淺談隧道工程混凝土超耗原因及控制措施

淺談隧道工程混凝土超耗原因及控制措施摘要：隧道工程施工中混凝土的超耗問題是目前工程施工面臨的難題,如何能夠有效降低隧道混凝土的超耗量是項(xiàng)目成本管控的重點(diǎn),也是難點(diǎn)。為進(jìn)一步降低隧道工程混凝土超耗，有效控制隧道光面爆破超欠量與預(yù)留變形量的問題，本文將超欠挖控制作為工序重點(diǎn)進(jìn)行管理。針對關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)精準(zhǔn)發(fā)力，制定了隧道開挖質(zhì)量提升實(shí)施方案，細(xì)化落實(shí)的措施、標(biāo)準(zhǔn)、責(zé)任人、考核辦法等，改變目前隧道混凝土超耗嚴(yán)重的局面，從多個(gè)角度出發(fā)，提出具體的止耗措施和方法，為以后隧道工程的施工提供更加有效地借鑒和參考。關(guān)鍵詞：隧道工程；混凝土超耗；光面爆破；超欠挖控制；止耗措施1、引言目前大多數(shù)隧道工程初支混凝土超耗率大約在80%以上，二次襯砌混凝土超耗在10%以上，因此隧道混凝土超耗是隧道工程施工成本控制的關(guān)鍵和重點(diǎn)。為有效降低施工成本,合理確定隧道初支、二襯混凝土消耗系數(shù),做好施工管控,有效控制混凝土損耗是隧道工程施工管理的重中之重。2、工程概況由中鐵六局集團(tuán)路橋建設(shè)公司承建的新建贛州至深圳客運(yùn)專線（GSSG-3標(biāo)）工程施工范圍為DK172+670.44（2標(biāo)段白土大橋深圳臺臺尾里程），至本標(biāo)段終點(diǎn)DK182+143.20（新聚隧道出口），正線長度9.472公里，該區(qū)段地處廣東省河源市和平縣境內(nèi)。該區(qū)段內(nèi)含有路基12段，共1041.84米；橋梁9座(5座大橋4座中橋)，共1402.81米；隧道7座，共7027.91米；鋼筋混凝土框架涵2座（2-4.0m和1-1.5m各一座）。該區(qū)段隧道長度7027.91米占該施工區(qū)段比例為74.83%。其中隧道初支混凝土為C25噴射混凝土,設(shè)計(jì)方量12.53萬方，襯砌混凝土16.22萬方。目前隧道混凝土超耗量主要體現(xiàn)在初支噴射混凝土和襯砌混凝土兩個(gè)方面，如果初支噴射混凝土和襯砌混凝土超耗量得到控制，將大大降低隧道成本，項(xiàng)目的效益將會(huì)得到很大提高。3、現(xiàn)狀贛深高鐵項(xiàng)目所有隧道已全部貫通，初噴混凝土開累超耗數(shù)量嚴(yán)重。通過對贛深鐵路和兄弟單位隧道混凝土超耗數(shù)據(jù)進(jìn)行橫向?qū)Ρ龋夜境薪ǖ乃淼莱踔Щ炷脸那闆r偏高，且不穩(wěn)定。初支混凝土超耗率普遍在80%-220%之間，襯砌混凝土超耗率普遍在10%-20%之間，部分隧道襯砌混凝土超耗率甚至達(dá)54.98%，超耗嚴(yán)重，形勢不容樂觀。針對這一現(xiàn)狀，將混凝土超耗及超欠挖控制作為工序重點(diǎn)進(jìn)行管理。針對關(guān)鍵薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)行精準(zhǔn)發(fā)力，綜合施策。制定了隧道開挖質(zhì)量提升實(shí)施方案，細(xì)化落實(shí)具體止耗措施、制定降耗標(biāo)準(zhǔn)、明確責(zé)任人、建立考核辦法等，改變目前公司隧道混凝土超耗嚴(yán)重的局面。4、超耗原因隧道超耗原因不僅涉及圍巖級別，還與地質(zhì)、地層產(chǎn)狀、水文、有無鋼架、開挖方式、開挖進(jìn)尺、原材料質(zhì)量、混凝土供應(yīng)及時(shí)性及混凝土工作性能、施工經(jīng)驗(yàn)、責(zé)任心等多個(gè)方面有關(guān)。我們根據(jù)隧道施工工藝將隧道混凝土超耗分兩個(gè)部分進(jìn)行分析，分別是初支混凝土超耗和襯砌混凝土超耗。4.1初支混凝土超耗原因分析通過利用三維激光掃描儀對隧道斷面開挖數(shù)據(jù)采集和噴射混凝土數(shù)量分圍巖進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，得出造成隧道初支混凝土超耗的三個(gè)主要原因是：掌子面輪廓線超挖、噴射混凝土配合比、噴射混凝土施工工藝。4.1.1掌子面輪廓線超挖的因素4.1.1.1地質(zhì)條件隧道地質(zhì)條件變化，如巖層走向、裂隙發(fā)育情況、圍巖破碎程度，對是否超挖影響較大。個(gè)別較差圍巖，即使是按照正常和合理的開挖和爆破工藝，也會(huì)因?yàn)榈刭|(zhì)情況造成超挖。4.1.1.2開挖設(shè)備和爆破工藝在光面爆破實(shí)施作業(yè)中，施工人員在炮眼鉆進(jìn)過程中操作不規(guī)范，鉆桿鉆進(jìn)角度控制較差，特別是在拱部施工過程中，由于施工高度空間受限，鉆桿角度偏大，炮眼深度越深，鉆進(jìn)至孔低，偏離輪廓線位置越遠(yuǎn)，炮眼鉆進(jìn)隨意性較高；其次周邊眼的間距，未按照爆破施工方案及技術(shù)交底的理論指導(dǎo)爆破參數(shù)進(jìn)行布置，炮眼數(shù)量嚴(yán)重不足，同時(shí)單孔裝藥量較大，未根據(jù)圍巖情況調(diào)整裝藥結(jié)構(gòu)，通過三維激光掃描儀對爆破斷面的測量，隧道設(shè)計(jì)輪廓線與實(shí)際輪廓線比較，超挖30cm-40cm之間，平均超挖35cm。4.1.1.3管理深度和人員敬業(yè)程度首先，隧道施工管理目前是以勞務(wù)分包為主要分包模式，勞務(wù)分包單位現(xiàn)場施作是以班組為單位，導(dǎo)致項(xiàng)目的管理深度難以到達(dá)施工班組，也因無激勵(lì)約束措施造成測量人員和施工人員責(zé)任心不強(qiáng)，敬業(yè)程度不高。其次，班組為了追求進(jìn)度，測量人員不是按照每一循環(huán)都進(jìn)行放樣，而是間隔3-4個(gè)循環(huán)再進(jìn)行放樣。這其中的3-4循環(huán)地開挖，班組只是按照經(jīng)驗(yàn)和目測進(jìn)行開挖，造成超挖。再次，隧道開挖班組一般都是包干，為追求施工進(jìn)度，往往是加大藥量、加大孔距等，而欠挖需要補(bǔ)炮返工，費(fèi)時(shí)費(fèi)力，所以在沒有嚴(yán)格超挖考核的情況下，開挖班組常有超挖的內(nèi)在傾向。4.1.2噴射混凝土配合比引起的超耗4.1.2.1原材料地材原因小型濕噴機(jī)噴射混凝土過程中經(jīng)常出現(xiàn)堵管現(xiàn)象，造成混凝土損耗。按照要求，噴射混凝土原材采用5-10mm碎石，砂子采用中粗砂，目前噴射混凝土所用原材碎石、中粗砂的含泥量均達(dá)到規(guī)范所要求上限，且級配較差，從而使拌制的混凝土和易性及粘結(jié)性較差，同時(shí)由于外加劑的保塌時(shí)間較短，運(yùn)輸至現(xiàn)場后不能及時(shí)施工，罐內(nèi)存放時(shí)間達(dá)1小時(shí)后，無法達(dá)到噴射混凝土的塌落度要求，致使噴射混凝土無法正常噴射至初期支護(hù)巖面上或噴射到巖面上的混凝土發(fā)生掉落，導(dǎo)致噴射混凝土超耗。4.1.2.2速凝劑原因速凝劑在現(xiàn)場存儲(chǔ)采用自制水箱進(jìn)行存儲(chǔ)，速凝劑在進(jìn)場經(jīng)檢驗(yàn)合格后使用，但速凝劑存放一定時(shí)間后會(huì)發(fā)生沉淀，自身的配方參量比例發(fā)生變化，在抽取噴射混凝土所需速凝劑時(shí)，未及時(shí)對存儲(chǔ)容器內(nèi)的速凝劑進(jìn)行整體均勻攪拌，造成抽取所使用的速凝劑配方無法起到速凝作用，導(dǎo)致噴射混凝土不能及時(shí)凝固，回彈量較大，超耗嚴(yán)重。4.1.2.3速凝劑摻量原因噴射混凝土過程中，速凝劑的摻量不準(zhǔn)確，速凝劑的計(jì)量采用濕噴機(jī)自帶的自動(dòng)液壓泵設(shè)備定量加入，但由于長時(shí)間施工使用過程中，輸送管路未進(jìn)行及時(shí)清理，造成管路污垢較多，造成速凝劑摻量計(jì)量不準(zhǔn)確，速凝劑摻量不足，與混凝土不能有效的發(fā)生作用，導(dǎo)致混凝土不能及時(shí)凝固，回彈較大，超耗嚴(yán)重。4.1.3噴射混凝土施工工藝引起的超耗在現(xiàn)場觀察噴射混凝土操作手在進(jìn)行噴射作業(yè)過程施工工藝、方法不符合技術(shù)交底要求，首先操作手在噴射前，未對爆破開挖后的整個(gè)巖層面采用高壓風(fēng)槍進(jìn)行清理，就直接進(jìn)行混凝土的初噴作業(yè)，其次，操作手未針對邊墻、隧道拱頂?shù)炔煌课贿M(jìn)行噴射，及時(shí)對高壓噴槍高壓風(fēng)壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，導(dǎo)致噴到巖面上的混凝土由于壓力過大，造成噴射混凝土噴到巖面上后回彈較大，最后是在噴射順序及每次噴射厚度方面施工不規(guī)范，噴射順序隨意，同時(shí)噴射厚度較厚，同一噴射部位一直噴射至覆蓋拱架為止，導(dǎo)致噴射混凝土噴至墻面上，由于自重原因掉落至地面，造成回彈量較大。4.2襯砌混凝土超耗4.2.1掌子面輪廓線超挖引起的超耗隧道開挖光面爆破超挖嚴(yán)重，既可以引起初期支護(hù)噴射混凝土的超耗，同時(shí)，對于采用光面爆破無鋼架的Ⅱ和Ⅲ圍巖襯砌混凝土也會(huì)造成混凝土超耗。因?yàn)榈偷燃墴o鋼架圍巖初支混凝土只是對裸露圍巖進(jìn)行封閉，不能有效填補(bǔ)超挖空洞，因此超挖部分由二襯混凝土填補(bǔ)，造成襯砌混凝土超耗。仰拱也作為襯砌的一部分，隧底超挖必定會(huì)造成襯砌混凝土的超耗。4.2.2隧道預(yù)留變形量引起的超耗首先要明確設(shè)置隧道預(yù)留變形量是為了防止初期支護(hù)侵入二次襯砌，造成襯砌厚度不足而進(jìn)行的人為因素。由于隧道在開挖后會(huì)發(fā)生應(yīng)力的重新分布，造成隧道斷面在開挖后的一定時(shí)間內(nèi)會(huì)向內(nèi)有一部分的收斂，因此在實(shí)際進(jìn)行開挖時(shí)隧道斷面尺寸就要略大于設(shè)計(jì)給出的斷面開挖尺寸，這個(gè)差值就稱為隧道開挖預(yù)抬量，一般在設(shè)計(jì)出圖時(shí)會(huì)給出相應(yīng)的參考值。而部分的施工單位因?yàn)槭┕そ?jīng)驗(yàn)相對不足，致使整個(gè)隧道使用同一個(gè)預(yù)抬量，不去參考監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，預(yù)留沉降變形量不進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，或者預(yù)留變形量調(diào)整不及時(shí)，同時(shí)由于圍巖變形量也相對較小，預(yù)留的空間就需要由二襯混凝土進(jìn)行填充，造成襯砌混凝土的超耗。5、降低混凝土超耗的控制措施經(jīng)過對初支混凝土和二次襯砌混凝土造成超耗的原因進(jìn)行分析、研討、試驗(yàn)，我們從人、機(jī)、料、法、環(huán)、測六個(gè)方面制定出具有針對性和有效性的措施，以此來降低初支混凝土的超耗量，達(dá)到提質(zhì)增效的目的，具體措施如下：5.1確定目標(biāo)首先要確定隧道光面爆破開挖控制的目標(biāo)：通過查找相關(guān)數(shù)據(jù)和規(guī)范明確定線性超挖量不大于8cm，炮眼痕跡留存率，硬巖應(yīng)≥85%，中硬巖應(yīng)≥60%，并應(yīng)該在開挖輪廓面上均勻的分布，在確保隧道施工安全的前提下將初支混凝土超耗率控制在60%-80%之間，襯砌混凝土超耗率普遍在10%之內(nèi)。5.2加強(qiáng)對隧道預(yù)留變形量的控制隧道預(yù)留變形量對初支混凝土和襯砌混凝土的影響最為明顯，若隧道預(yù)留沉降量得到控制，混凝土超耗也將得到改善。在隧道施工中，監(jiān)控量測不僅為隧道圍巖變化提供安全預(yù)警，更為隧道預(yù)留變形量提供依據(jù)，所以，就要求技術(shù)人員持續(xù)加強(qiáng)監(jiān)控量測，認(rèn)真分析監(jiān)控量測數(shù)據(jù)，尤其是長期觀測后的變化趨勢，根據(jù)數(shù)據(jù)動(dòng)態(tài)調(diào)整預(yù)留變形量。5.3優(yōu)化混凝土配合比設(shè)計(jì)首先要嚴(yán)格控制初噴射混凝土所需原材料的質(zhì)量，特別是對材料含泥量的控制，粗骨料碎石粒徑不超配合比要求，級配良好，速凝劑要求供應(yīng)商對其配方參量進(jìn)行調(diào)整，并且進(jìn)行試驗(yàn)，試驗(yàn)要求初凝時(shí)間不大于5min，終凝時(shí)間不大于10min，同時(shí)速凝劑的存放時(shí)間不宜過長，在施工過程中要及時(shí)使用，調(diào)整混凝土拌合過程中外加劑的參數(shù)和參量，使混凝土的保塌時(shí)間達(dá)到2小時(shí)及以上。5.4改進(jìn)噴射工藝在施工工藝方面進(jìn)行改進(jìn)，在噴射混凝土前對掌子面采用高壓風(fēng)進(jìn)行清理，將巖面粉塵清理干凈，同時(shí)采用噴霧狀高壓水對巖石表面進(jìn)行濕潤，增加噴射混凝土與巖面的粘結(jié)力；噴射手在噴射混凝土?xí)r噴頭應(yīng)垂直于巖面，噴頭與巖面距離控制在0.6m-1.2m范圍，濕噴機(jī)的工作壓力控制在0.1-0.15MPa，對拱墻、拱頂?shù)膰娚鋲毫M(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，減少混凝土的回彈率；嚴(yán)格噴射混凝土施工順序，噴射施工順利應(yīng)該自下而上順序進(jìn)行施工，每次噴射厚度邊墻控制在不大于15cm，拱頂控制在不大于10cm，噴射手采用螺旋形式進(jìn)行噴射，待初凝后再進(jìn)行下一層的噴射混凝土的噴射。5.5改進(jìn)和優(yōu)化爆破工藝工法隧道鉆爆法施工進(jìn)行鉆爆設(shè)計(jì)的內(nèi)容應(yīng)該包括炮眼的布置形式、炮眼的深度、炮孔的斜率和炮眼的數(shù)量，爆破器材的使用、炮孔的裝藥量及裝藥的結(jié)構(gòu)，起爆方法和起爆順序，鉆眼使用的機(jī)具和鉆眼要求、主要的技術(shù)指標(biāo)和必要的說明。針對優(yōu)化和確定后的爆破參數(shù)，細(xì)化爆破作業(yè)工序。對實(shí)施后的隧道斷面進(jìn)行測量，通過不斷調(diào)整和改進(jìn)，以PDCA循環(huán)來實(shí)現(xiàn)優(yōu)化爆破工藝工法的目的，達(dá)到最優(yōu)的爆破參數(shù)。5.5.1炮眼布置應(yīng)明確的要求光爆層周邊眼應(yīng)該沿著隧道需要開挖斷面輪廓線來進(jìn)行布置，內(nèi)圈眼的布置應(yīng)該滿足周邊眼中最小抵抗線的要求。其余輔助眼應(yīng)該均勻交錯(cuò)的布置在光爆層內(nèi)圈眼和掏槽眼之間，間距還應(yīng)該滿足爆破巖石塊度的要求。爆破時(shí)的周邊眼與輔助眼的眼底應(yīng)該盡量處于同一垂直面上，掏槽眼應(yīng)加深10-20cm。5.5.2光面爆破鉆眼施工的要求爆破時(shí)的炮眼數(shù)量、炮眼位置、炮孔深度以及斜率都應(yīng)符合鉆爆法設(shè)計(jì)的相關(guān)要求。周邊眼眼口的允許誤差為±5cm，眼底所在范圍不得超出開挖斷面輪廓線15cm。在鉆眼的過程中，作業(yè)高度超過2.0m時(shí)，應(yīng)該配備與開挖面相適應(yīng)的作業(yè)臺車，以此來保證鉆眼的位置和斜率準(zhǔn)確。當(dāng)開挖面凹凸較為明顯，凸出巖塊較大時(shí)，應(yīng)該按照實(shí)際情況對炮眼的深度和裝藥量進(jìn)行調(diào)整，使周邊眼和輔助眼眼底盡可能的處于同一垂直面上。等待鉆眼施工完畢以后，應(yīng)該對照設(shè)計(jì)的炮眼布置圖進(jìn)行逐一的檢查并做好相關(guān)記錄，對不符合要求的重新進(jìn)行鉆孔，并進(jìn)行再次的對照檢查，直至合格后方可進(jìn)行裝藥。當(dāng)使用鑿巖臺車進(jìn)行鉆眼的時(shí)候，使用的臺車的結(jié)構(gòu)性能要符合斷面和開挖工法的相關(guān)要求。5.5.3裝藥作業(yè)相關(guān)要求炮眼裝藥前應(yīng)該對裝藥作業(yè)面進(jìn)行安全檢查，對檢查出的問題進(jìn)行及時(shí)處理。裝藥前應(yīng)該進(jìn)行清孔，清除孔內(nèi)的巖石粉末和積水。等到炮眼清理完成后，首先應(yīng)對炮眼深度、炮孔角度、方向和炮眼內(nèi)部情況進(jìn)行檢查，處理不符合要求的炮眼。如果檢查出有炮眼縮孔、坍塌或者有裂縫等情況不得進(jìn)行裝藥操作；裝藥最好采用裝藥機(jī)進(jìn)行，裝藥的炮眼應(yīng)該采用炮泥進(jìn)行堵塞，炮泥宜采用炮泥機(jī)來制作，不得將炸藥的包裝材料作為炮泥進(jìn)行堵塞炮孔。炮泥宜采用黏土和砂進(jìn)行混合制作干濕度也要適度。5.6采用新技術(shù)及新型工裝隧道混凝土現(xiàn)場施工采用濕噴機(jī)械手、三臂鑿巖臺車、隧道軌下襯砌工裝設(shè)備、防水板鋪掛、鋼筋精確綁扎臺車、新型襯砌模板臺車、門架式液壓水溝電纜槽臺車等大型設(shè)備，通過先進(jìn)的工裝設(shè)備，有效的降低了噴射混凝土和襯砌混凝土超耗現(xiàn)象，同時(shí)對施工功效的提高起到了重要作用。應(yīng)用三維激光掃描技術(shù)、初支欠挖銑挖機(jī)處理技術(shù)、防空洞監(jiān)測裝置和液位器裝置、水壓爆破、聚能穴爆破等新技術(shù)能有效提高控制超欠挖功效，在保證