黃土隧道初支噴射混凝土配合比選定及性能研究

王松科

（中鐵十八局集團(tuán)第一工程有限公司，河北涿州 072750）

1 研究背景

我國(guó)隧道修建工程蓬勃發(fā)展，截至2020 年底，已有16 798 條鐵路投入運(yùn)營(yíng)，運(yùn)營(yíng)里程高達(dá)19 630 km，其中高速鐵路3 631 條，共計(jì)6 003 km[1-2]。我國(guó)川藏、滇藏鐵路隧道建設(shè)過程中面臨高地應(yīng)力軟巖大變形、巖爆、高低溫、活動(dòng)帶斷裂、高原高寒等諸多不良地質(zhì)和復(fù)雜環(huán)境問題[3-5]，因此構(gòu)建行之有效的高性能支護(hù)體系是大力推行中西部鐵路建設(shè)的關(guān)鍵[6]。其中，高早強(qiáng)噴射混凝土（24 h 內(nèi)噴射混凝土具有10 MPa 以上強(qiáng)度）為關(guān)鍵支護(hù)構(gòu)件[7-8]，對(duì)圍巖和掌子面在開挖后的變形控制、保障作業(yè)安全以及高性能體系的建立至關(guān)重要。相關(guān)研究人員就高早強(qiáng)噴射混凝土進(jìn)行了研究，取得的研究成果如下[9-13]：①噴射混凝土施工效率和支護(hù)效果取決于3 h 抗壓強(qiáng)度，強(qiáng)度愈高效果愈佳；②噴射混凝土的早期強(qiáng)度對(duì)著圍巖質(zhì)量有重要影響，隧道施工過程中噴射混凝土快速凝結(jié)硬化比慢速凝結(jié)硬化的拱頂沉降少；③濕噴混凝土在硫鋁酸鈣基早強(qiáng)劑與無堿液體速凝劑共同作用下凝結(jié)速率加快，3 h 抗壓強(qiáng)度可達(dá)5 MPa。

依據(jù)GB 50086-2011《巖土錨固與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》、DL/T 5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》規(guī)定[14-15]，噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)三大指標(biāo)為水灰比、砂率、膠凝材料和集料的比例（以下簡(jiǎn)稱“膠集比”）。目前關(guān)于高早強(qiáng)噴射混凝土研究主要集中于速凝劑的研究，對(duì)于噴射混凝土三大指標(biāo)和速凝劑對(duì)早期強(qiáng)度制約的系統(tǒng)性研究較少。本文以蒙華鐵路MHTJ-5 項(xiàng)目張家園隧道為例，對(duì)該項(xiàng)目初期支護(hù)所用噴射混凝土配合比選定以及性能展開研究。

2 工程概況

蒙華鐵路MHTJ-5 項(xiàng)目張家園隧道位于陜西省延安市安塞縣坪橋鎮(zhèn)坪橋村，進(jìn)口里程DK275+416，出口里程DK281+704，全長(zhǎng)6 288 m，包含Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ3 類圍巖。鑒于工程圍巖類型，黃土隧道在開挖后自穩(wěn)性較差，易發(fā)生坍塌，構(gòu)建行之有效的高性能支護(hù)體系是解決坍塌的關(guān)鍵，高性能支護(hù)體系兼具早期高強(qiáng)度和后期耐久性，早期高強(qiáng)度即噴射混凝土24 h 內(nèi)具有10 MPa以上強(qiáng)度，噴射混凝土早期高強(qiáng)的發(fā)展對(duì)掌子面開挖后的變形控制、保障作業(yè)安全至關(guān)重要。

文章擬采用四因素三水平正交試驗(yàn)手段，旨在分析水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量4 個(gè)因素在3 種配比水平條件下對(duì)噴射混凝土早期強(qiáng)度的影響趨勢(shì)，得出最佳噴射混凝土的條件。基于最佳噴射混凝土配合比采用控制變量手段，即4 個(gè)因素中1 個(gè)因素水平發(fā)生變化，其他3 個(gè)因素保持不變，開展噴射混凝土凝結(jié)硬化后抗壓強(qiáng)度、電通量值、抗?jié)B等級(jí)、凍融循環(huán)質(zhì)量損失率性能分析。綜合上述噴射混凝土早期強(qiáng)度、凝結(jié)硬化后強(qiáng)度、電通量值、抗?jié)B等級(jí)、凍融循環(huán)質(zhì)量損失率發(fā)展趨勢(shì)，得出高早強(qiáng)、凝結(jié)硬化后強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)較佳、低電通量值、高抗?jié)B等級(jí)、低凍融循環(huán)后質(zhì)量損失率的最佳配合比。

3 配合比選定及性能試驗(yàn)分析

3.1 噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

依據(jù)GB 50086-2011《巖土錨固與噴射混凝土支護(hù)工程技術(shù)規(guī)范》、DL/T 5144-2001《水工混凝土施工規(guī)范》規(guī)定，濕法噴射混凝土三大指標(biāo)范圍為：水灰比0.42～0.50、砂率50%～60%、膠集比 1 ∶ 3.5～1 ∶ 4.0?；谏鲜鋈笾笜?biāo)設(shè)計(jì)四因素三水平正交試驗(yàn)，試驗(yàn)考察的因素和水平如表 1 所示。為提高噴射混凝土工作性能，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)摻加粉煤灰，因此水灰比改為水膠比。

3.2 性能試驗(yàn)分析

3.2.1 正交試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)制約噴射混凝土8 h 抗壓強(qiáng)度中水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量的影響因素和水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，以噴射混凝土回彈率計(jì)算出極差，結(jié)果如表2 所示。從表中數(shù)據(jù)可以得出以下結(jié)論。

表1 試驗(yàn)考察的因素和水平

表2 L9（43）正交分析的實(shí)驗(yàn)結(jié)果

（1）根據(jù)極差的大小，可得出試驗(yàn)因素對(duì)噴射混凝土8 h 抗壓強(qiáng)度的影響情況。水膠比的變化對(duì)8 h 抗壓強(qiáng)度極差的影響為0.6，膠集比變化對(duì)8 h 抗壓強(qiáng)度極差的影響為 0.5，速凝劑摻量、砂率對(duì)8 h 抗壓強(qiáng)度的極差影響分別為0.4 和0.3。因此，水膠比對(duì)8 h 抗壓強(qiáng)度影響最大，之后依次為膠集比、速凝劑摻量、砂率。

（2）依據(jù)正交試驗(yàn)原理，水膠比因素下Ⅱ水平平均值最大，因此選擇水膠比為0.46；膠集比因素下Ⅱ水平平均值最大，因此選擇膠集比為1 ∶ 3.8；速凝劑摻量因素下Ⅲ水平平均值最大，因此選擇速凝劑摻量為5%；砂率因素下Ⅱ水平平均值最大，因此選擇砂率為55%。故而，噴射混凝土8 h 抗壓強(qiáng)度最佳條件為水膠比0.46、膠集比為1 ∶ 3.8、速凝劑摻量為5%、砂率為55%。

3.2.2 力學(xué)性能、回彈量分析

隧道初支施工中噴射混凝土早期8 h 抗壓強(qiáng)度是關(guān)鍵，高早強(qiáng)噴射混凝土有利于隧道結(jié)構(gòu)支撐，防止爆破工序完成后未清理危石掉落，提高施工效率，此外回彈量也是初支噴射混凝土需要考慮的指標(biāo)，降低回彈量可有效減少對(duì)混凝土原材料的浪費(fèi)、提高施工效率以及控制施工成本支出。為了進(jìn)一步揭示4 個(gè)因素對(duì)混凝土抗壓強(qiáng)度、回彈量的影響，采用控制變量的方法，1 個(gè)因素發(fā)生變化，其余3 個(gè)因素不變，分析四因素對(duì)抗壓強(qiáng)度、回彈量的發(fā)展規(guī)律。

（1）不同水膠比對(duì)抗壓強(qiáng)度、回彈量影響分析?？刂颇z集比為1 ∶ 3.8、速凝劑摻量為5%、砂率為55%，水膠比分別為0.43、0.44、0.45、0.46、0.47 時(shí)抗壓強(qiáng)度、回彈量的發(fā)展規(guī)律如圖1 所示，由圖可得：①不同水膠比下抗壓強(qiáng)度發(fā)展規(guī)律呈先增加后降低趨勢(shì)，水膠比為 0.45 時(shí)，8 h、3 天、28 天抗壓強(qiáng)度均為最大值；②8 h～3 天抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)為0.44（131.1%）＞0.45（128.4%）＞0.46（127.4%）＞ 0.47（126.5%）＞0.43（119.8%），3 天～28 天抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)為0.44（99.2%）＞0.45（97.6%）＞0.46（96.3%）＞0.47（95.2%）＞0.43（95.0%），即水膠比為0.44 時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大；③隨著水膠比的增加回彈量呈增大趨勢(shì)，即0.47（18.6%）＞0.46（17.8%）＞0.45（16.9%）＞0.44（14.9%）＞0.43（14.3%），依據(jù)設(shè)計(jì)文件，為提升噴射混凝土的質(zhì)量、減少原材料的浪費(fèi)，噴射混凝土要求回彈量大于15%，水膠比為0.43 和0.44 時(shí)滿足設(shè)計(jì)文件要求。綜合不同水膠比下抗壓強(qiáng)度、回彈量發(fā)展規(guī)律可得，最佳水膠比為0.44。

圖1 不同水膠比下抗壓強(qiáng)度、回彈量圖

（2）不同膠集比下抗壓強(qiáng)度、回彈量影響分析?；谏鲜霾煌z比下噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、回彈量的發(fā)展規(guī)律可得水膠比為0.44 時(shí)較佳，因此控制水膠比為 0.44、速凝劑摻量為5%、砂率為55%，膠集比分別為1 ∶ 3.6、1 ∶ 3.7、1 ∶ 3.8、1 ∶ 3.9 時(shí)抗壓強(qiáng)度、回彈量的發(fā)展規(guī)律如圖2 所示，由圖可得：①隨著膠集比中集料占比組分的增大，抗壓強(qiáng)度呈先增后減趨勢(shì)發(fā)展；② 8 h～3 天抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)為1 ∶ 3.7（131.7%）＞1 ∶ 3.8（131.1%）＞1 ∶ 3.9（129.7%）＞1 ∶ 3.6（127.6%），3 天～28天抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)為1 ∶ 3.7（99.6%）＞1 ∶ 3.8（99.2%）＞1 ∶ 3.9（98.7%）＞1 ∶ 3.6（96.9%），即膠集比為1∶3.7 時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大；③隨著膠集比中集料占比組分的增大，回彈量呈增大趨勢(shì)，即1 ∶ 3.9（16.2%）＞1 ∶ 3.8（14.9%）＞1 ∶ 3.7（14.6%）＞1 ∶ 3.6（14.2%），回彈量越大越不利于噴射混凝土質(zhì)量控制，同時(shí)造成原材料浪費(fèi)、增大施工成本，因此合理范圍內(nèi)回彈量越小越好。綜合抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率、回彈量發(fā)展趨勢(shì)可得，最佳膠集比為1 ∶ 3.7。

圖2 不同膠集比下抗壓強(qiáng)度、回彈量圖

（3）不同速凝劑摻量對(duì)抗壓強(qiáng)度、回彈量影響分析。基于上述不同水膠比、膠集比下噴射混凝土抗壓強(qiáng)度、回彈量的發(fā)展規(guī)律可得水膠比為0.44、膠集比為1∶3.7 時(shí)較佳，水膠比為0.44，膠集比為1∶3.7，砂率為55%，速凝劑摻量分別為3.8%、4.2%、4.6%、5.0%、5.4%時(shí)抗壓強(qiáng)度、回彈量的發(fā)展規(guī)律如圖3 所示，由圖可得：①齡期為8 h、3 天時(shí)，隨著速凝劑摻量的增加抗壓強(qiáng)度呈增長(zhǎng)趨勢(shì)，齡期為28 天時(shí)，抗壓強(qiáng)度隨隨速凝劑摻量的增加呈先增后減的趨勢(shì)；② 8 h～3 天抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)為4.6%（133.3%）＞5.0%（131.7%）＞5.4%（129.2%）＞4.2%（127.6%）＞4.2%（125.0%），3 天～28天抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)為4.6%（103.4%）＞4.2%（102.7%）＞3.8%（101.9%）＞5.0%（99.6%）＞5.2%（86.0%），即速凝劑摻量為4.6%時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大；③隨著速凝劑摻量的增大，回彈量呈遞減趨勢(shì)，即3.8%（16.9%）＜4.2%（15.2%）＜4.6%（14.7%）＜5.0%（14.6%）＜5.4%（14.2%），其中速凝劑摻量不低于4.6%時(shí)滿足回彈量的設(shè)計(jì)要求，回彈量降低有利于混凝土質(zhì)量及施工成本支出，因此速凝劑摻量合理范圍內(nèi)選取回彈量越小越好。綜合抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率、回彈量發(fā)展趨勢(shì)可得，最佳速凝劑摻量為4.6%。

（4）不同砂率對(duì)抗壓強(qiáng)度、回彈量影響分析。基于上述分析可得，水膠比為0.44、膠集料比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為0.46 時(shí)較佳，水膠比為0.44，膠集比為1 ∶ 3.7，速凝劑摻量為4.6%，砂率分別為52%、53%、54%、55%、56%時(shí)抗壓強(qiáng)度、回彈量的發(fā)展規(guī)律如圖4 所示，由圖可得：①隨著砂率的增加，抗壓強(qiáng)度呈遞減趨勢(shì)發(fā)展；② 8 h～3 天抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)為52%（135.2%）＞53%（134.9%）＞54%（134.3%）＞55%（133.3%）＞ 56%（130.6%），3 天～28 天抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率發(fā)展趨勢(shì)為52%（105.5%）＞53%（104.8%）＞54%（103.7%）＞55%（103.4%）＞56%（95.6%），即砂率為52%時(shí)抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率最大；③隨著砂率增大，回彈量呈遞減趨勢(shì)，即52%（15.2%）＜53%（15.1%）＜54%（14.9%）＜55%（14.7%）＜56%（14.5%），其中砂率不低于54%時(shí)滿足回彈量的設(shè)計(jì)要求，回彈量降低有利于混凝土質(zhì)量、降低施工成本，因此砂率合理范圍內(nèi)選取回彈量越小越好。綜合抗壓強(qiáng)度增長(zhǎng)率、回彈量發(fā)展趨勢(shì)可得，最佳砂率為54%。

3.2.3 抗?jié)B性能、抗凍融循環(huán)性能分析

基于上述3.2.2 章節(jié)中4 種因素水平下抗壓強(qiáng)度、回彈量發(fā)展規(guī)律可得，水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時(shí)噴射混凝土的抗壓強(qiáng)度趨勢(shì)發(fā)展最佳，同時(shí)回彈量滿足設(shè)計(jì)文件要求。噴射混凝土在應(yīng)用過程中面臨隧道涌水沖刷、嚴(yán)寒季節(jié)時(shí)的凍融現(xiàn)象，因此展開最佳配合比抗?jié)B性能、抗凍融循環(huán)性能檢測(cè)研究十分必要。

水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時(shí)硬化混凝土養(yǎng)護(hù)28 天后不同凍融循環(huán)次數(shù)后質(zhì)量損失率的發(fā)展如圖5 所示。由圖可知，凍融循環(huán)次數(shù)增多，質(zhì)量損失率隨之增大，凍融循環(huán)為250 次時(shí)，質(zhì)量損失率為5.2%，依據(jù)GB/T 50081-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》判定混凝土抗凍等級(jí)為F200，滿足噴射混凝土設(shè)計(jì)要求[16]。

圖5 最佳配合比下不同凍融循環(huán)次數(shù)后質(zhì)量損失率

水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時(shí)硬化混凝土養(yǎng)護(hù)28 天后不同抗?jié)B等級(jí)下未滲水試件的數(shù)量變化如圖6 所示，隨著抗?jié)B等級(jí)的增加，未發(fā)生滲水的試件個(gè)數(shù)逐漸減少，抗?jié)B等級(jí)為W14 時(shí)未滲水試件數(shù)量為3 個(gè)，依據(jù)GB/T 50081-2009《普通混凝土長(zhǎng)期性能和耐久性能試驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)》判定混凝土抗?jié)B等級(jí)為W12，滿足噴射混凝土設(shè)計(jì)要求[16]。

圖6 最佳配合比下抗?jié)B等級(jí)發(fā)展圖

4 施工要點(diǎn)及應(yīng)用效果分析

4.1 噴射混凝土施工要點(diǎn)

噴射混凝土施工要點(diǎn)包括以下幾個(gè)方面。

（1）初噴水泥砂漿，待終凝后再噴射混凝土，其目的是減少首層粗骨料的回彈量。

（2）噴射混凝土作業(yè)時(shí)分段、分片、分層依次進(jìn)行，且每環(huán)應(yīng)封閉及時(shí)。分段施工時(shí)，每次噴射混凝土完畢預(yù)留斜面，斜面寬度為200～300 mm，再次噴射混凝土?xí)r，斜面上應(yīng)用高壓水沖洗濕潤(rùn)后再行噴射混凝土。分片噴射要自下而上進(jìn)行，先噴鋼架與壁面間混凝土，再噴兩鋼架之間混凝土，邊墻噴射混凝土應(yīng)從墻腳開始向上噴射，使回彈不致裹入最后噴層。分層噴射，兩層噴射應(yīng)間隔至少15～20 min，若終凝1 h 后再進(jìn)行噴射時(shí)，應(yīng)先用風(fēng)水清洗噴層表面，一層噴混凝土的厚度主要由噴射顆粒間的凝聚和噴射層與受噴巖面之間的黏結(jié)力而定，一般情況邊墻一次噴射混凝土厚度控制在7～10 cm，拱部控制在5～6 cm，并保持噴層厚度均勻。

（3）噴射速度適當(dāng)，以利于混凝土壓實(shí)，風(fēng)壓過大，噴射速度增大，回彈量增加；風(fēng)壓過小，噴射速度過小，壓實(shí)力小，影響噴射混凝土強(qiáng)度。

（4）噴嘴與受噴面間距宜為0.6～1.8 m，噴嘴應(yīng)垂直于巖面角度，以使獲得最大壓力和最新回彈量，但在噴邊墻時(shí)，宜將噴嘴略向下俯5°～10°，使混凝土束噴射在較厚的混凝土頂端，避免料束中的粗骨料直接與巖面撞擊，減少回彈量。噴射混凝土?xí)r先噴射鋼架背后與圍巖間的空隙，噴射密實(shí)后，再噴射鋼架與鋼架間的混凝土，鋼架與噴混凝土形成一體，鋼架應(yīng)全部被噴射混凝土覆蓋，保護(hù)層厚度不小于3 cm。

（5）隧道噴射混凝土厚度大于5 cm 時(shí)分兩層作業(yè)，第二次噴射混凝土在第一層混凝土終凝1 h 后進(jìn)行。噴射混凝土終凝2 h 后，進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)時(shí)間不少于7 天。噴射混凝土開挖時(shí)，下次爆破距噴射混凝土完成時(shí)間的間隔不得小于4 h。

4.2 應(yīng)用效果分析

水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時(shí)，兼具抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)大、回彈量低、抗凍融循環(huán)質(zhì)量損失率低、抗?jié)B等級(jí)高等諸多優(yōu)點(diǎn)，將該混凝土配合比應(yīng)用于張家園隧道項(xiàng)目初支用噴射混凝土，該配合比的工程應(yīng)用實(shí)施大幅提高了噴射混凝土的工程質(zhì)量，有效減少了因回彈量過大造成的混凝土浪費(fèi)，節(jié)約了施工成本。最佳配合比下噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工、澆筑示意圖如圖7 所示。

圖7 噴射混凝土現(xiàn)場(chǎng)施工示意圖

5 結(jié)論

本研究以蒙華鐵路MHTJ-5 項(xiàng)目中張家園隧道為例，對(duì)初支用噴射混凝土配合比選定以及性能展開研究，采用四因素三水平正交試驗(yàn)手段，旨在分析水膠比、砂率、膠集比、速凝劑四因素三水平條件下制約噴射混凝土早期強(qiáng)度影響趨勢(shì)，得出最佳噴射混凝土的條件，結(jié)論如下。

（1）對(duì)制約噴射混凝土8 h 抗壓強(qiáng)度中水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量的影響因素和水平進(jìn)行正交試驗(yàn)，得出水膠比對(duì)8 h 抗壓強(qiáng)度影響最大，之后依次為膠集比、速凝劑摻量、砂率。

（2）對(duì)水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量展開抗壓強(qiáng)度、回彈量分析，水膠比為0.44、膠集比為1 ∶ 3.7、速凝劑摻量為4.6%、砂率為54%時(shí)抗壓強(qiáng)度發(fā)展趨勢(shì)最佳、回彈量較低，有利于施工質(zhì)量、成本控制。

（3）最佳水膠比、砂率、膠集比、速凝劑摻量下28天抗凍等級(jí)為F200，抗?jié)B等級(jí)為W12，滿足噴射混凝土抗凍等級(jí)F150、抗?jié)B等級(jí)W8 的設(shè)計(jì)要求。上述最佳配合比現(xiàn)已應(yīng)用于實(shí)際工程中，相關(guān)研究可為類似隧道工程項(xiàng)目配合比的設(shè)計(jì)提供參考依據(jù)。