喷射混凝土应用于隧道工程

喷射混凝土是使用混凝土喷射机，按一定的混合程序，将掺有速凝剂的细石混凝土，喷射到隧道开挖后的岩壁表面上，并迅速固结成一层具有一定强度的薄层结构，从而对围岩起到支护作用。

1．喷混凝土的作用

喷射混凝土具有与围岩密贴并能和围岩共同迅速产生承载能力、形成支护结构、共同变形等特性，能很快抑制地层变位。喷射混凝土可以起到以下几方面作用：

（1）支撑围岩。由于喷层能与围岩密贴和粘贴，并施予围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力状态，防止围岩强度恶化。此外，喷层本身的抗冲切能力可阻止不稳定块体的滑塌（图8-5-1）。

（2）“卸载”作用。由于喷层属柔性，能使围岩在不出现有害变形的前提下，发生一定程度的变形，从而使围岩“卸载”，同时喷层中的弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥（图8-5-2）。

图8-5-1　支撑作用

图8-5-2　抗弯作用

（3）填平补强围岩。喷射混凝土可射入围岩张开的裂隙，填充表面凹穴，使裂隙分割的岩层面黏结在一起，保护岩块间的咬合、镶嵌作用，提高其间的黏结力、摩阻力，并避免或缓和围岩应力集中（图8-5-3）。

（4）覆盖围岩表面。喷层直接粘贴在岩面上，形成风化和止水的保护层，并阻止节理裂隙中充填物流失（图8-5-4）。

图8-5-3　镶嵌作用

图8-5-4　封闭作用

（5）阻止围岩松动。喷层能紧跟掘进进程并及时进行支护，早期强度较高，因而能及时向围岩提供抗力，阻止围岩松动（图8-5-5）。

（6）分配外力。通过喷层把外力传给锚杆、钢拱架等，使支护结构受力均匀（图8-5-6）。

图8-5-5　加固作用

图8-5-6　分载传递作用

2．喷射工艺种类

喷射混凝土的工艺流程有干喷、潮喷、湿喷和混合喷四种，主要区别是各工艺的投料程序不同，尤其是加水和速凝剂的时机不同。

（1）干喷和潮喷。

干喷是将骨料、水泥和速凝剂按一定的比例干拌均匀（含水率＜5%），然后装入喷射机，用压缩空气使干集料在软管内呈悬浮状态送到喷枪，再在喷嘴处与高压水混合，以较高速度喷射到岩面上的喷射工艺。

干喷的缺点是产生的粉尘量大、回弹量大。干喷加水是由喷嘴处的阀门控制的，水灰比的控制程度与喷射手操作的熟练程度有关。干喷混凝土强度和密实度均较低，但使用的机械较简单，机械清洗和故障处理容易。

潮喷是将骨料预加少量水（含水率5%～7%），使之呈潮湿状，再加水泥拌和，从而降低上料、拌和与喷射时的粉尘。但大量的水仍是在喷头处加入和喷出的。其喷射工艺流程和使用机械同干喷工艺，见图8-5-7。潮喷产生的粉尘量、回弹量均较干喷有一定程度的降低，混凝土强度和密实度也有所改善。目前施工现场较多使用的是潮喷工艺。

图8-5-7　干喷、潮喷工艺流程

（2）湿喷。

湿喷是将骨料、水泥和水按设计比例拌和均匀，用湿式喷射机压送到喷头处，再在喷头上添加速凝剂后喷出，其工艺流程见图8-5-8。

湿喷混凝土质量容易控制，喷射过程中的粉尘和回弹量很少，是目前施工主要应用的喷射工艺。但它对喷射机械要求较高，机械清洗和故障处理较麻烦。对于喷层较厚的软岩和渗水隧道，则不宜使用湿喷。

（3）混合喷射。

混合喷射又称水泥裹砂造壳喷射法（SEC法），是将一部分砂加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳；然后加第二次水和减水剂拌和成SEC砂浆，将另一部分砂和石、速凝剂强制搅拌均匀；然后分别用砂浆泵和干式喷射机压送到混合管混合后喷出。其工艺流程见图8-5-9。

图8-5-8　湿喷工艺流程

图8-5-9　混合喷射工艺流程

混合喷射是分次投料搅拌工艺与喷射工艺的结合，关键是水泥裹砂（或砂、石）造壳技术。

混合喷射工艺使用的主要机械设备与干喷工艺基本相同，但混凝土的质量较干喷混凝土质量好，且粉尘和回弹率有大幅度降低。但混合喷射使用机械数量较多，工艺较复杂，机械清洗和故障处理很麻烦。因此混合喷射工艺一般只用在喷射混凝土量大和大断面隧道工程中。

另外，由于喷射工艺的不同，喷射混凝土强度不同，干喷和潮喷混凝土强度较低，一般只能达到C20，而混合喷射和湿喷则可达到C30～C35。

3．喷射混凝土的材料

（1）水泥。喷射混凝土对所采用水泥的基本要求是：掺入速凝剂后凝结快、保水性好、早期强度增加快、收缩小。一般应优先采用32.5级以上的普通硅酸盐水泥，其次是矿渣硅酸盐水泥和火山灰质硅酸盐水泥。在有专门使用要求时，采用特种水泥。所使用的水泥，其性能应符合国家现行标准要求。矾土水泥以及过期或受潮结块的水泥不能使用。

（2）砂。喷射混凝土的用砂应符合普通混凝土所要求的用砂标准。一般采用中砂或粗中砂，细度模数一般宜大于2.5。砂的含泥量不大于5%，含水量按质量计控制在5%～7% 为宜。砂的颗粒级配见表8-5-1。

表8-5-1　砂的颗粒级配

（3）石子。喷射混凝土采用坚硬、耐久的卵石或碎石。石子的最大粒径与混凝土喷射机的输料管直径有关，一般不宜超过管内径的1/3或12 mm，目前最大粒径采用20 mm。石子的级配可参考表8-5-2使用。为减少回弹量，石子的级配为将大于15 mm粒径的颗粒控制在20%以下，但喷钢纤维混凝土所用的石子，其粒径以小于10 mm为宜。当用碱性速凝剂时，不能使用含有活性二氧化硅的碎石或卵石（如流纹岩、安山岩类石料），以免产生碱骨料反应，引起喷射混凝土的开裂。石子的含泥量不得大于10%。

表8-5-2　石子的颗粒级配

（4）外加剂。一般应用于隧道喷射混凝土的外加剂包括速凝剂、减水剂、早强剂、膨胀剂等。目前应用的主要是速凝剂，有固体和液体两种，国内主要使用固体粉末状速凝剂。在喷射混凝土中添加速凝剂的目的是使喷射混凝土速凝，以减少回弹和达到早强目的，选用时应做与水泥的相容性试验，其初凝时间、终凝时间、早期强度、28 d后期强度应满足要求。速凝剂的掺量应通过试验确定，一般为水泥质量的2%～4%（喷拱部时可用3%～4%，喷边墙时可用2%～3%）。加入适量速凝剂虽可大大提高喷射混凝土的早期强度，但后期强度却相应降低，且加大了混凝土的收缩。因此，在满足施工条件下，应严格控制掺量并注意拌和均匀，符合现行《混凝土外加剂应用技术规范》（GB 50119）的相关规定。

（5）水。喷射混凝土用水的要求与普通混凝土相同，水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质。不得使用污水、pH小于4的酸性水和含硫酸盐量（按SO2计算）超过水的质量1% 的水。

另外，高性能掺合料的使用可以增强喷射混凝土的抗压强度，改善结构密实性，提高耐久性，增强其与围岩的黏结效应，减少回弹量等。目前，高性能掺合料主要包括硅粉、磨细矿粉、超细矿粉、粉煤灰等。

4．喷射混凝土的配合比和水灰比

喷射混凝土配合比应满足设计强度和喷射工艺的要求。喷射混凝土1 d龄期的抗压强度不应低于8 MPa。

（1）配合比。喷射混凝土的石子含量比普通现浇混凝土要求少得多，且粒径也小，相应砂的用量则要增加，一般含砂率在50% 左右效果较好。但含砂量提高，水泥用量增大，混凝土容易产生收缩开裂，其强度也相应降低。根据大量工程实践，喷射混凝土的配合比（质量比，水泥∶中砂或中粗砂∶石子），对于隧道边墙采用1∶（2～2.5）∶（2～2.5），对于隧道拱部采用1∶2∶（1.5～2.0）较为合适。每1 m3干集料中，水泥用量约为400 kg。

（2）水灰比。水灰比是影响喷射混凝土的强度和其他物理力学性能的重要因素。若水灰比过小，不仅料束分散、回弹量增多、粉尘大，而且喷层上会出现干斑、砂窝等现象，影响喷射混凝土的密实度。当水灰比过大时，会造成喷层流淌、滑移，甚至大片塌落，影响混凝土强度。根据经验，喷射混凝土的水灰比一般为0.4～0.5。此时，喷射混凝土表面光泽，粗骨料分布均匀，回弹量小。采用水泥裹砂喷射工艺时，还应试验选择最佳造壳水灰比。

喷射混凝土搅拌时间及搅拌后临时存放时间均应按工艺要求及规范规定进行。

5．喷射混凝土机械（具）设备

喷射作业的机械（具）设备主要包括：混凝土喷射机、上料机、搅拌机、机械手、混凝土运送搅拌车、混凝土喷射三联机等。为了提高施工效率，节约劳动力，减少喷射材料损耗，目前隧道喷射混凝土施工机械化水平较高，常用的喷射混凝土机械（具）有如下几种：

（1）混凝土喷射机。

混凝土喷射机是喷射混凝土的主要机械设备，目前国内使用的国产喷射机，根据其构造特点和使用物料的干湿程度不同，分为罐式（单罐和双罐）、螺旋式、活塞式和转子式（图8-5-10）等喷射机，其中转子式喷射机应用最普遍，其工作能力通常为5～7 m2/h。

图8-5-10　转子式混凝土喷射机

（2）隧道喷浆车。

为了减少人工成本及喷浆材料浪费，通常将2台及2台以上混凝土喷射机组合在一起，共用一个受料斗，自动上料，如图8-5-11所示。该自动上料喷浆机利用专用行走设备，前料斗的三个出料口和喷浆机能各自控制，由翻斗车将喷浆料直接倒入后料斗。后料斗自动升降为前料斗供料。该设备与以往的人工给料相比，改善了操作者劳动条件，降低了劳动强度，节约了劳务成本；且因有受料斗，降低了喷浆料的损耗。

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图8-5-11　双料斗一拖三喷浆车

（3）喷射混凝土机械手。

为了减轻人工把持喷枪的劳动强度和改善喷射的工作条件，目前国内外都在研制并应用各种型号的喷射混凝土机械手（图8-5-12）。机械手的型号虽有多种多样，但都应具备使喷枪前后俯仰、左右摆动或画圈，臂杆伸缩、升降或旋转等功能，使其满足喷射工艺要求。所有机械手一般都具有：喷枪，臂的伸缩、回转或翻转机构，大臂的起落机构、行走机构，等。一般机械手与湿喷机组成一台完整的喷射系统，以提高作业效率及喷射质量。

图8-5-12　喷射机机械手及湿喷机

（4）湿喷台车。

湿喷台车（图8-5-13）是湿喷机的升级优化产品，功能齐全、适用范围广、性能稳定可靠、喷射能力大、作业效率高、操控灵活方便、自行能力强。

图8-5-13　湿喷台车

6．喷射混凝土的施工要点

喷射混凝土的施工流程如图8-5-14所示。

（1）喷射混凝土的施工准备。

为使喷射混凝土作业顺利进行，在施喷前应做好的准备工作为：做好材料、机械（具）的准备工作，如核实水泥和速凝剂的品种、强度等级和出厂日期以及储备量是否足够，砂、石料是否符合质量要求并有足够储备量，保证施喷用水的水量和压力；检查发电机、空压机运转是否正常；检查搅拌机、上料机、喷射机就位是否恰当，试车运转是否良好；检查风、水电线路是否处于良好状态，施喷前应进行试风、通水，情况正常才能开始喷射作业；做好施喷场地准备；检查隧道开挖轮廓线，如有欠挖应处理；清理松动岩块和墙脚处的弃渣；用高压水（风）冲洗受喷岩面（易潮解、泥化的岩面只能用高压风清扫）；对滴、漏水处应采取措施进行处理；做喷射混凝土厚度的标志（如利用锚杆的外露部分或在岩面上用快凝水泥浆粘铁钉等）；做好回弹物回收及利用的安排。

图8-5-14　喷射混凝土施工流程

（2）施喷作业。

施喷作业是喷射混凝土整个施工过程中最关键的作业，要求喷射手有熟练的喷射技术，各施工环节如备料、拌和、运输、上料、风水供应、照明、喷射等能紧密配合。这些是关系到喷射混凝土质量好坏及回弹量多少的关键。

在喷射作业中要掌握好如下几个问题：

① 风压。一般要求风源风压稳定在0.4～0.65 MPa，使喷嘴处风压稳定在0.1～0.25 MPa。若风压过小，喷射动能太小，则粗骨料冲不进砂浆层而脱落；反之，粗骨料会碰撞岩面而回弹。

② 水压。为保证高压水从水环孔眼中高速射出形成水雾，使干拌和料充分湿润水化，水压要比双连拱风压高0.1～0.15 MPa。一般规定喷射作业区的系统水压应大于0.4 MPa。

③ 喷嘴与受喷岩面之间的距离和角度。通常在喷头上接一个直径为100 mm、长为0.8～1.0 m的塑料拢料管。它使水泥充分水化、喷射混凝土束集中及回弹石子不致伤害喷射手。当风压适宜时，喷嘴与受喷岩面之间的距离以0.8～1.2 m为宜。喷嘴与受喷岩面的角度，一般应垂直或稍微向刚喷射过的混凝土部位倾斜（不大于10°），以使回弹物受到喷射束的约束，抵消部分弹回的能量而减小回弹量。喷射拱部时应沿径向喷射。

④ 喷射厚度及各喷层之间的间隔时间。为保持柔性，喷射混凝土的厚度宜为隧道计算半径的0.025～0.033倍，一般为5～20 cm。当喷层较厚时需分层喷射，一次喷射的厚度应根据喷射效率、回弹损失、混凝土颗粒之间的凝聚力和喷层与受喷面间的黏着力等因素确定，可参照表8-5-3确定。初喷混凝土厚度宜控制在20～50 mm，拱顶每次复喷厚度不宜大于100 mm，边墙每次复喷厚度不宜大于150 mm，复喷最小厚度不宜小于50 mm。各喷层间的间隔时间与水泥品种、施工温度和有无掺速凝剂等因素有关。间隔时间较长时，复喷前应将初喷混凝土表面清洗干净，复喷应将凹陷处进一步找平。

表8-5-3　一次喷射厚度　单位：cm

⑤ 喷射分区与喷射顺序。为了减少喷射混凝土因重力作用而引起的滑动或脱落现象，喷射时应按照分段（不超过6 m）、分部（先下后上）、分块（2.0 m×2.0 m）、由下而上、先边墙后拱墙和拱腰最后喷拱顶的原则进行（图8-5-15）。喷射混凝土时，喷头要正对受喷岩面，均匀缓慢地按顺时针方向作螺旋形移动，一圈压半圈，绕圈直径为20～30 cm。对凹凸悬殊的岩面，喷射时应注意喷射次序先下后上，先两头后中间，以减少回弹量。正常状态下喷射混凝土的回弹率拱部不超过25%，边墙不超过15%。

图8-5-15　喷射分区及喷射顺序

（3）喷射混凝土的养护。

为了使水泥充分水化，喷射混凝土强度得到均匀增长，减少或防止混凝土的收缩开裂，确保混凝土的质量，喷后要进行良好的保护。喷射混凝土终凝后1～2 h起即应开始洒水养护，洒水次数以能保持混凝土具有足够的湿润状态为准，养护期不得少于14 d或7 d（公路）。黄土或其他土质隧道喷射混凝土以采用喷雾养护为宜，防止洒水软化下部土层。

（4）冬季施工要求。

冬季施工时喷射混凝土作业区的气温不得低于5 °C；若气温低于5 °C，不得洒水；喷射混凝土强度未达到6 MPa前不得受冻；在结冰的层面上不得进行喷射混凝土作业。混凝土强度未达到设计强度的50% 时，若气温降低到5 °C以下，则应注意采取保温防冻措施。

（5）回弹物料的处理。

应设法减少回弹以减少浪费，每次喷射混凝土作业结束后应及时清除回弹或掉落在拱脚的堆积废料。喷射混凝土回弹物不得重新用作喷射混凝土材料。

7．喷射纤维混凝土

针对不同的工程特点、耐久性、成本控制等要求，选取抗拉强度高、极限延伸率大、抗碱性好的纤维，可以减少或防止混凝土微裂缝的产生，克服普通混凝土抗拉强度低、极限延伸率小、耐久性及适用性不足等问题。常见的混凝土增强纤维有钢纤维和非钢纤维，非钢纤维中又分为高弹纤维（Ef/Ec＞1，如碳纤维、芳香族聚酰胺纤维、石棉纤维、玻璃纤维等）和低弹纤维（Ef/Ec＜1，如聚丙烯纤维、聚乙烯醇纤维及维纶纤维、聚酞胺类纤维等）。

目前钢纤维喷射混凝土已广泛应用于浅埋暗挖、深埋软弱围岩隧道及地下工程。近几年来，喷射混凝土中纤维材料呈现出以下几种发展趋势：① 由金属钢纤维向玄武岩纤维、玻璃纤维等无机纤维多种类发展；② 由无机纤维向新型高分子合成纤维方向发展，包括聚丙烯纤维、聚酯和聚丙烯腈纤维等有机高分子纤维。

（1）钢纤维喷射混凝土。

钢纤维喷射混凝土是指在喷射混凝土中加入一定数量的钢纤维。钢纤维由于均匀分布在混凝土中，为混凝土提供了非连续性的微型配筋，从而提高了材料的抗拉、抗弯、抗冲击和耐磨性以及早期强度、韧性和延展性，并改善了其他物理力学性能，故常用在围岩变形大的隧道中。其施工工艺与普通喷射混凝土工艺相似。

① 原材料要求。

a.钢纤维内不得含有明显的锈蚀、油脂及其他妨碍钢纤维与水泥黏结的杂质；因加工不好造成的粘连片、铁屑及杂质不应超过钢纤维质量的1%；钢纤维内不得含有妨碍水泥硬化的化学成分。

b.钢纤维宜用普通碳素钢制成，抗拉强度不得小于600 MPa（公路为380 MPa），应能满足一次弯折90° 不断裂的要求。钢纤维断面直径（或等效直径）应为0.3～0.8 mm，长度应为20～35 mm，并不得大于输料软管以及喷嘴内径的70%，长径比为30～80，长度偏差不应超过长度公称值的±5%。

c.钢纤维掺量宜根据弯曲韧度指标确定，并应考虑喷射时钢纤维混凝土各部分回弹率不同的影响，以喷射到岩面上的钢纤维混凝土中钢纤维的实际含量为依据。钢纤维喷射混凝土的钢纤维实际含量不宜大于78.5kg/m³（体积率1.0%）。最小含量可依据钢纤维的长径比参照表8-5-4选用。钢纤维混凝土中钢纤维掺量宜为干混合料质量的1.5%～4%。

表8-5-4　钢纤维混凝土中钢纤维的最小实际含量要求

d.钢纤维喷射混凝土的强度等级不应低于C25，并应满足结构设计对抗压强度、抗拉强度、抗折强度的要求。

e.钢纤维喷射混凝土的原材料中宜加入矿渣粉或粉煤灰等活性掺合料。钢纤维喷射混凝土宜采用无碱速凝剂。

② 配合比设计。

钢纤维喷射混凝土的配合比设计应遵循下列原则：根据钢纤维喷射混凝土抗压强度要求确定水胶比；根据弯曲韧性比和弯拉强度要求确定钢纤维掺量；根据和易性和输料性能确定水、水泥及外加剂用量；根据骨料粒径和级配、砂的细度及和易性确定砂率。

③ 施工要点。

a.钢纤维喷射混凝土的搅拌工艺应确保钢纤维在拌和物中分散均匀，不结团，宜优先采用将钢纤维、水泥、粗骨料先干拌后再加水湿拌的方法，且干拌时间不得小于1.5 min，湿拌时间不宜小于3 min；也可采用先投放水泥、粗（细）骨料和水，在拌和过程中分散加入钢纤维的方法，必要时采用钢纤维播料机将其均匀地分散到混合料中，不得结团。水泥强度等级不宜低于42.5。钢纤维喷射混凝土粗集料粒径不宜大于10 mm。

b.选用经过实用检验的喷射机械，注意防止钢纤维结团堵管。一般可采用水溶性黏结剂将钢纤维黏结成片状，在搅拌过程中可以较为容易分离成单一纤维，避免结团堵管现象发生。

c.钢纤维喷射混凝土施作同普通喷射混凝土，但输料管的磨耗大，一般要高于普通喷射混凝土30%～40%，尤其是拐弯处。可每班将胶管翻转1～2次，以延长胶管寿命。

d.风压要比普通喷射混凝土高0.02～0.05 MPa；当输送距离不大于40 m时，风压一般可为0.05～0.18 MPa。

e.在钢纤维喷射混凝土的表面宜再喷射一层厚度为10 mm的水泥砂浆，其强度等级不应低于钢纤维喷射混凝土。

（2）合成纤维喷射混凝土。

合成纤维喷射混凝土中的纤维有聚丙烯纤维、聚乙烯纤维、尼龙纤维、玻璃纤维、碳纤维等，其品种、规格较多，但施工中主要使用的合成纤维为聚丙烯纤维。

合成纤维喷射混凝土应符合下列要求：合成纤维应具有良好的耐酸碱性和化学稳定性，并经改性处理，具有良好的分散性，不结团；合成纤维抗拉强度应符合设计要求，不应低于380 MPa；合成纤维长度宜为200～250 mm。合成纤维掺量应通过试验确定，在无特殊要求情况下，常用掺量为0.8～1.2 kg/m3；搅拌时间宜为4～5 min，搅拌完成后取样，如纤维已均匀分散成单丝，则混凝土可投入使用，若仍有成束纤维，则延长30 s搅拌时间才可使用；喷射合成纤维混凝土的水胶比为0.35～0.45。

8．钢筋网喷射混凝土

为了提高喷射混凝土的整体性，防止收缩开裂，使混凝土受力均匀，并提供一定的抗剪强度，利于抵抗岩石塌落和承受冲击荷载，有时在喷射混凝土中配置钢筋网。目前，我国在各类隧道工程中应用钢筋网喷射混凝土支护的比较多，主要用于软弱破碎围岩，而更多的是与锚杆或者钢拱架构成联合支护。

（1）构造组成。

钢筋网通常作环向和纵向布置。环向筋一般为受力筋，由设计确定，直径φ12 mm左右；纵向筋一般为构造筋，直径φ6～φ10 mm ；网格尺寸一般为20 cm×20 cm、20 cm×25 cm、25 cm×25 cm、25 cm×30 cm或30 cm×30 cm。围岩松散且破碎严重的，或土质和砂土质隧道，可采用细一些的钢丝，直径一般小于φ6 mm，网格尺寸亦应小一些，一般为10 cm×10 cm、10 cm×15 cm、15 cm×15 cm、15 cm×20 cm或20 cm×20 cm。钢筋网的搭接长度不应小于30d（d为钢筋直径）。

（2）施工要点。

① 钢筋网应根据被支护围岩面上的实际起伏形状铺设，且应在喷射一层混凝土后再行铺设。钢筋与岩面或与初喷混凝土面的间隙应不小于3～5 cm，钢筋网保护层厚度不小于2 cm（公路）或3 cm（铁路），有水部位不小于4 cm。当采用双层钢筋网时，两层钢筋网之间的间隔距离不宜小于8 cm。单层钢筋网喷射混凝土厚度不应小于8 cm，双层钢筋网喷射混凝土厚度不应小于150 mm。

② 为便于挂网安装，常将钢筋网先加工成网片，长宽可为100～200 cm。

③ 钢筋网应与锚杆或锚钉头连接牢固，并应尽可能多点连接，以减少喷射混凝土时使钢筋发生“弦振”。锚钉的锚固深度不得小于20 cm。

④ 开始喷射时，应缩短喷头至受喷面之间的距离，并适当调整喷射角度，这样可提高喷射料流的冲击力，迫使混凝土挤入钢筋背后，保证钢筋能被混凝土完全包裹，并保证喷层的密实性。