隧道喷混凝土技术现状和发展

隧道喷混凝土技术

——现状和开展2/2/20241关宝树喷混凝土支护，在地下工程中占据非常重要的位置。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、技术放在非常重要的位置。日外乡木学会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，都阐明了这个问题的重要性。2/2/20242关宝树一、对喷混凝土支护作用的认识喷混凝土是如何发扬其支护作用的？对此我们必需有一个明确的认识。首先，喷混凝土必需与围岩密着，与围岩成为一体才干起支护作用；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，经常是被忽略了。2/2/20243关宝树一、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〞速度向围岩放射混凝土。混凝土的强度是随时间增长的。要其发扬支护作用，就必需让喷混凝土在“短时间〞内到达一定的强度。也就是说，喷混凝土必需具备在短时间内到达一定强度的性能，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。2/2/20244关宝树一、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构造作用。喷混凝土的构造作用，是我们在设计中思索到主要作用。喷混凝土只需在充分思索其附着性、初期强度和构造作用的条件下，才干充分发扬其支护作用。2/2/20245关宝树二、喷混凝土的根本性能喷混凝土的根本性能，根据其功能有两种思索。一种是有二次衬砌的场所，一种是无二次衬砌的场所。有二次衬砌的场所仅仅要求满足平安性能的要求。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所，也就是喷混凝土作为永久支护的场所，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。

2/2/20246关宝树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；2/2/20247关宝树1、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，思索到资料、配比或者施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高强度曾经成为能够，因此喷混凝土的设计基准强度有向高强度方向开展的趋势。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。2/2/20248关宝树在普通地质条件下的隧道，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适宜的。2/2/20249关宝树喷混凝土抗压强度划分

EFNARC的规范

强度划分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圆柱体试件24283236404448立方体试件303540455055602/2/202410关宝树挪威的规范

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19.222.425.628.832.035.22/2/202411关宝树2、初期强度

普通说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽快地发扬作用，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，应思索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小时以内的强度为规范。初期强度，应根据围岩条件和施工条件，可以取24小时以外的强度为规范，有的国家就是以3小时的强度作为基准的。2/2/202412关宝树初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧道功能、断面外形等构造条件、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铁道建立·运输设备高质量喷混凝土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2102/2/202413关宝树欧洲，根据掌子面的进展，思索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。2/2/202414关宝树J1：〔A~B〕：适用于枯燥围岩、薄层施工的场所J2：(B~C)：适用于厚层施工和有涌水，遭到后续作业直接作用的场所J3：(C以上)：只适用于特殊条件的场所〔例如，大量涌水的场所〕2/2/202415关宝树3、附着强度

喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发扬喷混凝土支护作用的关键目的。许多国家都有明确的规定。2/2/202416关宝树喷凝土的欧洲规范〔EFNARC)G规定的附着强度如下表所示，经过附着实验核对。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构造物0.50.1构造物1.00.5挪威规定附着强度在0.2～1.8MPa之间。2/2/202417关宝树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喷混凝土外表－－1.71.72/2/202418关宝树三、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、放射工艺；〔包括放射手、放射机械等〕。2/2/202419关宝树1、放射混凝土配比

普通说、喷混凝土配比是按初期强度、设计基准强度及附着强度等，经过实验确定的。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：喷混凝土放射后附着在围岩上的配比。它与放射配比、放射工艺以及放射工的技术熟练程度有直接的关系，不容忽视。下表是欧洲的一个规范。放射后喷混凝土强度〔附着配比〕C30C35C40C45C50C55放射前喷混凝土强度〔放射配比〕C38C43C48C54C60C652/2/202420关宝树2、回弹率及粉尘浓度回弹意味着粗骨料的损失，而粉尘那么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，放射施工中，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，否那么，就是不合格。2/2/202421关宝树3、放射机械

放射机械的性能和才干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，一次放射混凝土的数量有所添加，同时为了缩短放射时间，采用大容量，高性能的放射机械，已是大势所趋。因此许多国家都规定了放射机的要求性能。如单位时间的放射量等。有的更明确规定，放射机的消费效率应在10m3/h以上。许多施工单位也都认识到这一点，开场采用大容量的放射机，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的放射机。2/2/202422关宝树4、放射工艺大家知道，喷混凝土放射工艺，根本上分为2种。即：干喷和湿喷。在普通情况下，都建议采用湿喷，这是适宜的。但有些情况，采用干喷更为有利。因此，国外的放射机械都向着干喷、湿喷两用方向开展。因此，在施工中，排斥干喷是不适宜的。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。2/2/202423关宝树四、大断面隧道的喷混凝土技术在大断面的条件下，隧道支护构造需求加强。加强的途径有二。其一是改动过去采用的支护构造参数，如添加喷混凝土厚度，加密钢支撑间距等；这是我们目前采用的主要方法。另一个方法就是改动资料的规格，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缘由之一。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构造的效果，也缩短了作业的时间。2/2/202424关宝树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。2/2/202425关宝树主要研讨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－2/2/202426关宝树高强度喷混凝土的规范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（％）见上表1810450102/2/202427关宝树在大断面隧道中，为了缩短喷混凝土的作业时间和以最短时间放射全周边的混凝土，必需采用多台大容量的放射机械。2/2/202428关宝树2/2/202429关宝树五、喷混凝土性能核对方法

核对喷混凝土性能时，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放射的混凝土在施工中不剥落，而坚持与附着面密着的形状。同时喷混凝土施工后，要求可以立刻；支持围岩的构造功能，所以与通常的混凝土不同，不仅需求管理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：附着性能和恣意材龄的抗压强度发现性能。2/2/202430关宝树1、附着性能的核对

a〕附着的喷混凝土不剥落的条件为了核对喷混凝土的附着性能，要定量地研讨附着在围岩上的喷混凝土不剥落的条件。首先我们调查喷混凝土与围岩的附着。围岩外表的形状，由于施工现场而不同，假设要坚持围岩无涌水、不剥落的形状，喷混凝土与围岩的附着强度必需大于喷混凝土本身的抗拉强度。因此，喷混凝土的剥落，可以为是由喷混凝土自重引起的拉应力大于抗拉强度所致。普通说，喷混凝土拉应力的最大值多出如今拱顶处，因此，喷混凝土附着性能的核对，采用图15的方式，只思索拱顶就可以了。2/2/202431关宝树图15拱顶处喷混凝土的方式图喷混凝土施工中，其厚度是随时间而添加大，因此，其拉应力也随着添加。2/2/202432关宝树设喷混凝土厚度为d，那么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，喷混凝土总放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。2/2/202433关宝树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。施工条件工程设定值工程设定值隧道上半断面半径r5m掘进长度L1m设计放射厚度d25cm吐出量16m3/h2/2/202434关宝树配比条件速凝剂种类混凝土水灰比(%)速凝剂添加率(%)P145.63.5，5.0，6.556.94.9，7.0，9.1P245.67.0，10.0，13.056.9L45.66.3，9.0．11.72/2/202435关宝树试算的结果。各种速凝剂条件下，抗拉强度与拉应力的关系2/2/202436关宝树2、恣意材龄的抗压强度发现性核对

喷混凝土恣意材龄的抗压强度发现性核对可按下式进展。γcfck/fSC≤1式中：γc：平安系数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平安系数，可按下式求出。γc＝100/1001.645VV是喷混凝土抗压强度的变动系数〔％〕。普通说喷混凝土抗压强度的变动符合正态分布，因此按上式核对得到的抗压强度会低于要求值。建议按11.5％思索。2/2/202437关宝树根据新规范，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思索平安系数的目的强度6.222.22/2/202438关宝树以下图是试算结果。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

2/2/202439关宝树虽然，提出来喷混凝土性能设计的原那么方法，但在运用上，还存在一些问题。实践上，目前都是按照对喷混凝土性能的要求，来进展配比设计，使之可以满足其性能的要求。2/2/202440关宝树六、新的放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放射系统。这些系统包括：1、运用浆状速凝剂的系统；2、低碱性速凝剂的放射系统；3、回转力方式的放射系统；4、离心力方式的放射系统。2/2/202441关宝树1、运用浆状速凝剂的系统；

此放射系统，是采用公用的粉体速凝剂，在添加到混凝土中之前使之成浆状的放射系统，由于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，可以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。·可以获得良好的附着、速凝特性和强度发现特性；·可以降低粉尘的发生，改善了作业环境〔图1〕；·提高了混凝土和速凝剂的混合性，质量稳定；·可以降低混凝土的回弹率，减少施工期间和本钱；·可以顺应采用普通粉体速凝剂的放射系统。2/2/202442关宝树图1粉尘浓度测定结果例2/2/202443关宝树运用浆状速凝剂的放射系统概略示于图2。图中表示出比过去粉体速凝剂放射系统添加大机器、设备。即追加了粉体速凝剂浆化的水流量计及其控制盘，调整混凝土紧缩空气量的空气流量计和调整阀等。2/2/202444关宝树2/2/202445关宝树2、低碱性速凝剂的放射系统

1970年～1980年间液体速凝剂多运用硫酸盐系〔pH12以上〕的产品，但因碱性高，从放射作业时对人体的危险性和长期强度的降低观念出发，如今几乎没有运用了。替代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，而得到运用。本系统与过去系统比较，有以下专长。·发生的粉尘极少，可改善作业环境；·可以降低回弹；·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；·外表光滑。2/2/202446关宝树2/2/202447关宝树用泵压送混凝土到喷嘴，在液体速凝剂公用喷嘴内用比较少量的气体混合液体速凝剂例示于图。同时用紧缩空气进展放射。需求的紧缩空气量比粉体速凝剂，少得多，因此紧缩空气机可以小型化。2/2/202448关宝树2/2/202449关宝树3、回转力方式的放射系统

此放射系统，不运用紧缩空气，而利用回转叶轮头的打击力把混凝土投射的施工方式，称为无空气放射机。由于混凝土放射不用紧缩空气，与过去的放射系统比较，发生粉尘少，电力耗费也小。在规范系统中，速凝剂是在按照在喷嘴外部的放射喷嘴喷雾，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专长。·混凝土压送不需求紧缩空气；·省能；·发生粉尘量约1/10;·回弹率约10％；·钢纤维的残存率可以到达90％。2/2/202450关宝树在通常的放射系统中，配合喷嘴的位置，投射混凝土的叶轮头的构造示于图。

2/2/202451关宝树施工时，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的场所，回转数采用2000rpm比较适宜。放射施工性，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