隧道噴混凝土技術(shù)現(xiàn)狀和發(fā)展演示幻燈片

隧道噴混凝土技術(shù)

——現(xiàn)狀和發(fā)展9/1/20231噴混凝土支護，在地下工程中占據(jù)十分重要的位置。這是大家公認的。它不僅是初期支護的主要構(gòu)件，也逐漸成為永久支護的重要構(gòu)件。許多國家都把提高噴混凝土的性能、技術(shù)放在十分重要的位置。日本土木學會2005年公布的“隧道噴混凝土指南”、挪威隧道學會的1999年的“噴混凝土巖石支護”以及歐洲共同體的有關(guān)噴混凝土性能的規(guī)定等，都說明了這個問題的重要性。9/1/20232一、對噴混凝土支護作用的認識噴混凝土是如何發(fā)揮其支護作用的？對此我們必須有一個明確的認識。首先，噴混凝土必須與圍巖密著，與圍巖成為一體才能起支護作用；因此我們要求噴混凝土的一個重要性能，就是與圍巖的附著性，或者說噴混凝土與圍巖的附著強度。這一點在我們的設(shè)計施工中，常常是被忽略了。9/1/20233一、對噴混凝土支護作用的認識其次，隧道開挖后，我們希望能在“最短的”時間內(nèi)，控制住圍巖的松弛或變形，因此，我們要求以“最快的”速度向圍巖噴射混凝土。混凝土的強度是隨時間增長的。要其發(fā)揮支護作用，就必須讓噴混凝土在“短時間”內(nèi)達到一定的強度。也就是說，噴混凝土必須具備在短時間內(nèi)達到一定強度的性能，就是我們所謂的“初期強度”。根據(jù)圍巖條件，噴混凝土的初期強度，有的取3小時強度，有的取24小時的強度。這一點，我們在設(shè)計施工中也被忽略了。9/1/20234一、對噴混凝土支護作用的認識最后，具有一定厚度的噴混凝土層也具有結(jié)構(gòu)作用。噴混凝土的結(jié)構(gòu)作用，是我們在設(shè)計中考慮到主要作用。噴混凝土只有在充分考慮其附著性、初期強度和結(jié)構(gòu)作用的條件下，才能充分發(fā)揮其支護作用。9/1/20235二、噴混凝土的基本性能噴混凝土的基本性能，根據(jù)其功能有兩種考慮。一種是有二次襯砌的場合，一種是無二次襯砌的場合。有二次襯砌的場合僅僅要求滿足安全性能的要求。即應(yīng)具有設(shè)計基準強度、初期強度和彎曲韌性的力學性能。后者是對鋼纖維噴混凝土附加的性能要求無二次襯砌的場合，也就是噴混凝土作為永久支護的場合，除應(yīng)具有上述力學性能外，還要滿足抗裂性、抗剝離性、美觀、及耐久性的要求。

9/1/20236噴混凝土的力學性能

1、設(shè)計基準強度2、初期強度：3、附著強度；9/1/202371、設(shè)計基準強度

噴混凝土不僅是初期支護的一個重要構(gòu)件，也是永久支護的一個重要組成部分。因此在許多國家都規(guī)定噴混凝土的設(shè)計基準強度，采用與襯砌混凝土同等的強度。不僅如此，考慮到材料、配比或者施工機械的技術(shù)進展，噴混凝土穩(wěn)定的高強度已經(jīng)成為可能，因此噴混凝土的設(shè)計基準強度有向高強度方向發(fā)展的趨勢。例如，日本第二東名·名神高速公路，在大斷面隧道中，采用材齡28天的抗壓強度36N/mm2作為設(shè)計基準強度。也有的國家規(guī)定在不良地質(zhì)條件下采用高強度噴混凝土的建議。9/1/20238在一般地質(zhì)條件下的隧道，噴混凝土設(shè)計基準強度采用與襯砌混凝土強度相當?shù)慕ㄗh是可行的。另外應(yīng)該指出，在歐洲一些國家的噴混凝土規(guī)定中，很少有采用小于C25等級的噴混凝土。在不良地質(zhì)條件下的隧道，應(yīng)該提高噴混凝土的強度等級，采用高強度混凝土也是合適的。9/1/20239

噴混凝土抗壓強度劃分

EFNARC的標準

強度劃分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圓柱體試件24283236404448立方體試件303540455055609/1/202310

挪威的標準

噴混凝土抗壓強度劃分

抗壓強度(MPa)C30C35C40C45C50C55立方體試件的最小抗壓強度303540455055取樣試件的最小抗壓強度19.222.425.628.832.035.29/1/2023112、初期強度

一般說，噴混凝土是最先施設(shè)的，都希望它盡快地發(fā)揮作用，這是我們要求噴混凝土具有一定初期強度的目的。設(shè)定噴混凝土初期強度時，應(yīng)考慮隧道開挖條件及隨掌子面進展產(chǎn)生的圍巖動態(tài)，以充分確保掌子面及其附近圍巖的穩(wěn)定，取24小時以內(nèi)的強度為標準。初期強度，應(yīng)根據(jù)圍巖條件和施工條件，可以取24小時以外的強度為標準，有的國家就是以3小時的強度作為基準的。9/1/202312初期強度的設(shè)定值與設(shè)計基準強度一樣，因隧道功能、斷面形狀等構(gòu)造條件、荷載條件及設(shè)計方法等而異。下表是日本各單位的初期強度設(shè)定事例。單位類別材齡3小時抗壓強度（N/mm2）材齡24小時抗壓強度（N/mm2）道路協(xié)會噴混凝土－5鐵道建設(shè)·運輸設(shè)施高品質(zhì)噴混凝土1.58道路公團噴混凝土－5高強度噴混凝土210高強度纖維噴混凝土2109/1/202313歐洲，根據(jù)掌子面的進展，考慮確保掌子面及其附近的圍巖穩(wěn)定的重要性，要求噴混凝土具有圖示的初期強度。9/1/202314J1：（A~B）：適用于干燥圍巖、薄層施工的場合J2：(B~C)：適用于厚層施工和有涌水，受到后續(xù)作業(yè)直接作用的場合J3：(C以上)：只適用于特殊條件的場合（例如，大量涌水的場合）9/1/2023153、附著強度

噴混凝土與圍巖及其它物體的附著，是發(fā)揮噴混凝土支護作用的關(guān)鍵指標。許多國家都有明確的規(guī)定。9/1/202316噴凝土的歐洲標準（EFNARC)G規(guī)定的附著強度如下表所示，通過附著試驗核查。

附著強度最小值（MPa)附著的劃分與混凝土的附著與巖體的附著非結(jié)構(gòu)物0.50.1結(jié)構(gòu)物1.00.5挪威規(guī)定附著強度在0.2～1.8MPa之間。9/1/202317附著強度測定事例巖類等礦物粒子大小附著強度

粗糙面破壞面片巖粘土礦物、綠泥石非常細0.24±0.180.28±0.11云母片巖石英、長石、云母中位0.58±0.190.85±0.35片麻巖（葉狀構(gòu)造）石英、斜長石、云母、角閃石中位0.19±0.050.51±0.11片麻巖（葉狀構(gòu)造）石英、斜長石、云母、角閃石中位1.53±0.281.8砂巖（裂隙多）石英、長石細（1.1）破壞面（1.1）破壞面砂巖石英、長石細1.81.8泥灰?guī)r方解石、粘土礦物細1.491.84石灰?guī)r方解石細1.58±0.121.54±0.30大理巖方解石中位1.38±0.301.52±0.28花崗巖、閃綠巖石英、斜長石、黑云母粗0.34±0.121.12±0.20花崗巖、閃綠巖石英、斜長石、黑云母中位1.04±0.321.40±0.26花崗巖、閃綠巖石英、斜長石。黑云母細～中位1.48±0.451.71±0.14輝綠巖斜長石、輝石細～中位1.56±0.251.7木版－－1.71.7噴混凝土表面－－1.71.79/1/202318三、控制噴混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵控制噴混凝土質(zhì)量的關(guān)鍵有四：1、附著配比；2、回彈率；3、粉塵量；4、噴射工藝；（包括噴射手、噴射機械等）。9/1/2023191、噴射混凝土配比

一般說、噴混凝土配比是按初期強度、設(shè)計基準強度及附著強度等，通過試驗確定的。但對工程來說，噴混凝土的附著配比是最有意義的。附著配比指的是：噴混凝土噴射后附著在圍巖上的配比。它與噴射配比、噴射工藝以及噴射工的技術(shù)熟練程度有直接的關(guān)系，不容忽視。下表是歐洲的一個標準。噴射后噴混凝土強度（附著配比）C30C35C40C45C50C55噴射前噴混凝土強度（噴射配比）C38C43C48C54C60C659/1/2023202、回彈率及粉塵濃度回彈意味著粗骨料的損失，而粉塵則意味著微細顆粒的損失。這兩者對附著的噴混凝土質(zhì)量，具有重要的影響。因此，噴射施工中，如何控制回彈和減少粉塵的發(fā)生是很重要的課題。也是確保噴混凝土質(zhì)量的重要課題。在質(zhì)量控制中，有的國家規(guī)定：回彈不能大于20％，粉塵濃度不能大于5mg/m3，否則，就是不合格。9/1/2023213、噴射機械

噴射機械的性能和能力是減少噴混凝土質(zhì)量離散性的重要保證。特別是，在大斷面隧道中，一次噴射混凝土的數(shù)量有所增加，同時為了縮短噴射時間，采用大容量，高性能的噴射機械，已是大勢所趨。因此許多國家都規(guī)定了噴射機的要求性能。如單位時間的噴射量等。有的更明確規(guī)定，噴射機的生產(chǎn)效率應(yīng)在10m3/h以上。許多施工單位也都認識到這一點，開始采用大容量的噴射機，是非常英明的決策。日本在大斷面隧道施工中，規(guī)定至少配備2臺20m3/h的噴射機。9/1/2023224、噴射工藝大家知道，噴混凝土噴射工藝，基本上分為2種。即：干噴和濕噴。在一般情況下，都建議采用濕噴，這是合適的。但有些情況，采用干噴更為有利。因此，國外的噴射機械都向著干噴、濕噴兩用方向發(fā)展。因此，在施工中，排斥干噴是不合適的。干噴混凝土的初期強度比濕噴混凝土發(fā)現(xiàn)快是一大優(yōu)點，要充分利用之。9/1/202323四、大斷面隧道的噴混凝土技術(shù)在大斷面的條件下，隧道支護結(jié)構(gòu)需要加強。加強的途徑有二。其一是改變過去采用的支護結(jié)構(gòu)參數(shù)，如增加噴混凝土厚度，加密鋼支撐間距等；這是我們目前采用的主要方法。另一個方法就是改變材料的規(guī)格，例如高強度噴混凝土、高承載力錨桿等。第1種方法的后果，就是：加大了開挖斷面積，這也是在同樣凈空斷面積的條件下，我們的開挖斷面積比較大的原因之一。第2種方法，是其他國家采用的主要方法。結(jié)果不僅提高了支護結(jié)構(gòu)的效果，也縮短了作業(yè)的時間。9/1/202324日本第二東名高速公路隧道事例凈空斷面積：約150㎡開挖斷面積：最大200㎡采用高強噴混凝土：比采用普通噴混凝土的厚度，減少3％；錨桿采用高強錨桿（設(shè)計承載力28kN)，錨桿數(shù)量減少30％；采用高規(guī)格鋼支撐（HH－154）；二次襯砌采用高強噴混凝土，設(shè)計厚度減少10cm不設(shè)變形富余量。9/1/202325主要研究高強度噴混凝土和鋼纖維噴混凝土。高強度噴混凝土要求的強度列于下表。種類要求強度（MPa）目標強度3小時1天28天28天高強度2以上10以上36以上50以上一般強度－5以上18以上－9/1/202326高強度噴混凝土的標準配比列于下表要求強度（MPa）塌落度（cm）粗骨料最大尺寸（mm）單位水泥用量（kg）單位速凝劑對水泥的用量（％）見上表1810450109/1/202327在大斷面隧道中，為了縮短噴混凝土的作業(yè)時間和以最短時間噴射全周邊的混凝土，必須采用多臺大容量的噴射機械。9/1/2023289/1/202329五、噴混凝土性能核查方法

核查噴混凝土性能時，首先要設(shè)定噴混凝土應(yīng)具有的性能。噴混凝土施工最重要一點是噴射的混凝土在施工中不剝落，而保持與附著面密著的狀態(tài)。同時噴混凝土施工后，要求能夠立即；支持圍巖的結(jié)構(gòu)功能，所以與通常的混凝土不同，不僅需要管理28天的強度，還要管理3小時、24小時的初期強度。因此噴混凝土的性能科定義為：附著性能和任意材齡的抗壓強度發(fā)現(xiàn)性能。9/1/2023301、附著性能的核查

a）附著的噴混凝土不剝落的條件為了核查噴混凝土的附著性能，要定量地研究附著在圍巖上的噴混凝土不剝落的條件。首先我們考察噴混凝土與圍巖的附著。圍巖表面的狀態(tài)，由于施工現(xiàn)場而不同，如果要保持圍巖無涌水、不剝落的狀態(tài)，噴混凝土與圍巖的附著強度必須大于噴混凝土自身的抗拉強度。因此，噴混凝土的剝落，可認為是由噴混凝土自重引起的拉應(yīng)力大于抗拉強度所致。一般說，噴混凝土拉應(yīng)力的最大值多出現(xiàn)在拱頂處，因此，噴混凝土附著性能的核查，采用圖15的模式，只考慮拱頂就可以了。9/1/202331圖15拱頂處噴混凝土的模式圖噴混凝土施工中，其厚度是隨時間而增加大，因此，其拉應(yīng)力也隨著增加。

9/1/202332設(shè)噴混凝土厚度為d，則產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力為σt等于σt＝ρGd式中：σt：最大拉應(yīng)力（MPa）ρ:噴混凝土密度（kg/m3）G：重力加速度（m/s2）d：噴混凝土厚度（m）這樣，噴混凝土總噴射過程中不剝落的條件是γσt/ft≤1式中γ：有關(guān)噴混凝土抗拉強度預(yù)測值精度的系數(shù)σt：拉應(yīng)力的最大值（MPa）ft：噴混凝土抗拉強度預(yù)測值（MPa）問題在于噴混凝土抗拉強度的預(yù)測值。9/1/202333

下表是試算式設(shè)定的條件。隧道斷面采用雙車道公路隧道斷面。施工條件項目設(shè)定值項目設(shè)定值隧道上半斷面半徑r5m掘進長度L1m設(shè)計噴射厚度d25cm吐出量16m3/h9/1/202334

配比條件速凝劑種類混凝土水灰比(%)速凝劑添加率(%)P145.63.5，5.0，6.556.94.9，7.0，9.1P245.67.0，10.0，13.056.9L45.66.3，9.0．11.79/1/202335

試算的結(jié)果。

各種速凝劑條件下，抗拉強度與拉應(yīng)力的關(guān)系9/1/2023362、任意材齡的抗壓強度發(fā)現(xiàn)性核查

噴混凝土任意材齡的抗壓強度發(fā)現(xiàn)性核查可按下式進行。γcfck/fSC≤1式中：γc：安全系數(shù)fck：材齡T的噴混凝土抗壓強度設(shè)定值fSC：材齡T的噴混凝土抗壓強度預(yù)測值表達抗壓強度預(yù)測值精度到安全系數(shù)，可按下式求出。γc＝100/1001.645VV是噴混凝土抗壓強度的變動系數(shù)（％）。一般說噴混凝土抗壓強度的變動符合正態(tài)分布，因此按上式核查得到的抗壓強度會低于要求值。建議按11.5％考慮。9/1/202337根據(jù)新規(guī)范，設(shè)定的材齡及抗壓強度列于表14。表14設(shè)定的材齡和抗壓強度（MPa）材齡T24小時28天抗壓強度設(shè)定值5.018.0考慮安全系數(shù)的目標強度6.222.29/1/202338下圖是試算結(jié)果。各種速凝劑條件下抗壓強度的歷時變化及抗壓強度的設(shè)定值

9/1/202339雖然，提出來噴混凝土性能設(shè)計的原則方法，但在應(yīng)用上，還存在一些問題。實際上，目前都是按照對噴混凝土性能的要求，來進行配比設(shè)計，使之能夠滿足其性能的要求。9/1/202340六、新的噴射系統(tǒng)為了滿足噴混凝土性能的要求，目前開發(fā)了一些新的噴射系統(tǒng)。這些系統(tǒng)包括：1、使用漿狀速凝劑的系統(tǒng)；2、低堿性速凝劑的噴射系統(tǒng)；3、回轉(zhuǎn)力方式的噴射系統(tǒng)；4、離心力方式的噴射系統(tǒng)。9/1/2023411、使用漿狀速凝劑的系統(tǒng)；

此噴射系統(tǒng)，是采用專用的粉體速凝劑，在添加到混凝土中之前使之成漿狀的噴射系統(tǒng)，因為速凝劑是漿狀添加的，不僅降低了粉塵的發(fā)生，也改善了與混凝土的混合性，能夠獲得降低回彈率和良好的強度特性。本系統(tǒng)與過去的系統(tǒng)比較，具有以下特點。·能夠獲得良好的附著、速凝特性和強度發(fā)現(xiàn)特性；·能夠降低粉塵的發(fā)生，改善了作業(yè)環(huán)境（圖1）；·提高了混凝土和速凝劑的混合性，品質(zhì)穩(wěn)定；·能夠降低混凝土的回彈率，減少施工期間和成本；·能夠適應(yīng)采用一般粉體速凝劑的噴射系統(tǒng)。9/1/202342

圖1粉塵濃度測定結(jié)果例9/1/202343使用漿狀速凝劑的噴射系統(tǒng)概況示于圖2。圖中表示出比過去粉體速凝劑噴射系統(tǒng)增加大機器、設(shè)備。即追加了粉體速凝劑漿化的水流量計及其控制盤，調(diào)整混凝土壓縮空氣量的空氣流量計和調(diào)整閥等。9/1/2023449/1/2023452、低堿性速凝劑的噴射系統(tǒng)

1970年～1980年間液體速凝劑多使用硫酸鹽系（pH12以上）的產(chǎn)品，但因堿性高，從噴射作業(yè)時對人體的危險性和長期強度的降低觀點出發(fā)，現(xiàn)在幾乎沒有使用了。代替的是水溶性的硫酸鹽系（低堿性，pH2～4），沒有使皮膚燒傷的危險，強度也能穩(wěn)定的發(fā)現(xiàn)，而得到應(yīng)用。本系統(tǒng)與過去系統(tǒng)比較，有以下特長?！ぐl(fā)生的粉塵極少，可改善作業(yè)環(huán)境；·能夠降低回彈；·由于是弱堿性，對人體和環(huán)境影響?。弧炷灵L期強度影響?。弧け砻婀饣?。9/1/2023469/1/202347用泵壓送混凝土到噴嘴，在液體速凝劑專用噴嘴內(nèi)用比較少量的氣體混合液體速凝劑例示于圖。同時用壓縮空氣進行噴射。需要的壓縮空氣量比粉體速凝劑，少得多，因此壓縮空氣機可以小型化。9/1/2023489/1/2023493、回轉(zhuǎn)力方式的噴射系統(tǒng)

此噴射系統(tǒng)，不使用壓縮空氣，而利用回轉(zhuǎn)葉輪頭的打擊力把混凝土投射的施工方式，稱為無空氣噴射機。因為混凝土噴射不用壓縮空氣，與過去的噴射系統(tǒng)比較，發(fā)生粉塵少，電力消耗也小。在標準系統(tǒng)中，速凝劑是在按照在噴嘴外部的噴射噴嘴噴霧，添加到投射中的混凝土中。本系統(tǒng)與過去的系統(tǒng)比較有以下特長?！せ炷翂核筒恍枰獕嚎s空氣；·省能；·發(fā)生粉塵量約1/10;·回彈率約10％；·鋼纖維的殘存率能夠達到90％。9/1/202350在通常的噴射系統(tǒng)中，配合噴嘴的位置，投射混凝土的葉輪頭的構(gòu)造示于圖。

9/1/202351施工時，由于葉輪頭的回轉(zhuǎn)（打擊投射）而吐出混凝土，視回轉(zhuǎn)數(shù)，左右著噴混凝土的附著性及回彈。到目前為止，吐出量12m3/h的場合，回轉(zhuǎn)數(shù)采用2000rpm比較合適。噴射施工性，與采用粉體速凝劑比較，發(fā)生粉塵少、回彈率也小，此外強度特性等與采用液