鐵路隧道噴射混凝土施工淺見

鐵路隧道噴射混凝土施工淺見摘要：本文通過回顧鐵路隧道噴射混凝土施工的發(fā)展歷史，分析并定義了這種特定情況下噴射混凝土混凝土的高流動性和高粘聚性性能。速凝劑具有個重要作用，分別是：1）使得混凝土快速失去流動性并提高粘聚性，2）縮短下一層噴射等待時間，以及3）盡快提供支護強度。但是混凝土能夠粘附在圍巖表面不能僅僅依靠混凝土速凝劑的作用。據(jù)此更進一步闡述了混凝土性能與噴射機配套選擇的問題，并解釋了施工工藝過程中的關(guān)鍵技術(shù)和控制要點。關(guān)鍵詞：鐵路隧道；噴射混凝土；速凝劑；噴射機；工藝控制1、 鐵路隧道噴射混凝土施工的發(fā)展歷程我國鐵路隧道錨噴支護體系的噴射混凝土施工經(jīng)歷了兩個重要階段，這兩個階段最鮮明的特征在于混凝土進入噴射機時的狀態(tài)是否加水預(yù)拌和。第一個發(fā)展階段，在進入噴射機前，混凝土的所有原材料均是干料（包括速凝劑）。干料在噴射機外經(jīng)過預(yù)拌和，進入噴射機前同灑入的速凝劑混和，通過風(fēng)管輸送到噴嘴處，在噴嘴處與加入的水混和，最后從噴射機噴出并射向圍巖，形成支護用混凝土結(jié)構(gòu)。這個階段，混凝土用水在干料預(yù)拌和后才加入，干物料通過風(fēng)送的方式輸送到噴嘴處。這種噴射施工工藝稱之為干式噴射工藝，簡稱為干噴。第二個發(fā)展階段，混凝土在進入噴射機前，混凝土的所有原材料，包括水一起預(yù)攪拌，然后送入噴射機，通過泵壓或風(fēng)壓輸送到噴嘴處；在那里與所加入的速凝劑混合然后從噴射機噴出，射向圍巖，形成支護用混凝土結(jié)構(gòu)。在這個階段，混凝土用水與其它材料均按模注混凝土的要求，從混凝土拌和站生產(chǎn)，經(jīng)運輸車運送到隧道掌子面完成噴射施工。這種噴射施工工藝稱為濕式噴射工藝，稱稱為濕噴。濕噴工藝中，在噴射機內(nèi)部，無論是泵送還是風(fēng)送，物料均處于濕潤狀態(tài)。在第一個發(fā)展階段和第二個發(fā)展階段之間，還有一個短暫的發(fā)展過程，即潮式噴射工藝。在鐵路隧道施工這個特定的環(huán)境中，干式噴射在空氣中帶來極多的粉塵，嚴重影響工作環(huán)境，極大地損傷工作人員健康。由于當(dāng)初國力不足，資金困難，一時難以采用濕噴工藝。為此，在干噴的前提下，在預(yù)拌和干料前，加入少量的混凝土用水，比如砂子重量的6%?8%的水（約25?35kg/m3），使得砂子處于潮濕狀態(tài)，從而在噴射過程中盡量減少揚塵數(shù)量。我們稱這種噴射施工工藝為潮式噴射工藝，簡稱為潮噴。但從本質(zhì)上來說，這種工藝仍然是干噴工藝（在噴嘴處才會與水拌和）。當(dāng)前流行兩種類型的噴射機，一種是按混凝土泵輸送原理設(shè)計的噴射機（簡稱為泵送式噴射機），一種是從干噴機逐步改造而來的噴射機（簡稱風(fēng)送式噴射機）。兩者最大的區(qū)別是在噴射機中混凝土混合料的輸送方式；前者由混凝土泵輸送混凝土混合料，后者。風(fēng)送式噴射機經(jīng)過了多次改良，配料方式從轉(zhuǎn)子式改良為活塞式，但都是把混凝土混合料配送到風(fēng)管，由壓縮空氣的氣流將物料輸送到噴嘴。在這兩個重要階段，無論是干式噴射工藝還是濕式噴射工藝，在大多數(shù)情況下，混凝土混和料都是通過風(fēng)管輸送到噴射機的噴嘴。在濕式噴射中，仍然從風(fēng)管輸送混凝土混和料，原因是多樣的，其中一個主要原因是我們希望節(jié)省一個機械手和一個混凝土輸送泵，以節(jié)省噴射機的投資。2、 鐵路隧道噴射混凝土的定義在鐵路隧道這一特定的施工環(huán)境中，必須選擇濕噴工藝，經(jīng)過兩個重要的發(fā)展階段，這已成為共識。但是，我們對混凝土的錯誤認識在于，以為它就是加入速凝劑的普通模注混凝土，混凝土噴射到圍巖表面之后，靠速凝劑使之迅速凝結(jié)而粘附在圍巖表面。但事實上，當(dāng)今最好的速凝劑作用于水泥凈漿時的初凝時間和終凝時間也有不高于5分鐘和10分鐘的限制（這是化學(xué)反應(yīng)規(guī)律所決定的），更何況混凝土更有三分之二以上的材料是砂和石，特別是噴射混凝土中，砂的比例更高。因此，若用普通模注混凝土作為噴射混凝土，它的凝結(jié)時間會更長，希望單純使用速凝劑解決混凝土與圍巖之間的粘結(jié)問題是不可能的，要解決這一問題，還得要求混凝土本身具有很強的粘聚性。那么，問題來了，為什么要在噴射混凝土中使用速凝劑呢？混凝土與速凝劑混合后，極快地失去流動性，并且更進一步地提高了粘聚性。這是它的第一個作用。在鐵路隧道這種特定的結(jié)構(gòu)和施工環(huán)境中，要求快速施工噴射混凝土，盡快封閉新暴露在空氣中的圍巖，并且盡早地提供對圍巖的支護。無論混凝土的粘聚性有多高，在它凝結(jié)以前，粘附在圍巖上的厚度總是有限的，不可能達到結(jié)構(gòu)安全設(shè)計要求的厚度。因此，需要分層噴射以防止混凝土脫粘。而速凝劑能縮短混凝土的凝結(jié)時間，也就縮短了分層噴射施工之間的時間間隔，這是它的第二個作用；同時，速凝劑能提高混凝土早期強度，及時地為隧道提供支護所需要的結(jié)構(gòu)，這是它的第三個作用。應(yīng)該注意，當(dāng)前大量應(yīng)用的速凝劑品種是高堿速凝劑，它會嚴重地降低混凝土的后期強度，摻量越多，強度降低越多。在此基礎(chǔ)上，我們已明白，噴射混凝土要粘附在圍巖上，離不開自身的粘聚性以及噴射時的動力。要把混凝土混合料從混凝土運輸車輸送到噴射機、從噴射機入口輸送到噴嘴更要求具有高的流動性。綜上所述，我們可以定義鐵路噴射混凝土應(yīng)該具有高流動性和高粘聚性?？梢杂没炷恋奶涠?、坍落擴展度、壓力泌水率以及T40三項指標(biāo)來表征噴射混凝土的性能。同時，這種混凝土混合料應(yīng)該很容易用手團成團，攤在手心也不會分散，會慢慢地下沉變形?，F(xiàn)在我們把在成貴、廣大、蒙華以及京張項目試驗的經(jīng)驗總結(jié)如下表1①：3鐵路隧道噴射混凝土施工用設(shè)備選型根據(jù)前面的分析，我們確立了兩個重要概念。第一，在鐵路隧道這一特殊的施工場景中下，噴射混凝土施工所需要的混凝土必須具有高流動性和高粘聚性，這與普通的模注混凝土是不一樣的；我們還給出了這種混凝土的定義以及相關(guān)的性能指標(biāo)。第二，鐵路隧道噴射混凝土施工中速凝劑有三個作用，具有相當(dāng)?shù)闹匾?。但希望使用速凝劑而不注重混凝土的粘聚性是不恰?dāng)?shù)?。但是無論什么樣的速凝劑，由于加快了硅酸鹽水泥的化學(xué)反應(yīng)，最終造成混凝土后期強度下降、耐久性能降低；因此不能無限制地提高速凝劑的摻量。根據(jù)這些分析，我們不禁要回頭審視鐵路隧道噴射混凝土施工的發(fā)展過程。在從干式噴射轉(zhuǎn)型到濕式噴射的過程中，我們忽略了物料在噴射機內(nèi)部的輸送過程。從機械原理的角度，我們知道風(fēng)式輸送要求物料處于干燥狀態(tài)，易于分散，即輸送要求物料是稀薄的流動狀態(tài)。干式噴射機的設(shè)計使用風(fēng)送方式輸送稀薄流物料十分適宜。但在從干式噴射工藝轉(zhuǎn)向濕式噴工藝之初，由于未能充分理解鐵路隧道噴射混凝土需要具有高粘聚性的要求，因此為了節(jié)約機械設(shè)備的成本，只是對干式噴射機作簡單地改造后，將它投入到濕式噴射施工中。噴混凝土的狀態(tài)調(diào)整成稀薄流動狀態(tài)，加大水膠比是一個必要和必然的措施;而這種狀態(tài)就破壞了混凝土的粘聚性，并且極大地延長了混凝土的凝結(jié)時間。這樣會導(dǎo)致混凝土不能很好地粘附在圍巖上，掉落極多；水膠比增加又延長了混凝土的凝結(jié)時間（且還降低混凝土強度），增加了第二層噴射施工的等待時間，如果不能及時調(diào)整噴射過程，也會導(dǎo)致混凝土更多的掉落；在對速凝劑作用的有誤解的前提下，增加速凝劑的摻量會導(dǎo)致混凝土后期強度進一步下降。因此，混凝土的性能與機械配套是鐵路隧道濕式噴射混凝土施工成敗的關(guān)鍵。結(jié)合上面的分析，我們知道了，混凝土應(yīng)該具有高粘聚性，因此混凝土的輸送只能是泵送；泵送施工則要求具有高流動性。如果要泵送施工，人力無法舉高泵管并隨著噴射過程讓噴嘴作螺旋式運動，只能使用機械手。這也是阿里瓦公司堅持的設(shè)計原理，這也是我們今后在機械設(shè)備選型中應(yīng)該堅持的原則。4施工工藝過程控制在前面已討論的鐵路隧道濕式噴射混凝土定義以及配套選擇噴射機類型的前提下，施工工藝過程控制是保證質(zhì)量、節(jié)約人工工時和材料成本的關(guān)鍵，是這一節(jié)我們要討論的重點。攪拌站的生產(chǎn)控制十分重要，能否配制達到配合比設(shè)計所要求的混凝土，攪拌站的管理是關(guān)鍵。這里有許多問題值得探討。比如，材料的勻化措施、稱量和計量、運輸組織與施工過程配套與控制等等問題，每一項都值得我們認真思考，需要專門論述。討論這些問題不是本文的內(nèi)容。簡而言之，無論配合比設(shè)計成效如何，攪拌站都能生產(chǎn)出與配合比設(shè)計所要求性能一致的混凝土，那么我們就認為攪拌站管理是有成效的。本文中，我們假設(shè)攪拌站能配制出前面所定義的鐵路隧道噴射混凝土，并能順利地送達噴射混凝土施工現(xiàn)場。我們要討論的是施工現(xiàn)場的工藝過程控制。4.1噴射施工前的準(zhǔn)備在攪拌站生產(chǎn)的混凝土送達噴射施工現(xiàn)場以前，除了要做好機械設(shè)備的保養(yǎng)、零配件的準(zhǔn)備之外，還應(yīng)該處理受噴面。噴射混凝土的噴射施工是組合灌注和密實成型，在一個工序中完成這兩項任務(wù)。噴射混凝土要穩(wěn)定地粘附在圍巖表面，需要用風(fēng)吹去浮碴和浮塵。另外，噴射到圍巖的混凝土還需要一定的動能才能壓縮密實，所以在噴射之前不應(yīng)該先架設(shè)鋼拱架，應(yīng)該經(jīng)過初次噴射過程，讓噴射混凝土達到規(guī)定的厚度，可以讓鋼拱架與混凝土之間達到密貼狀態(tài)時，才可以架設(shè)鋼拱架。這是保證混凝土噴射密實和不下落的一個關(guān)鍵控制點，而這一點往往容易被忽視。在施工現(xiàn)場，人們往往會認為可以先架設(shè)鋼拱架，然后再噴射，這樣可以少一道工序，可以節(jié)省時間和人力。但只要在現(xiàn)場仔細觀察，就會發(fā)現(xiàn)往往這是事與愿違的。因為鋼拱架后面存在虛空，混凝土噴射穿過鋼拱架到達后面的圍巖表面時，動能已不足，既不能保證穩(wěn)定粘附，也不能保證密實。這樣混凝土?xí)罅肯侣?，?dǎo)致噴射施工時間加長，材料和人力大量浪費，往往是事倍功半。要想鋼拱架同初噴表面密貼，需要認真控制爆破，切實做到光面爆破。任何希望用噴射混凝土來填平圍巖表面的做法最終都會浪費人力和物力，也會是事與愿違的。因此，在噴射之前的初噴階段是必不可少的。初噴之前還要用風(fēng)吹去圍巖表面的浮碴和浮塵。4.2噴射過程的工藝控制我們知道在噴射混凝土噴射到圍巖表面后的一段時間，它是依靠混凝土的粘聚力穩(wěn)定地粘附在圍巖表面的，但這種粘聚力是有限的，因此，無論什么原因，在混凝土凝結(jié)穩(wěn)定之前，無故增加混凝土的厚度，因為重力的原因，也會讓混凝土向下掉落。噴射過程中，要牢牢地記住混凝土的性能特點，也就能理解噴射施工工藝的要點了。由于一次不能噴射太厚的混凝土，因此，噴射過程中必定是要分層噴射。在上一層已充分凝結(jié)硬化之后，再接著噴下一層。為了保證連續(xù)施工，在每一層的噴射中，也必須采取逐行噴射，盡量擴大噴射面，拉長回頭噴射下一層的時間。在噴射過程中，不要希望先固定一個點進行噴射施工，希望能盡量埴平圍巖表面。固定在一個點噴射，因為噴射后的延時不足，混凝土往往會從圍巖表面掉落下來。應(yīng)該深刻理解混凝土的性能特點，逐行噴射是必須的，即使要向一個點多噴一些混凝土，也得逐步進行，讓等待時間盡量延長。在噴射過程中，要控制噴嘴與圍巖表面垂直，控制噴嘴與圍巖之間的距離，噴嘴口還要做繞中軸線的圓周運動（結(jié)合到噴嘴還在做逐行的直線運動，因此，噴嘴口實際是做螺線運動），以盡量減少混凝土在圍巖表面的反彈角度，這是降低噴射過程中回彈量的關(guān)鍵。要做到以上這些施工要領(lǐng)，由人工掌控噴頭，控制噴嘴是很難很難達到的，這也是阿里瓦公司的設(shè)備堅持使用機械手的一個重要原因。4.3噴射施工后的控制要點鐵路隧道噴射混凝土因為加入了一定量的速凝劑，加快了混凝土的化學(xué)反應(yīng)過程，導(dǎo)致混凝土內(nèi)部因為快速水化反應(yīng)而大量失水。加上為了減少凝結(jié)所需要的時間，增加混凝土的粘聚力，在配合比設(shè)計時，水膠比較小，單方混凝土中的用水量必定也小，因此，噴射混凝土的干燥收縮也相對較普通模注混凝土要大得多。在噴射施工完成并終凝后，要及時給混凝土表面補水，以減少干燥收縮開裂的風(fēng)險。補水以保證噴射表面始終保持濕潤為原則。5總結(jié)和討論鐵路隧道噴射混凝土經(jīng)歷了兩個重要的發(fā)展階段，即干式噴射階段和濕式噴射階段。由于干式噴射工藝所帶來的作業(yè)環(huán)境以及工人的勞動強度等等問題，必定要在鐵路隧道這一特定施工環(huán)境中受到淘汰。但是由于在從干式噴射轉(zhuǎn)換到濕式噴射的過程中，我們忽略了對噴射混凝土性能的研究，從而單純地從節(jié)省機械設(shè)備成本的角度，簡單地將干式噴射機加以改造，認為這就可以用于濕式噴射的要求。事實上，混凝土不能完全依靠速凝劑粘附到圍巖表面。在鐵路噴射混凝土施工中，速凝劑有三個作用，第一是使得混凝土迅速失去流動性，進一步提高混凝土的粘聚力；第二是縮短下一層噴射施工的等待時間，第三是提高混凝土的早期強度。但是，濫用速凝劑會導(dǎo)致混凝土后期強度及耐久性性能急劇下降，因此在使用速凝劑時要十分小心。由于濕式噴射工藝要求混凝土具有高粘聚性，因此不可能使用風(fēng)送的方式將它輸送到噴嘴口，必定要使用泵送，而要使用泵送，則人工不能高舉噴嘴，所以必定要使用機械臂。這是泵送式噴射機在設(shè)計時就考慮到要同混凝土性能配套的根本原因。如果用風(fēng)送的方法輸送濕潤的物料，只能將物料配制成稀薄的狀態(tài)，導(dǎo)致在混凝土中使用過多的水，使得水膠比大為增加，進而增加了混凝土的凝結(jié)時間，并且混凝土強度會下降。如果工藝控制不好，再加上人們對速凝劑作用的誤解，還加大速凝劑的用量，混凝土后期強度還會進一步大幅度下降。所以，在鐵路隧道中，采用濕式噴射施工工藝時，要使用泵送式噴射機，這是混凝土性能與所用機械配套的關(guān)鍵；這也是當(dāng)下鐵路隧道噴射混凝土發(fā)展到現(xiàn)階段必須要面對和解決的問題。正是因為混凝土粘附到圍巖上需要自身的粘聚力，這一點會影響到我們施工工藝控制的方方面面。我們需要分層、逐行地噴射施工，盡量加大每一層的噴射面積，以便加長開始下一層噴射的等待時間?；炷羾姷絿鷰r表面并密實的過程需要一定的動能。因此，在架設(shè)鋼拱架之前，應(yīng)該先進行初次噴射達到規(guī)定的厚度后，才可以架鋼拱架，保證鋼拱架與噴射混凝土密貼，從而減少鋼拱架對混凝土噴射過程的干擾，為混凝土密實提供更多的動能。當(dāng)然，這也要求做好光面爆破這樣的控制爆破，盡