1、高原多年冻土区隧道湿喷混凝土施工技术摘 要 本文就湿喷混凝土在高原多年冻土隧道中的可行性进行探讨，通过试验研究和实际施工应用，证明了湿喷混凝土支护在高原多年冻土区隧道施工中是可行的。关键词 高原多年冻土 隧道 湿喷混凝土 配合比设计 施工技术 质量控制1 前言由中铁五局集团承建的青藏铁路昆仑山隧道，起止里程DK976+250DK977+936，全长1686m，海拔 4600m4800m，是目前世界上高原多年冻土区第一长隧道。它地处青藏高原连续多年冻土区，地质构造复杂，节理裂隙非常发育，结构破碎，主要为 级围岩。隧道进口分布有 1.8m 左右厚的饱冰冻土，其余为少冰、多冰冻土。多年冻土下限在隧道
2、中部 DK977+000DK977+500段接近隧底，下限以下的融区内分布有基岩裂隙水，隧道正常涌水量为222.55m3/d，最大涌水量为445.10m3/d。隧道所处地区年平均气温-3.6-5.2 ，极端最低气温 -37.7，最冷月平均气温-16.7。昆仑山隧道独特的地理位置、严酷的自然环境、复杂的地质条件及国内外高原多年冻土隧道工程实践的缺乏，使施工面临前所未有的困难。在多年冻土隧道施工中采用何种合理的支护形式一直是专家讨论的难题。采用湿喷混凝土支护，能否与冻土围岩粘结牢固，能否保证混凝土的质量，在国内尚无成功的经验，许多专家持怀疑态度。所以在原设计中未采用湿喷混凝土支护，而是直接采用模筑
3、混凝土支护结构形式。模筑混凝土施工工序较为复杂，施工时间较长，使得开挖后的冻土暴露时间过长，易产生融坍，造成质量隐患。在昆仑山隧道工期十分紧迫，围岩非常破碎，且存在冻土因开挖暴露时间过长而产生融坍的情况下，采取何种支护结构形式及时对冻土围岩进行封闭，并确保足够的支护强度，是事关昆仑山隧道施工安全、质量、工期和效益的重要环节。为此，我们经过大量的室-内试验和现场试验研究，复配了适宜的外加剂，优选了适合的外掺料，确定了合理的施工工艺，成功地解决了这一世界性的难题，证实了湿喷混凝土作为临时支护在高原多年冻土区隧道施工中的可行性，并将这一成果应用于施工实践，取得了很好的效果。2 喷射混凝土及其作用2.
4、1 喷射混凝土的定义喷射混凝土是将具有速凝性质的混凝土拌和物，借助喷射机械和压缩空气等动力，通过管道输送并高速喷射到施工受喷面上，迅速形成具有一定强度的混凝土。2.2 喷射混凝土的主要作用（1）填充出露的节理和裂隙，提高围岩整体的强度和稳定性；（2）通过接触面的附着力和剪力，传递岩石松散带的荷载到相邻稳定岩体；（3）当喷射混凝土与岩石间粘接力较低时，连续的混凝土层可起到耐张拉、耐弯曲膜的作用；（4）及时封闭冻土岩面，减少冻土与空气的热交换，从而防止因暴露时间过长引起的融坍。3 喷射混凝土对原材料的质量要求3.1 水泥宜采用强度等级不低于 32.5R 的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥。通过对比试验，
5、采用祁连山牌 32.5R 普通硅酸盐水泥。3.2 砂子使用细度模数大于 2.50 的坚硬洁净的中粗河砂。通过对比试验，选用了三岔河砂场的河砂。3.3 石子 使用经硫酸盐溶液浸泡试验循环5 次，其重量损失10%且最大粒径15mm 的碎石或卵石，经对比试验，选用西大滩石场生产的花岗岩碎石。3.4 防冻剂 防冻剂是指在规定条件下，能显著降低混凝土液相冰点，使混凝土内部溶液不结冰或部分冻结，从而保证水泥的水化作用，并在一定时间内获得预期强度的外加剂。选择与水泥和速凝剂相容性好的防冻剂复合使用，可以改善喷混凝土的工艺性能，提高喷混凝土的早期强度，并能保证在规定时间内获得足够的抗冻临界强度，确保混凝土不受
6、冻害。为此，我们选用了 A、B 、C 、D 四个品种的防冻剂进行对比试验，根据试验结果分析，再经经济技术比较后选用 A 品种防冻剂，该防冻剂的基本性能指标见表1。表 1 A 防冻剂基本性能指标性能指标试验项目 标准要求 试验结果减水率（%）不小于 8 1020泌水率（%）不大于 100 91初凝 -35+40凝结时间差（ min）终凝-120+120 -30+50温度范围 -5-15 -5-15R28 9590 115105R-7+28 9585 115110抗压强度比（%）不小于 R-7+56 100 13011590 天收缩率比（ %）不大于 120 7392渗水高度比（ %）不大于 10
7、0 4553300 次冻融损失性能指标（%）不大于100 6085耐 SO4-2 侵蚀能力（mg/l） 4000 极限可达5000对钢筋锈蚀作用 无 无Cl-1 渗透性能不大于（库仑） 10007901000抗裂性能，不大于（kg/m 3） 0.50.090.22与水泥及速凝剂的适应性可与祁连山牌32.5R 普硅水泥和D液体速凝剂匹配使用3.5 速凝剂 速凝剂是指掺用后能使混凝土迅速硬化的一种外加剂。使用速凝剂的主要目的是使喷射混凝土速凝硬化，减少回弹损失，防止喷射混凝土因重力作用引起脱落，提高它在潮湿或含水岩层中使用的适应性能，以及可适当加大一次喷射厚度和缩短喷射层间的间隔时间。在昆仑山隧道
8、施工中，选用何种速凝剂非常关键。众所周知，目前所使用的成品速凝剂经试验证明，温度为 1025时，对凝结时间影响不大；温度低于 10时则凝结时间明显延长；在 5以下一般不宜施工；当温度低于 0时应停止施工。因此，施工中必须要解决速凝剂在低温下能有效使用的问题。为此我们选择了A、B 、C、D 四种液体速凝剂与A、B、C 、 D 四种防冻剂进行复合使用试验，经试验选择 D液体速凝剂加热至 40与 A 防冻剂复合使用能满足喷射混凝土对速凝剂的以下要求：（1）混凝土混合物喷射至岩面上后其初凝时间在 3min 以内，终凝时间在 12min 以内；（2）碱性小，粉尘小，且对人体腐蚀性小；（3）早期强度高，后
9、期强度与空白混凝土比，损失不超过 30%，8h 后的强度不小于 0.3MPa；（4）一次喷射厚度较大，回弹率小；（5）在低温下使用不失效；（6）混凝土硬化过程体积变化小；（7）对钢筋无锈蚀作用。D液体速凝剂的主要性能指标见表 2。表 2 D液体速凝剂主要性能指标主要指标初凝时间终凝时间R1(MPa)28 天抗压强度比（% ）细度筛余（%）含水率（ %）标准要求3min10min 8 75 15 2试验结果2min30s10min 11.5 91 9.8 1.13.6 复合材料 因为是在冻土围岩上进行喷射施工，为增加喷射混凝土与围岩的粘接强度，必要时考虑在喷射混凝土中掺加增强纤维材料，通过试验和
10、经济技术比较，选用聚丙烯纤维网。4 配合比试验4.1 设计原则喷射混凝土的配合比设计必须满足下列要求：（1）满足强度及其它物理性能的设计要求；（2）与基材、钢筋等有良好的粘聚性，混凝土密实性高；（3）48h 后强度应具有能控制地层变形的能力；（4）必须能向上喷射到指定的厚度，且回弹损失小；（5）有良好的耐久性；（6）扬尘少；（7）施工顺利，不发生管道堵塞或喷射面流淌坍落。4.2 主要参数选择4.2.1 胶骨比水泥与粗细骨料之比为胶骨比。由于喷射混凝土要求速凝、早强，并存在 28 天强度损失及施工作业的特殊性，一般不采用普通混凝土强度设计计算公式，而由经验与试验确定。常用胶骨比为水泥:骨料在 1
11、:4.04.5。水泥用量过少，则回弹量大，早期强度增长慢；水泥用量过大，则经济效益下降，扬尘大，混凝土收缩增大，每立方米混凝土水泥用量通常以375400kg 为宜。但在高原多年冻土中进行喷射混凝土施工有别于一般地区，水泥用量过少，不能满足早期强度要求，特别是难以达到抗冻临界强度的要求，为此我们通过大量的室内和现场试验确定了胶骨比为水泥:骨料=1:3.4，水泥用量在 470480kg/m3 之间。4.2.2 砂率砂子在整个骨料中所占百分率称为砂率。砂率的选择将直接影响喷射混凝土的施工性能及力学性能。较小的砂率使喷射混凝土的水泥用量少，强度高，收缩小。较大的砂率有利于吸收二次喷射时的冲击能，回弹小
12、，但强度偏低，收缩大。综合权衡砂率大小所带来的利弊，经过试验确定砂率为 60%。4.2.3 水灰比和用水量水灰比是影响喷射混凝土强度的主要因素。当水灰比为 0.2 时，水泥不能获得足够的水分与其水化，硬化后有一部分未水化的水泥质点。当水灰比为 0.4 时，水泥有适宜的水分与其水化，硬化后形成致密的水泥石结构。当水灰比为 0.6 时，过量多余的水蒸发后，在水泥石中形成毛细孔。如图 1 所示。当水灰比适宜时，喷射混凝土表面平整，呈水亮光泽，粉尘和回弹均较少。试验表明，适宜的水灰比值为 0.40.5，如偏离这一范围，不仅降低喷射混凝土强度（如图 2） ，也要增加回弹损失（如图 3） 。通过试验确定水
13、灰比为 0.42 及 0.47。图 1 不同水灰比对水泥石结构的影响图 2 水灰比对强度的影响图 3 水灰比对回弹的影响4.3 配合比确定根据所确定的基本参数，采用正交设计初步配合比，再对凝结时间、强度、耐久性等指标进行试验确定其施工配合比为：（1）C:S:G:A:D=1:2.01:1.34:0.018:0.04，w/c=0.42（2）C:S:G:A:D:聚丙烯纤维网=1:2.01:1.34:0.018:0.04:0.0032 W/C=0.47其试验结果见表 3。表 3 配合比试验结果配 合 比 初 凝 2min30s 2min25s凝 结 时间 终 凝 11min26s11min15s8h
14、1.6 1.71d 3.3 3.83d 6.1 5.37d 8.9 10.6强 度（ MPa）28d 30.2 31.5水/水泥0.2 水/水泥0.4 水/水泥0.6水水泥颗粒未水化的水泥质点毛细孔100806040 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 水灰比混凝土抗压强度 （%）1008060402000.3 0.4 0.5 0.6 0.70.2水灰比回弹率 （%）3d 11.3 13.87d 19.3 21.2大 板 强度（ MPa） 28d 38.0 40.428 天 岩 芯 强 度（ MPa） 25.7 28.528 天 粘 结 强 度（ MPa） 1.53 1.72备 注
15、环 境 温 度 -130水 泥 、 防 冻 剂 为 正 温砂 子 加 热 温 度 25水 温 50速 凝 剂 温 度 40最 终 拌 合 物 温 度 10抗 渗 等 级 S125 喷射施工5.1 喷射机械由于高原地区缺氧、低压，使机械设备的效率下降，因此，采用一般的喷射机械无法满足施工要求。为此，我们选用中铁西南研究院生产的改进型 TK-961 湿喷机。该机的主要特点是能在高寒缺氧情况下，实现低温启动，效率不下降，速凝剂计量添表 4 TK-961 湿喷机主要技术性能指标项目 指标生产率（m 3/h） 45骨料最大粒径（mm） 15液体速凝剂掺量 07%输料管内径(mm) 51适用混凝土 塑性混
16、凝土，坍落度 80150mm工作风压(MPa) 0.30.7耗风量(m3/min) 10最大输送距离（m）水平：30，垂直：20机旁粉尘（mg/m 3） 10回弹 平均水平20%加系统能自动加热，并且健康、安全。主要技术性能指标如表 4。5.2 喷射工艺在高原多年冻土隧道中，湿喷混凝土施工应充分考虑“以人为本” ，组成从搅拌站输送车湿喷机的机械化流水作业线。其工艺流程见图 4。图 4 湿喷工艺流程图5.3 喷射施工5.3.1 施工准备（1）原材料方面，备足经检验合格的各种原材料、液体速凝剂和防冻剂。（2）机械及管路方面，喷射机、搅拌站、空压机、混凝土运输车等机械设备运转必须正常。风、水、电及输
17、料管路接头要保持良好，不漏风、漏水、漏电。（3）其它方面，检查开挖面，欠挖处要补凿够，敲帮找顶，清除浮石和墙脚的岩碴、堆积物；用高压风清扫岩面；对裂隙水先进行处理；遇到输送车空压机速凝剂自动加热粗骨料（不含冰块、积雪） 细骨料（采用地炉加热）水泥（保温棚内储存）水（采用电、煤或燃油锅炉加热）搅 拌 机湿喷机喷 嘴受 喷 面不良地质应先打锚杆、挂钢筋网、支格栅钢架等进行加固；对设计或施工要求的预埋件要准确安装；搭好操作平台，埋设测量喷射厚度的标志等。（4）照明和通风设备也应准备齐全并试运行证明正常可用。5.3.2 喷射作业（1）喷射作业分区段进行，逐步推进，先墙后拱，自下而上。如岩面凹凸不平，应
18、先将凹处找平，然后向上喷射。喷嘴与受喷面的距离应控制在 0.81.0m 之间，喷嘴垂直于受喷面作螺旋形轨迹移动。（2）喷射时要随时注意风压，保持系统风压0.5MPa，喷嘴处保持0.3MPa 左右的工作风压。（3）喷射厚度以保证喷射混凝土不滑移、不坠落为前提。既不能因喷射太厚而影响喷射混凝土的凝聚力和粘结力，又不能因喷层太薄而增加回弹量。施工中一次喷射厚度向下喷射时达 150 mm，水平喷射达 100mm，而向上喷射达 70mm。5.3.3 喷射混凝土的拌制由于气候寒冷，即使是在暖季施工，洞内气温均在 0左右，要保证喷射混凝土的质量，就必须保证混凝土到达喷射机后有一定的温度，但过高的温度又可能引
19、起冻土融坍。因此，喷射混凝土拌合物的温度必须严格控制，要求暖季施工出机温度控制在10左右，而寒季施工的出机温度应控制在 1317。（1）原材料温度控制暖季施工砂、石料不需加热，水温用锅炉加热到 35即可，速凝剂加热到 40，防冻剂和水泥储存在保温库房内，保证正温使用，确保拌合物到达喷射机时的温度10。寒季施工，砂、石料采用地炉加热，加热温度控制在 1630范围内，水采用锅炉加热，加热温度控制在5070范围内，速凝剂加热到 45，这样可以确保拌合物到达喷射机后的温度10。（2）搅拌时间控制搅拌时间比内地应适当延长，一般控制在 3min。（3）坍落度控制混凝土出机坍落度控制在160170mm 之间
20、。6 施工质量检查与控制6.1 原材料质量检查每批材料进场后，必须进行质量检查，合格后方可使用。6.2 配合比和拌合物的检查每一工作班设专人检查配合比，严格按配合比施工。检查拌合物的均匀性和坍落度及出机温度，严禁不合格的喷射混凝土拌合物运往喷射现场。6.3 强度检查每一工作班做检查试件一组，每喷射 20m 制取喷射大板试件一组，同时钻取芯样试件一组，然后按锚杆喷射混凝土施工支护技术规范（GB50086-2001）进行检查、验收。6.4 喷射厚度和回弹量检查（1）喷射厚度主要加强施工控制，一次喷射到预埋喷射厚度标识处。（2）回弹量主要通过加强喷射作业来控制，通过检查，回弹量边墙控制在 515%内
21、，拱部控制在 1020%以内。7 结语在气温较低的条件下，喷混凝土存在的主要困难：第一是成品速凝剂难以在低温下正常使用；第二是喷射管可能受冻、堵塞；第三是围岩面温度低，喷混凝土难以粘结牢固；第四，为获得较高的早期强度，混凝土到达喷射面后温度过高会引起冻土围岩融坍。在以往无施工实践的情况下，我们通过对防冻剂、速凝剂的复配试验研究，现场试验制订出了合理的施工工艺，对原材料包括速凝剂进行加热使用，严格控制喷射混凝土拌合物到达喷射面的温度，取得了成功，解决了这一世界性的难题，为在高原多年冻土区隧道进行湿喷混凝土施工积累了经验，填补了这方面研究的空白。参考文献1 冯乃谦等，实用混凝土大全，科学出版社，2001。2 铁道部第二工程局，铁路工程施工技术手册隧道，中国铁道出版社，1995。3 项玉璞、曹继文等，冬期施工手册，中国建筑工业出版社，1999。
