李欣 丁亚辉 吴震 靳万博

中交二公局第二工程有限公司

摘 要： 通过玄武岩机制砂喷射混凝土配合比设计及现场湿喷施工工艺参数、技术总结，优化调整。为隧道生产提供技术支撑，保证施工质量、提高施工效率的同时，节约成本。

关键词： 湿喷混凝土;配合比设计;玄武岩机制砂;湿喷工艺;

随着国家安全环保，青山绿水政策的实施，江砂河砂禁止开产，故机制砂后续进入施工现场。而机制砂的级配和细度不易控制，石粉含量超标，拌制的混凝土和易性、流动性、工作性能较河砂差。一直是一个普遍性的技术问题。本文将着重分析探讨玄武岩隧道母岩生产的机制砂、碎石在喷射混凝土配合比设计中的应用。

1 隧道喷射混凝土的作用

隧道喷射混凝土要在开挖围岩基本稳定之后，及时喷护，以保证围岩整体结构稳定。防止围岩风化、掉块、变形、挤出等作用与围岩形成一体共同抵抗压力。

(1)支撑作用:发挥混凝土抗压强度高的特点，控制围岩局部变形、掉块、防止坍塌，是隧道安全的核心。

(2)填充作用:由于隧道围岩地质随进尺变化多样，喷射混凝土可以填充其节理裂隙坑洞，防止外部水渗入，使其整体受力，提高围严强度。

(3)封堵作用:可以在较短的时间内，密封岩层，使其与空气和水隔离，降低围岩二次风化。初喷平整度好，有利于防水材料铺设及防水系统实施控制。

(4)联合作用:可以利用自身强度，结合锚杆，钢拱架，围岩共同受力，抵抗外部压力。

2 玄武岩机制砂石混凝土配合比的特点

(1)本项目由于地处半山腰，施工场地少，物资原材料匮乏，进场运距长，费用贵。结合实际情况，前期策划使用隧道玄武岩石渣进行，粗细集料加工。既保护环境，又节约成本，达到双赢。但是实际情况与预期还是有些差距的，玄武岩“很特别、不合群、很难搞”经过大量的试验，整改、调试，驯服其性能保证喷射混凝土顺利施工。

现场原材料的特点:

(1)粗细集料的母岩为玄武岩和灰绿岩结合体，隧道母岩随着进尺，石质变化明显，不稳定，个别地段，还带有夹层，有红黏泥石和斜绿泥石，明显的红色、绿色石头。对减水剂吸附性大，混凝土坍落度损失快，严重影响混凝土施工性能。给我们配合比设计带来很大的难题，还多次邀请同济大学教授实地指导和培训学习。

(2)石质强度高，致密，生产加工难度大，不易破碎，生产的碎石针片状多，机制砂1.18～2.36mm筛超范围，级配较差，细度模数大，偏粗。致使喷射混凝土和易性差，泵送性差。粗集料4.75～9.5mm中2.36mm碎石较多，级配断档。生产料场料堆过高，导致集料颗粒离析，不均匀，不利于湿喷混凝土施工。图1各种规格的集料未整改前的，颗粒组成，针片多，级配不好。表1中可以看出未整改前玄武岩机制砂的，筛分结果，2.36mm、1.18mm累计筛余量超出规定范围，0.15mm累计筛余不在规定区间内，级配不好，砂子偏粗，不利于施工。

图1 颗粒组成，针片多，级配不好 *载下**原图

表1 机制砂筛分情况 *载下**原图

(3)隧道渣样里可能含有，未消耗的*药炸**、速凝剂等化学物质，吸附减水剂，致使混凝土中减水剂掺量增加，成本增加，混凝土坍落度损失较快，不利于施工。

(4)岩石母材致密，表面光，表观密度大，混凝土中的碎石不宜挂浆，包裹性差，坍落度稍大粗集料容易下沉，导致浆体分离，坍落度稍小，粘性较大，泵送性能差，很容易堵管，影响现场施工。表2自加工玄武岩机制砂、碎石检测参数，堆积密度和表观密度都偏大，石质重，致使混凝土包裹性差，容易产生浆体和骨料分离。图2前期调整时的混凝土状态，骨料致密，表面平整，光亮，不易挂浆，显得混凝土和易性不好，骨料堆积，粘聚性差，不易泵送，泵管摩擦力大，泵压不稳定。图3初始坍落度200mm，半小时后坍落度160mm，损失较大。实测容重与设计容重偏差较大，超方严重。

表2 自加工碎石、机制砂试验检测参数 *载下**原图

图2 混凝土配合比和易性试验 *载下**原图

图3 混凝土坍损试验 *载下**原图

(2)就现在存在的问题，结合实际情况，对粗细集料加工进行系统调整，优化。

(1)对于碎石场加工碎石的母岩，安排专职人员进行检测，观察其颜色的变化，和杂质控制。对不符合要求的渣样，要求其拉到弃渣场，选择稳定的石料进行粗细集料加工。也要求尽量避开回弹的喷射混凝土，细粉及小颗粒含灰尘较多的碎渣。优选较好的大块石质，进行加工。对成品材料加大频率进行检测，对细集料进行二次拌和，做亚甲蓝试验，测其吸附性是否稳定，是否达标，满足施工要求的再运输到拌合站料仓进行喷射混凝土拌和。

(2)和碎石加工场老板进行沟通，要求其对筛网进行更换、调整筛网角度和振动频率。将4.75～9.5mm的碎石二次过筛，筛出4.75以下的颗粒，汇入二次机制砂皮带，进行机制砂的生产。控制机制砂2.36～4.75mm、0.6mm及石粉颗粒含量，控制2.36mm颗粒累计筛余量，控制机制砂的细度模数在2.9以内，放宽石粉含量到10%左右，加一套碎石整形机，提高4.75～9.5mm粗集料的粒型和级配。故达成共识，机制砂采用二次破碎，筛网换成3.0mm，对筛网角度进行多次调整，对粗集料进行整形，更换粗集料筛网，控制2.36～4.75mm颗粒含量。在进料口加了一道出渣口，清除细粉和杂质。降低粗细集料中的软弱有害物质，降低其对减水剂的吸附性，降低减水剂掺量，节约成本。

(3)通过在试验室里，进行配合比试拌、调整、优化。调整减水剂的母液，缓凝，减水率、引气、消泡等参数比例，调节喷射混凝土的和易性和粘聚性。使其在保证强度的前提下，有最优的施工工作性能。

由于现阶段集中开建的项目较多，再加上环保部门的进一步管理，火电厂逐渐减少，致使粉煤灰生产产量降低，云南丽江地区供不应求。故我们采用纯水泥胶材，提高机制砂砂率和放大水胶比进行喷射混凝土调整。通过工作性能、含气量、凝结时间、塌落度损失、泵送性、和标准龄期强度试验的数理统计分析、总结，调整，最终择优选择喷射混凝土配合比。

3 隧道喷射混凝土配合比设计

(1)配合比设计要求:(1)使用部位:隧道初期支护、边坡防护等;(2)设计强度等级为C25;(3)要求坍落度为140～180mm。

(2)使用材料说明:(1)水泥:华润水泥(鹤庆)有限公司，P·O42.5水泥;(2)机制砂:恒源通建材有限公司，砂场，中砂、表观密度ρs=2.996g/cm3，细度模数=2.91;(3)碎石:恒源通建材有限公司，石场，4.75～9.5mm连续级配碎石，表观密度ρg=2.971g/cm3。(4)水:饮用水;(5)速凝剂:苏州弗克技术股份有限公司FOX LC-220速凝剂，掺配比例为胶凝材料用量的6.0%。(6)减水剂:云南石博士新材料有限公司，DS-J2型。掺配比例为胶凝材料用量的1.0%。

(3)配合比设计计算过程

(1)计算配制强度(fcu,o)

(2)确定水胶比W/B

根据GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》，选W/B=0.41。

(3)确定单位用水量(mw0)

根据GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》要求混凝土拌和物坍落度140-180mm，碎石最大公称粒径9.5mm，查JGJ 55-2011《普通混凝土配合比设计规程》表5.2.1-2，确定mw0=260kg/m3。减水剂掺量为1.0%，减水率为28.1%，则mw0=187kg/m3。速凝剂掺量为胶凝材料用量的6.0%。

(4)计算每立方米混凝土胶凝材料用量(mb0)

根据混凝土耐久性及GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》的要求，确定每立方米混凝土水泥用量mc0=456kg/m3。

(5)确定砂率βs

根据GB 50086-2015《岩土锚杆与喷射混凝土支护工程技术规范》，结合实际情况选取βs=48%。

(6)采用质量法mcp=2360kg/m3，确定粗集料(mg0)细集料(ms0)用量

根据:

即:

经计算得:ms0=824kg/m3,mg0=893kg/m3

试验室初步配合比为:水泥:砂:碎石:水:速凝剂=456:824:983:187:4.560:27.36

(4)配合比的试拌、调整、确定

根据混凝土拌合物工作性能、抗压强度结果和施工规范的要求，本试验室选定以下配合比作为C25喷射混凝土配合比，见表3。

表3 C25喷射混凝土配合比 *载下**原图

4 湿喷混凝土施工工艺

(1)玄武岩机制砂混凝土质量控制

(1)混凝土按照配合比集中场拌，提前检测各种原材料各种指标满足规范要求，测定施工砂石含水率，进行施工配合比调控。全自动强制式拌合机搅拌2min，坍落度控制在160～180mm，整体和易性良好，保证不泌浆、不堆堆、粘聚性要好，搅拌混凝土罐车运输。

(2)5min以内，终凝在10min以内。掺量控制在6%，结合实际围岩情况，特殊情况可以微调掺量。

(3)混凝土到现场后，要结合湿喷机泵送压力，和操作手实操效果进行配合比优化微调。坍落度太大，由于玄武岩表面平整、光滑、混凝土与岩层粘不上，容易整体滑移、掉落;坍落度太小，又不易泵送，容易堵管。必须保证混凝土的连续性。所以要综合考虑，及时优化调整，使混凝土处于最佳状态，才能保证施工顺利进行。

(4)每班组要按照规范要求，现场取样做试件，标准养护，检测强度、厚度，保证实体质量。如果强度不达标，要及时分析、调整。

(2)喷射时操作工人的操作方法

(1)在开始喷浆之前，要有经过培训的熟练操作手进行喷浆作业。先对喷浆机进行检查，检查机械设备、风水管、电缆各功能是否正常。拆除作业面障碍物，清除开挖岩面的浮石、泥浆、灰尘渣等沉积物。作业区要有良好的照明和通风装置。

(2)风压要适中，太大，出料大，回弹量就大，风压小，又压不密实，影响强度。一般边墙控制在0.4～0.5MPa，拱部控制在0.5～6.5MPa，喷嘴于岩层距离控制在0.6～1.5m，尽量垂直于岩面。以便获得最好的密实度和最小回弹量。回弹量边墙控制在15%，拱顶控制在25%。保证混凝土的连续性，尽量避免空气进入输送管。

(3)喷射之前要提前做好厚度预埋标记，初期支护厚度一定要控制。应进行分段、分层进行喷射。先把凹陷和较宽的张开裂隙的地方喷平填充，在按照从下往上的顺序往复喷射，要保证整体的平整度小于1/10，如果设计厚度大，可以分层，待第一层终凝后，在按同样的方法，进行第二层喷射，直至达到设计厚度。边墙控制在80～150mm，拱顶控制在60～100mm。在终凝以后要进行洒水养护14d，气温低于5℃不喷水。如果紧跟开挖面工作时，下一循环*破爆**要在喷射混凝土终凝3h后进行。

(3)生产过程中的自然条件影响

(1)围岩变化，等级由高变低，岩层破碎严重，夹层含泥严重、渗漏水等情况。这种情况下，一般就会出现喷射混凝土与岩层黏接力不够，挂不住，在混凝土自重条件下，整体滑落。此种情况就要采取辅助措施，挂网喷射，如果有拱架，要注意拱架背面密实度及平整度，拱架与岩面一定要喷密实，不能出现明显的空洞。保证其厚度符合设计要求。有出水的地方，要看出水量的大小，进行排水处理，引流、堵塞后。在进行初期支护，保证喷射混凝土与围岩的粘结力。要想取得良好的施工效果，就要掌握现场第一手动态资料，水泥性能，速凝剂适应性，隧道进尺围岩特点、出水情况，砂石的级配和粗细程度，混凝土出机的状态等。及时和操作手沟通协调以便及时优化调整。保证工序顺利，施工循环进度。

(2)原材料化学性质发生变化，机制砂细度模数、级配变化、含泥量超标，水泥温度过高，水泥速凝剂相容性变差，导致粘结力低，凝结时间变化，长时间不凝、或瞬间凝结，都不满足施工要求，造成整体掉块、滑移等现象。结合此等问题，我们做了大量的试验工作，调整，优化配合比，调整砂率及外加剂比例掺量，控制现场施工技术参数等手段，把控每一个环节，来保证施工质量。现场喷射混凝土施工有专业试验人员来跟踪，及时调控。

5 结论

通过隧道初期支护首件制，施工工艺总结、分析，掌握了第一手经验值，为后续施工提供宝贵经验，和湿喷车厂家技术人员交流，收益颇丰。后续工作开展顺利。湿喷技术的运用，从根本上解决了粉尘的问题，使喷射混凝土质量得到了有效的控制，实现了机械化作业，工作效率较传统人工潮喷工法提高了很多，施工环境也得到了很大程度的改善。通过玄武岩机制砂喷射混凝土配合比设计及现场湿喷施工工艺参数、技术总结，优化调整。为隧道生产提供技术支撑，保证施工质量、提高施工效率的同时，节约成本。

参考文献

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