铁路隧道喷射混凝土施工浅见

2018年9月13日16:39:09 1 4,297

中铁五局集团有限公司 陈跃龙

摘要

本文通过回顾铁路隧道喷射混凝土施工的发展历史,分析并定义了这种特定情况下喷射混凝土的高流动性和高粘聚性性能。速凝剂具有3个重要作用,分别是:1)使得混凝土快速失去流动性并提高粘聚性;2)缩短下一层喷射等待时间;3)尽快提供支护强度。但是混凝土能够粘附在围岩表面不能仅仅依靠混凝土速凝剂的作用。据此更进一步阐述了混凝土性能与喷射机配套选择的问题,并解释了施工工艺过程中的关键技术和控制要点。

 

1、铁路隧道喷射混凝土施工的发展历程

我国铁路隧道锚喷支护体系的喷射混凝土施工经历了两个重要阶段,这两个阶段最鲜明的特征在于混凝土进入喷射机时的状态是否加水预拌和。

第一个发展阶段,在进入喷射机前,混凝土的所有原材料均是干料(包括速凝剂)。干料在喷射机外经过预拌和,进入喷射机前同洒入的速凝剂混和,通过风管输送到喷嘴处,在喷嘴处与加入的水混和,最后从喷射机喷出并射向围岩,形成支护用混凝土结构。这个阶段,混凝土用水在干料预拌和后才加入,干物料通过风送的方式输送到喷嘴处。这种喷射施工工艺称之为干式喷射工艺,简称为干喷。

第二个发展阶段,混凝土在进入喷射机前,混凝土的所有原材料,包括水一起预搅拌,然后送入喷射机,通过泵压或风压输送到喷嘴处;在那里与所加入的速凝剂混合然后从喷射机喷出,射向围岩,形成支护用混凝土结构。在这个阶段,混凝土用水与其它材料均按模注混凝土的要求,从混凝土拌和站生产,经运输车运送到隧道掌子面完成喷射施工。这种喷射施工工艺称为湿式喷射工艺,简称为湿喷。湿喷工艺中,在喷射机内部,无论是泵送还是风送,物料均处于湿润状态。

在第一个发展阶段和第二个发展阶段之间,还有一个短暂的发展过程,即潮式喷射工艺。在铁路隧道施工这个特定的环境中,干式喷射在空气中带来极多的粉尘,严重影响工作环境,极大地损伤工作人员健康。由于当初国力不足,资金困难,一时难以采用湿喷工艺。为此,在干喷的前提下,在预拌和干料前,加入少量的混凝土用水,比如砂子重量的6%~8%的水(约25~35千克每立方),使得砂子处于潮湿状态,从而在喷射过程中尽量减少扬尘数量。我们称这种喷射施工工艺为潮式喷射工艺,简称为潮喷。但从本质上来说,这种工艺仍然是干喷工艺(在喷嘴处才会与大多数混凝土用水拌和)。

当前流行两种类型的喷射机,一种是按混凝土泵输送原理设计的喷射机(简称为泵送式喷射机),一种是从干喷机逐步改造而来的喷射机(简称风送式喷射机)。两者最大的区别是在喷射机中混凝土混合料的输送方式:前者由混凝土泵输送混凝土混合料;后者风送式喷射机经过了多次改良,配料方式从转子式改良为活塞式,仍然是把混凝土混合料配送到风管,由压缩空气的气流将物料输送到喷嘴。

在这两个重要阶段,无论是干式喷射工艺还是湿式喷射工艺,在大多数情况下混凝土混和料都是通过风管输送到喷射机的喷嘴。在湿式喷射中,仍然从风管输送混凝土混和料,原因是多样的,其中一个主要原因是我们希望节省一个机械手和一个混凝土输送泵,以节省喷射机的投资。

 

2、铁路隧道喷射混凝土的定义

在铁路隧道这一特定的施工环境中,必须选择湿喷工艺,经过两个重要的发展阶段,这已成为共识。

我们对喷射混凝土的错误认识在于,以为它就是加了速凝剂的普通模注混凝土;混凝土喷射到围岩表面之后,靠速凝剂使之迅速凝结而粘附在围岩表面。事实上,当今最好的速凝剂作用于水泥净浆时的初凝时间和终凝时间也有不高于5分钟和10分钟的限制(这是化学反应规律所决定的),更何况混凝土更有三分之二以上的材料是砂和石,特别是喷射混凝土中,砂的比例更高。因此,若用普通模注混凝土作为喷射混凝土,它的凝结时间会更长,希望单纯使用速凝剂解决混凝土与围岩之间的粘结问题是不可能的,要解决这一问题,还得要求混凝土本身具有很强的粘聚性。

那么,问题来了,为什么要在喷射混凝土中使用速凝剂呢?

混凝土与速凝剂混合后,极快地失去流动性,并且更进一步地提高了粘聚性,这是它的第一个作用;在铁路隧道这种特定的结构和施工环境中,要求快速施工喷射混凝土,尽快封闭新暴露在空气中的围岩,并且尽早地提供对围岩的支护。无论混凝土的粘聚性有多高,在它凝结以前,粘附在围岩上的厚度总是有限的,不可能达到结构安全设计要求的厚度。因此,需要分层喷射以防止混凝土脱粘。而速凝剂能缩短混凝土的凝结时间,也就缩短了分层喷射施工之间的时间间隔,这是它的第二个作用; 同时,速凝剂能提高混凝土早期强度,及时为隧道提供支护所需要的结构,这是它的第三个作用。

应该注意,当前大量应用的速凝剂品种是高碱速凝剂,它会严重地降低混凝土的后期强度,掺量越多,强度降低越多。

在此基础上,我们已明白,喷射混凝土要粘附在围岩上,离不开自身的粘聚性以及喷射时的动力。要把混凝土混合料从混凝土运输车输送到喷射机、从喷射机入口输送到喷嘴更要求具有高的流动性。

综上所述,我们可以定义铁路喷射混凝土应该具有高流动性和高粘聚性。可以用混凝土的坍落度、坍落扩展度、压力泌水率以及T40等四项指标来表征喷射混凝土的性能。同时,这种混凝土混合料应该很容易用手团成团,摊在手心也不会分散,会慢慢地下沉变形。

现在我们把在成贵、广大、蒙华以及京张项目试验的经验总结如下表1:

材料比例
水胶比 0.360.40
胶凝材料总量(kg/m³ 450
砂率(%) 45
矿物外掺料(%) 15
混凝土用增稠剂(%) 0.000.1
速凝剂掺量(%) 35
混凝土性能
坍落度(mm 180220
坍落扩展度(mm 500550
压力泌水率(4.0兆帕保持1分钟,%) 0.0
T40时间(s 3~5

表1建议的铁路隧道喷射混凝土主要技术参数(

 

3、铁路隧道喷射混凝土施工用设备选型

根据前面的分析,我们确立了两个重要概念。第一,在铁路隧道这一特殊的施工场景中,喷射混凝土施工所需要的混凝土必须具有高流动性和高粘聚性,这与普通的模注混凝土是不一样的;我们还给出了这种混凝土的定义以及相关的性能指标。第二,铁路隧道喷射混凝土施工中速凝剂有三个作用,具有相当的重要性,希望只使用速凝剂而不注重混凝土的粘聚性是不恰当的。无论什么样的速凝剂,由于加快了硅酸盐水泥的化学反应,最终造成混凝土后期强度下降、耐久性能降低;因此不能无限制地提高速凝剂的掺量。

根据这些分析,我们不禁要回头审视铁路隧道喷射混凝土施工的发展过程。在从干式喷射转型到湿式喷射的过程中,我们忽略了物料在喷射机内部的输送过程。从机械原理的角度,我们知道风式输送要求物料处于干燥状态,易于分散,即输送要求物料是稀薄的流动状态。干式喷射机的设计使用风送方式输送稀薄流物料十分适宜。但在从干式喷射工艺转向湿式喷工艺之初,由于未能充分理解铁路隧道喷射混凝土需要具有高粘聚性的要求,因此为了节约机械设备的成本,只是对干式喷射机作简单地改造后,将它投入到湿式喷射施工中。

喷混凝土的状态调整成稀薄流动状态,加大水胶比是一个必要和必然的措施;而这种状态就破坏了混凝土的粘聚性,并且极大地延长了混凝土的凝结时间。这样会导致混凝土不能很好地粘附在围岩上,掉落极多;水胶比增加又延长了混凝土的凝结时间(且还降低混凝土强度),增加了第二层喷射施工的等待时间,如果不能及时调整喷射过程,也会导致混凝土更多的掉落;在对速凝剂作用的有误解的前提下,增加速凝剂的掺量会导致混凝土后期强度进一步下降。

因此,混凝土的性能与机械配套是铁路隧道湿式喷射混凝土施工成败的关键。结合上面的分析,我们知道了,混凝土应该具有高粘聚性,因此混凝土的输送只能是泵送;泵送施工则要求具有高流动性。如果要泵送施工,人力无法举高泵管并随着喷射过程让喷嘴作螺旋式运动,只能使用机械手。这也是阿里瓦公司坚持的设计原理,这也是我们今后在机械设备选型中应该坚持的原则。

 

4、施工工艺过程控制

在前面已讨论的铁路隧道湿式喷射混凝土定义以及配套选择喷射机类型的前提下,施工工艺过程控制是保证质量、节约人工工时和材料成本的关键,是这一节我们要讨论的重点。

搅拌站的生产控制十分重要,能否配制达到配合比设计所要求的混凝土,搅拌站的管理是关键。这里有许多问题值得探讨。比如,材料的匀化措施、称量和计量、运输组织、施工过程配套与控制等等问题,每一项都值得我们认真思考,需要专门论述。讨论这些问题不是本文的内容。简而言之,无论配合比设计成效如何,搅拌站都能生产出与配合比设计所要求性能一致的混凝土,那么我们就认为搅拌站管理是有成效的。本文中,我们假设搅拌站能配制出前面所定义的铁路隧道喷射混凝土,并能顺利地送达喷射混凝土施工现场,我们要讨论的是施工现场的工艺过程控制。

 

4.1喷射施工前的准备

在搅拌站生产的混凝土送达喷射施工现场以前,除了要做好机械设备的保养、零配件的准备之外,还应该处理受喷面。

喷射混凝土的喷射施工组合灌注和密实成型,在一个工序中完成这两项任务。喷射混凝土要稳定地粘附在围岩表面,首先就需要用风吹去浮碴和浮尘。另外,喷射到围岩的混凝土还需要一定的动能才能压缩密实,所以在喷射之前不应该先架设钢拱架。应经过初次喷射过程,让喷射混凝土达到规定的厚度;当钢拱架能与混凝土之间达到密贴状态时,才可以架设钢拱架。这是保证混凝土喷射密实和不下落的一个关键控制点,而这一点往往容易被忽视。

在施工现场,人们往往会认为可以先架设钢拱架,然后再喷射,这样可以少一道工序,可以节省时间和人力。但只要在现场仔细观察,就会发现往往这是事与愿违的。因为钢拱架后面存在虚空,混凝土喷射穿过钢拱架到达后面的围岩表面时,动能已不足,既不能保证稳定粘附,也不能保证密实。这样混凝土会大量下落,导致喷射施工时间加长,材料和人力大量浪费,往往是事倍功半。

要想钢拱架同初喷表面密贴,需要认真控制爆破,切实做到光面爆破。任何希望用喷射混凝土来填平围岩表面的做法最终都会浪费人力和物力,也会是事与愿违的。

因此,在喷射之前的初喷阶段是必不可少的,初喷之前还要用风吹去围岩表面的浮碴和浮尘。

 

4.2喷射过程的工艺控制

我们知道在喷射混凝土喷射到围岩表面后的一段时间,它是依靠混凝土的粘聚力稳定地粘附在围岩表面的。但这种粘聚力是有限的,因此,无论什么原因,在混凝土凝结稳定之前,无故增加混凝土的厚度,因为重力的原因,都会让混凝土向下掉落。喷射过程中,要牢牢地记住混凝土的性能特点,也就能理解喷射施工工艺的要点了。

由于一次不能喷射太厚的混凝土,因此,喷射过程中必定是要分层喷射。在上一层已充分凝结硬化之后,再接着喷下一层。为了保证连续施工,在每一层的喷射中,也必须采取逐行喷射,尽量扩大喷射面,拉长回头喷射下一层的时间。

在喷射过程中,不要希望先固定在一个点进行喷射施工,希望能尽量填平围岩表面。固定在一个点喷射,因为喷射后的延时不足,混凝土往往会从围岩表面掉落下来。应该深刻理解混凝土的性能特点,逐行喷射是必须的,即使要向一个点多喷一些混凝土,也得逐步进行,让等待时间尽量延长。

在喷射过程中,要控制喷嘴与围岩表面垂直,控制喷嘴与围岩之间的距离,喷嘴口还要做绕中轴线的圆周运动(结合到喷嘴还在做逐行的直线运动,因此,喷嘴口实际是做螺线运动),以尽量减少混凝土在围岩表面的反弹角度,这是降低喷射过程中回弹量的关键。

要做到以上这些施工要领,由人工掌控喷头,控制喷嘴是很难达到的,这也是阿里瓦公司的设备坚持使用机械手的一个重要原因。

 

4.3喷射施工后的控制要点

铁路隧道喷射混凝土因为加入了一定量的速凝剂,加快了混凝土的化学反应过程,导致混凝土内部因为快速水化反应而大量失水。加上为了减少凝结所需要的时间,增加混凝土的粘聚力,在配合比设计时水胶比较小,单方混凝土的用水量必定也小。因此,喷射混凝土的干燥收缩也相对较普通模注混凝土要大得多。在喷射施工完成并终凝后,要及时给混凝土表面补水,以减少干燥收缩带来的开裂风险,补水以保证喷射表面始终保持湿润为原则。

 

5、总结和讨论

铁路隧道喷射混凝土经历了两个重要的发展阶段,即干式喷射阶段和湿式喷射阶段。由于干式喷射工艺所带来的作业环境以及工人的劳动强度等问题,必定要在铁路隧道这一特定施工环境中受到淘汰。由于在从干式喷射转换到湿式喷射的过程中,我们忽略了对喷射混凝土性能的研究,从而单纯地从节省机械设备成本的角度,简单地将干式喷射机加以改造,认为这就可以用于湿式喷射。

事实上,混凝土不能完全依靠速凝剂粘附到围岩表面。在铁路喷射混凝土施工中,速凝剂有三个作用,第一是使得混凝土迅速失去流动性,进一步提高混凝土的粘聚力; 第二是缩短下一层喷射施工的等待时间;第三是提高混凝土的早期强度。但是,滥用速凝剂会导致混凝土后期强度及耐久性性能急剧下降,因此在使用速凝剂时要十分小心。

由于湿式喷射工艺要求混凝土具有高粘聚性,因此不可能使用风送的方式将它输送到喷嘴口,必定要使用泵送;而要使用泵送,则人工不能高举喷嘴,所以必定要使用机械臂,这是泵送式喷射机在设计时就考虑到要同混凝土性能配套的根本原因。如果用风送的方法输送湿润的物料,只能将物料配制成稀薄的状态,导致在混凝土中使用过多的水,使得水胶比大为增加,进而增加了混凝土的凝结时间,并且混凝土强度会下降。如果工艺控制不好,再加上人们对速凝剂作用的误解,同时加大速凝剂的用量,混凝土后期强度还会进一步大幅度下降。所以,在铁路隧道中采用湿式喷射施工工艺时,要使用泵送式喷射机,这是混凝土性能与所用机械配套的关键;这也是当下铁路隧道喷射混凝土发展到现阶段必须要面对和解决的问题。

正是因为混凝土粘附到围岩上需要自身的粘聚力,这一点会影响到我们施工工艺控制的方方面面。我们需要分层、逐行地喷射施工,尽量加大每一层的喷射面积,以便加长开始下一层喷射的等待时间。混凝土喷到围岩表面并密实的过程需要一定的动能;因此,在架设钢拱架之前,应先进行初次喷射达到规定的厚度才可以架钢拱架,保证钢拱架与喷射混凝土密贴;从而减少钢拱架对混凝土喷射过程的干扰,为混凝土密实提供更多的动能。当然,这也要求做好光面爆破这样的控制爆破,尽量提高受喷面的平整度。我们需要了解混凝土的性能特点及它所受到的限制,才能真正理解为什么要机械配套,为什么要做这些工艺和技术控制。

工艺中的其它控制要点都在其它文献和标准中都有讨论和规定,我们不一一地详细列出。

注释:

1、我们在此表中只是提供建议,仅供参考。因为材料变异较大,材料用量以及材料之间的比例需要根据试验具体确定。 但其中四项混凝土性能指标以及文中所述混凝土拌和物的手感具有指导意义,宜通过配合比设计达到此要求;

2、此处的矿物外掺料指除硅酸盐水泥之外的、类似粉煤灰、磨细矿渣粉等具有水硬活性的胶凝材料;

3、矿物外掺料掺量、坍落度、坍落扩展度、压力泌水率以及T40时间等几项指标的数据由中铁五局集团凌帆提供。

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    • 凌帆 凌帆

      在京张铁路使用的喷射混凝土,速凝剂掺量设定为3%到5%,只有使用高碱速凝剂才可能实现。后期的强度损失和耐久性指标肯定是非常低的。你们在那里搞耐久性300年或275年的混凝土,采用这样的混凝土配合比能实现吗?还有一个问题就是并不是所有的速凝剂都要引起后期强度的大幅度减少。