17/2022301、附着性能的核查

a）附着的喷混凝土不剥落的条件为了核查喷混凝土的附着性能，要定量地研究附着在围岩上的喷混凝土不剥落的条件。首先我们考察喷混凝土与围岩的附着。围岩表面的状态，由于施工现场而不同，如果要保持围岩无涌水、不剥落的状态，喷混凝土与围岩的附着强度必须大于喷混凝土自身的抗拉强度。因此，喷混凝土的剥落，可认为是由喷混凝土自重引起的拉应力大于抗拉强度所致。一般说，喷混凝土拉应力的最大值多出现在拱顶处，因此，喷混凝土附着性能的核查，采用图15的模式，只考虑拱顶就可以了。12/17/202231图15拱顶处喷混凝土的模式图喷混凝土施工中，其厚度是随时间而增加大，因此，其拉应力也随着增加。

12/17/202232设喷混凝土厚度为d，则产生的最大拉应力为σt等于σt＝ρGd式中：σt：最大拉应力（MPa）ρ:喷混凝土密度（kg/m3）G：重力加速度（m/s2）d：喷混凝土厚度（m）这样，喷混凝土总喷射过程中不剥落的条件是γσt/ft≤1式中γ：有关喷混凝土抗拉强度预测值精度的系数σt：拉应力的最大值（MPa）ft：喷混凝土抗拉强度预测值（MPa）问题在于喷混凝土抗拉强度的预测值。12/17/202233

下表是试算式设定的条件。隧道断面采用双车道公路隧道断面。施工条件项目设定值项目设定值隧道上半断面半径r5m掘进长度L1m设计喷射厚度d25cm吐出量16m3/h12/17/202234

配比条件速凝剂种类混凝土水灰比(%)速凝剂添加率(%)P145.63.5，5.0，6.556.94.9，7.0，9.1P245.67.0，10.0，13.056.9L45.66.3，9.0．11.712/17/202235

试算的结果。

各种速凝剂条件下，抗拉强度与拉应力的关系12/17/2022362、任意材龄的抗压强度发现性核查

喷混凝土任意材龄的抗压强度发现性核查可按下式进行。γcfck/fSC≤1式中：γc：安全系数fck：材龄T的喷混凝土抗压强度设定值fSC：材龄T的喷混凝土抗压强度预测值表达抗压强度预测值精度到安全系数，可按下式求出。γc＝100/1001.645VV是喷混凝土抗压强度的变动系数（％）。一般说喷混凝土抗压强度的变动符合正态分布，因此按上式核查得到的抗压强度会低于要求值。建议按11.5％考虑。12/17/202237根据新规范，设定的材龄及抗压强度列于表14。表14设定的材龄和抗压强度（MPa）材龄T24小时28天抗压强度设定值5.018.0考虑安全系数的目标强度6.222.212/17/202238下图是试算结果。各种速凝剂条件下抗压强度的历时变化及抗压强度的设定值

12/17/202239虽然，提出来喷混凝土性能设计的原则方法，但在应用上，还存在一些问题。实际上，目前都是按照对喷混凝土性能的要求，来进行配比设计，使之能够满足其性能的要求。12/17/202240六、新的喷射系统为了满足喷混凝土性能的要求，目前开发了一些新的喷射系统。这些系统包括：1、使用浆状速凝剂的系统；2、低碱性速凝剂的喷射系统；3、回转力方式的喷射系统；4、离心力方式的喷射系统。12/17/2022411、使用浆状速凝剂的系统；

此喷射系统，是采用专用的粉体速凝剂，在添加到混凝土中之前使之成浆状的喷射系统，因为速凝剂是浆状添加的，不仅降低了粉尘的发生，也改善了与混凝土的混合性，能够获得降低回弹率和良好的强度特性。本系统与过去的系统比较，具有以下特点。·能够获得良好的附着、速凝特性和强度发现特性；·能够降低粉尘的发生，改善了作业环境（图1）；·提高了混凝土和速凝剂的混合性，品质稳定；·能够降低混凝土的回弹率，减少施工期间和成本；·能够适应采用一般粉体速凝剂的喷射系统。12/17/202242

图1粉尘浓度测定结果例12/17/202243使用浆状速凝剂的喷射系统概况示于图2。图中表示出比过去粉体速凝剂喷射系统增加大机器、设备。即追加了粉体速凝剂浆化的水流量计及其控制盘，调整混凝土压缩空气量的空气流量计和调整阀等。12/17/20224412/17/2022452、低碱性速凝剂的喷射系统

1970年～1980年间液体速凝剂多使用硫酸盐系（pH12以上）的产品，但因碱性高，从喷射作业时对人体的危险性和长期强度的降低观点出发，现在几乎没有使用了。代替的是水溶性的硫酸盐系（低碱性，pH2～4），没有使皮肤烧伤的危险，强度也能稳定的发现，而得到应用。本系统与过去系统比较，有以下特长。·发生的粉尘极少，可改善作业环境；·能够降低回弹；·由于是弱碱性，对人体和环境影响小；·对混凝土长期强度影响小；·表面光滑。12/17/20224612/17/202247用泵压送混凝土到喷嘴，在液体速凝剂专用喷嘴内用比较少量的气体混合液体速凝剂例示于图。同时用压缩空气进行喷射。需要的压缩空气量比粉体速凝剂，少得多，因此压缩空气机可以小型化。12/17/20224812/17/2022493、回转力方式的喷射系统

此喷射系统，不使用压缩空气，而利用回转叶轮头的打击力把混凝土投射的施工方式，称为无空气喷射机。因为混凝土喷射不用压缩空气，与过去的喷射系统比较，发生粉尘少，电力消耗也小。在标准系统中，速凝剂是在按照在喷嘴外部的喷射喷嘴喷雾，添加到投射中的混凝土中。本系统与过去的系统比较有以下特长。·混凝土压送不需要压缩空气；·省能；·发生粉尘量约1/10;·回弹率约10％；·钢纤维的残存率能够达到90％。12/17/202250在通常的喷射系统中，配合喷嘴的位置，投射混凝土的叶轮头的构造示于图。

12/17/202251施工时，由于叶轮头的回转（打击投射）而吐出混凝土，视回转数，左右着喷混凝土的附着性及回弹。到目前为止，吐出量12m3/h的场合，回转数采用2000rpm比较合适。喷射施工性，与采用粉体速凝剂比较，发生粉尘少、回弹率也小，此外强度特性等与采用液体速凝剂和浆状速凝剂的场合