喷射混凝土的施工及性能分析

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，喷射到岩壁表面上，并迅速固结成一层支护结构，从而对围岩起到支护作用。

喷射混凝土可以作为隧道工程Ⅱ～Ⅴ类围岩中的永久性和临时性支护，也可以与各种形式的锚杆、钢纤维、钢拱架、钢筋网等构成复合式支护结构。它的灵活性也很大，可以根据需要分次追加厚度。因此除用于地下工程外，还广泛应用于地面工程的边坡防护、加固，基坑防护，结构补强等。

（一）喷射混凝土的作用

1.支撑围岩

由于喷层能与围岩密贴和粘贴，并给围岩表面以抗力和剪力，从而使围岩处于三向受力的有利状态，防止围岩强度恶化；此外，喷层本身的抗冲切能力阻止不稳定块体的滑塌。

2.“卸载”作用

由于喷层属柔性，能有控制地使围岩在不出现有害变形的前提下，进行一定程度的变形，从而使围岩“卸载”，同时喷层中地弯曲应力减小，有利于混凝土承载力的发挥。

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粘连在一起，保护岩块间的咬和、镶嵌作用，提高其间的黏结力、摩阻力，有利于围岩松动，并避免或缓和围岩应力集中。

4.覆盖围岩表面

喷层直接粘贴岩面，形成风化和止水的保护层，并阻止节理裂隙中充填物流失。

5.阻止围岩松动

喷层能紧跟掘进进程后及时进行支护，早期强度较高，因而能及时向围岩提供抗力，阻止围岩松动。

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分担。

（二）喷射混凝土的特点

（1）喷射混凝土具有强度增长快、黏结力强、密度大、抗渗性好的特点。它能较好地填充岩块间裂隙的凹穴，增加围岩的整体性，防止自由面的风化和松动，并与围岩共同工作。

（2）与普通模筑混凝土相比，喷射混凝土施工将输送、浇注、捣固几道工序合而为一，更不需模板，因而施工快速、简捷。

（3）喷射混凝土能及早发挥承载作用。它能在10min左右终凝，一般2h后即具有强度，8h后可达2MPa，16h后达5MPa，一天后可达7～8MPa，四天达到28d强度的70%左右。

（4）试验表明，喷射混凝土与模筑混凝土相比，密实性和性能稳定性要差。

（三）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，然后装入喷射机，用压缩空气使干骨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。此法须由熟练人员操作，水灰比宜小，石子须用连续级配，粒径不得过大，水泥用量不宜太少，一般可获得28～34MPa的混凝土强度和良好的黏着力。干喷作业流程如图4-6-9所示。

干喷的缺点是产生的粉尘量大，回弹量大，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。影响混凝土强度。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，使之呈潮湿状，再加水泥拌和，从而减少上料、拌和和喷射时的粉尘。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。目前施工现场较多使用的是潮喷工艺。

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，其工艺流程如图4-6-10所示。

图4-6-9　干喷工艺流程

图4-6-10　湿喷工艺流程

施工时宜用随拌随喷的办法，以减少稠度变化，此法的喷射速度较低，由于水灰比增大，混凝土的初期强度亦较低，但回弹情况有所改善，喷射过程中的粉尘很少，材料配合易于控制，工作效率较干喷法为高。

湿喷工法对喷射机械要求较高，因为喷射的混凝土为速凝混凝土，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，则不易使用湿喷。

3.混合喷射

混合喷射又称水泥裹沙造壳喷射法，是将一部分沙加第一次水拌湿，再投入全部水泥强制搅拌造壳，再加第二次水和减水剂拌和成SEC砂浆，将另一部分沙和石、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。其工艺流程如图4-6-11所示。

将按一定配比拌制而成的水泥裹沙砂浆和以粗骨料为主的混合料，分别用砂浆泵和喷射机输送至喷嘴附近相混合后，高速喷到受喷面上所形成的混凝土

在沙子中加上适量的水，使水泥颗粒黏结在沙子表面，形成低水灰比的净浆薄壳，用以提高混凝土或砂浆强度的方法，简称SEC施工法。

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。

图4-6-11　水泥裹沙喷射混凝土

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，而混合喷射和湿喷的则可达到C30～C35。

（四）喷射混凝土的原材料及其配比

水泥：水泥的品种和规格应根据巷道支护工程的要求、水泥对所用速凝剂的适应性，以及现场供应条件而定。应优先选用普通硅酸盐水泥，其特点是凝结硬化快，保水性好，早期强度增长快。水泥的标号一般不低于325号，过期、受潮结块或混合的水泥均不得使用。水泥进库时应根据出厂合格证进行验收，注意检查其品种、标号和出厂日期，并按批堆，防止堆放在底部的水泥长期不用而失效。(www.xing528.com)

沙子：应采用坚硬耐久的中沙或粗细度模数应大于2.5，含水率宜控制在5%～7%，含泥量不得大于3%。细沙会增加喷射混凝土的干缩变形，而且过细的粉砂中小于5μm的颗粒和游离二氧化硅的含量增大，易产生大量粉尘，影响操作人员的身体健康。

石子：应采用坚硬耐久的卵石或碎石，粒径不应大于15mm。采用卵石，因其光滑干净，对喷射机和输料管路磨损少，有利于远距离输料和减小堵管故障。碎石混凝土比软石混凝土强度高，喷射作业中回弹率也较低，但碎石有棱角，表面粗糙，对喷射机和输料管路磨损严重，应尽量少用。

水：凡能饮用的自来水及天然水都可作为喷射混凝土混合用水。混合水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害物质，不得使用污水以及PH＜4的酸性水和含硫酸盐量按SO4计算超过水重的1%的水。

速凝剂分为两类：一类是以铝酸盐和碳酸盐为主，再复合一些其他无机盐类组成的；另一类则以水玻璃为主要成分，再与其他无机盐类复合组成。按其形状可分为粉状和液状两类。具体选用种类后，依说明进行配制。

配合比：由于喷射混凝土施工工艺的特点，在选择喷射混凝土时既要满足支护结构对喷射混凝土的物理力学性能方面的要求，又要考虑喷射混凝土施工工艺方面的要求，而使喷射混凝土足够抗压、抗拉，具有足够的黏结强度，以使喷射混凝土收缩变形值保持最小，喷射作业的回弹力最低。

混合料配合比是指一立方米喷射混凝土中，水泥、沙、石子所占比例。水泥用量大；喷射混凝土的收缩也大，容易开裂，而且费用增加。为了减少喷射时的回弹物，喷射混凝土与普通混凝土相比，其石子用量要少得多，而沙子用量则相应增大，甚至达50%。

一般喷射混凝土混合料的配合比如下。

水泥与沙石之重量比1：4～1：4.5；沙率宜为45%～55%；水灰比宜为0.4～0.45。速凝剂掺加时应根据产品性能通过试验确定。

喷浆时，水泥：沙为1：2至1：3（重量比），水灰比0.45～0.55。

喷射混凝土时，水泥：沙：石子为1：2：2，1：2.5：2，初喷时可适当减少石子掺量，水灰比0.4～0.5。

原材料按重量计，称量的允许偏差，水泥和速凝剂均为±2%，沙和石子均为±3%。

（五）喷射混凝土的施工工艺

喷射混凝土的工艺流程中：主要是供料、压气、供水、供电四大系统；四大系统齐备，才能进行喷射混凝土操作。但是工作气压多大合适，喷头喷射的方向以及喷头距受喷围岩表面距离多少才能有效地作业，一次喷层厚度多大为合理，初喷与复喷的间隔时间多长为适宜，以及喷层与锚杆、金属网的关系等，都需要科学、合理、实用的工艺参数。工艺参数合理，才能保证喷射混凝土的质量和施工进度，从而有效地发挥其应有的支护作用。

1.工作压力

工作压力是指喷射混凝土正常施工时，喷射机工作罐时或转子体内的压气压力。喷射混凝土是靠压缩空气来输送混合料的，因此，正确掌握气压是十分重要的。气压掌握是否适当，对于减少喷射混凝土的回弹，降低粉尘，保证喷射混凝土质量，防止输送管路堵塞等都有很大影响。

控制气压，为了控制粉尘和回弹，大都采用低气压。一般来说，水平输送距离30～50m，喷射机的供气压力保持在0.12～0.18MPa是适当的和有效的。

向上垂直输料时，要求工作气压比水平输料时大，每增加设计10m，约增加工作气压0.02～0.03MPa。

当然，在喷射混凝土施工过程中，喷射机司机应与喷射手密切配合，根据实际情况及时调整喷射机的工作压力。

2.水压

为了保证喷头处加水，通过水环使气流迅速通过混凝土混合料使其充分湿润，一般水压应比气压高0.1MPa左右。采用双水环比单水环的效果好一些。应当采用专用水箱，装上压力表，操作人员调节喷头水环上的水阀来控制水压。

3.水灰比

掌握合理的水灰比对于减少回弹、降低粉尘和保证喷射混凝土有直接关系。混合料加水变成混凝土是在喷头处水环供水瞬间实现的，理论上最合适的水灰比是0.4～0.5。但实际操作中全靠喷射手的经验加以控制，及时调整，主要靠目测，而不能实测。根据经验，如果新喷射的混凝土易粘着，回弹量少，喷层表面有一定的光泽，说明水灰比是合适的。如果喷射时出现干斑，粉尘飞扬，回弹量大，喷层表面无光泽，说明水灰比偏低，应适当增加水量。如果喷射时表面塑性大，出现流淌现象，则说明水灰比偏高，应适当减少水量。

4.喷头方向

当喷头喷射方向（即喷射料束方向）与受喷面（围岩表面）垂直，并略向刚喷射的部位倾斜时，回弹量最小。这时因喷射方向与受喷面垂直时，粗骨料遇岩面或混凝土层碰撞后总有一部分按垂直的相反方向弹回，这时弹回物受到喷射料束的约束，抵消了部分回弹的能量，有利于嵌入砂浆或混凝土层中。而喷头喷射方向略微向刚喷部位倾斜，则可使喷出的料束有相当部分直接冲入粘塑状态的混凝土中，而避免一部分骨料与岩面直接碰撞而增大回弹量。因此，除喷巷帮侧墙下部时，喷头的喷射角度可下俯10°～15°外，其他顶板及两帮喷射混凝土时，要求喷头的喷射基本上垂直于围岩受喷面。

5.喷头与受喷面的距离

喷头与受喷面最佳距离是根据喷射混凝土强度最高和回弹最小来确定的，最大限度约为800～1000mm。一般在输料距离30～50m，供气压力0.12～0.18MPa，最佳喷距喷帮300～500mm，喷顶450～600mm。如果距离过小，粗骨料喷射时所受空气阻力很小，而喷射动能很大，增大了回弹；如果距离过大，粗骨料喷射时所受空气阻力过大，相应的喷射动能减小而无法嵌入混凝土，而且有可能出现料束扩散较大，使回弹量有所增加。

6.一次喷射厚度

混凝土混合料从喷头喷出后，围岩表面立即黏结一层喷射混凝土。如果不移开喷头而连续在一处喷射，黏结的混凝土层会愈粘愈厚，直至混凝土支持不住本身的重量，就会出现错裂，甚至脱落，影响混凝土的黏结力与凝聚力。如喷头移动过快，地岩面上只留下薄薄一层砂浆，而大部分骨料弹回。等薄层硬结后再喷第二层，相当于又向岩面喷射，势必增加回弹率，影响效率。因此，一次喷射混凝土应有一定的厚度，其厚度主要根据岩性、围岩应力，裂隙、巷道规格尺寸，及其他形式支护（如锚杆）的配合情况来确定。过厚、过薄均不利。一般一次喷射混凝土的厚度：掺速凝剂水平喷100mm，向上喷射60mm；不掺速凝剂水平喷射70mm，向上喷射40mm。

7.喷射层间的间隔时间

因设计要求喷射混凝土很厚，或围岩部凹穴很深，喷射混凝土厚度往往超过一次喷射所能达到的厚度，要进行二次或多次复喷，其间隔时间，应当是喷射混凝土终凝后，且产生一定强度，能经受下次喷射流束的冲击而不至损坏。合理的间隔时间与水泥品种、速凝剂掺量、环境温度、水灰比大小、施工方法、支护性能等有密切关系。实际操作时，可根据具体情况和施工组织设计或作业规程的要求掌握。

8.喷射混凝土的喷射顺序

喷射时应分段（不超过6m）、分部（先下后上）、分块（2.0m×2.0m），严格按先墙后拱、先下后上的顺序进行（图4-6-12（a）），以减少混凝土因重力作用而起的滑动或脱落现象的发生。喷射时可以采用S形往返移动前进，也可以采用螺旋形移动前进（图4-6-12（b））。

图4-6-12　喷射混凝土喷射顺序土

（六）喷射混凝土堵管的处理

喷射作业中常遇到堵管，其原因是多方面的，如粗集料过大、水泥硬块或其他杂物、干喷时混合料（主要是砂）湿度过大（大于6%）致使摩擦力增大、输料管弯头过小以及风压偏低等均会造成堵管。另外，若操作人员操作不对，如先开电机后给风、混合料未吹完就停风、误开放气阀而停风等也会引起堵管。

遇到堵管时，喷射机操作员应立即关闭电动机，随后关闭风源，喷射手将软管拉直，然后用手锤敲击以寻找堵管处。当敲击钢管时有发硬的感觉处，即为堵管部位。找到堵管部位后，可将风压升到0.3～0.4MPa（不超过0.5MPa），并用锤击堵塞部位，使其畅通。排除堵管时，喷嘴前方禁止站人，以免被喷伤。