水平泥岩层喷射混凝土超耗控制技术

梁云文 杨永麒、师新龙、肖义、赵紫龙

中建八局西南公司 成都 610041

引言

水平泥岩层是隧道工程中经常遇到的地质结构，在隧道挖掘过程中，水平泥岩层的光面爆破一直是一个技术难题。在软弱的水平泥岩层中，岩体一般都比较破碎，节理发育，黏性差，完整度不高，围岩的稳定性差。隧道挖掘施工时，容易造成拱形落石，碎片化，崩塌等现象，给施工安全带来巨大的危险和困难。喷射混凝土是指将掺有速凝剂的粗细骨料混凝土用喷射机施加适当压力，高速喷射到隧道岩壁表面，迅速凝结的混凝土。喷射混凝土在隧道施工中起着很大的作用，在施工成本中占较高比重。为此，本文详细研究了水平泥岩层喷射混凝土超耗控制技术。

1水平泥岩层隧道的特点

水平泥岩层是指水平或接近水平的岩层，水平泥岩层是堆积成岩后整体升降而没有倾斜和褶皱的原始水平生成的地层。另外，经过结构变化仍包括接近水平生成相近的地层。如大型水平褶皱两翼的岩层。通过地层水平泥岩层的隧道称为水平泥岩层隧道。

1.1主要地质及工程特点

水平泥岩层通常是软硬岩交叉，岩性差异大，层间结合差，发育为节理间隙，表现块状结构和镶嵌碎裂结构。水平泥岩层中间一般存在泥质岩，泥质岩对水比较敏感，层间水文状况对周围岩的稳定性影响较大。水平泥岩层隧道在爆破后几乎不会留下炮痕，特别是拱部。而且，爆破后，拱部的岩体沿一层理面上容易整体脱落，形成平顶现象或挖掘轮廓门状。在水平泥岩层挖掘隧道时，在清除隧道拱顶顶部的危险岩石时，容易落块或散石。水平泥岩层隧道初支实施后，如果初支面变弱，二衬施工后的施工时间较长，个别的周边岩石较差，会造成局部大面积的落顶。

1.2结构受力特点

根据隧道挖掘阶段的不同，可以对计算模型进行不同的简化。挖掘初期阶段，上端岩层类似于梁板结构，两侧由锚支撑，中间部分受上部岩石的荷重，根据力的特性，将其简化为锚梁或薄板锚模型。,隧道挖掘干扰及爆破围岩压力逐步释放自身压力达到极限时,围岩抗拉强度强度高于锚固梁上面,在锚固端上部达到极限强度破坏,使梁板式结构的两端的支护的形式是和简支梁和薄板简支模型。施工的干扰和周围岩石的压力的持续释放,达到极限跨径本身,下面的岩石中间断面的底面最先最大张力,达到破坏,周围岩石的两边被毁坏后,由于两侧围岩对破坏后简支梁起着类似于锚固的作用，模型转化为悬臂梁模型。根据力的特点，当它的跨度达到围岩本身的极限跨度时，悬臂模型固定部分的上部首先会达到极限强度而遭到破坏。应力进一步传递到岩层上，再形成梁和板式的力结构。在荷重的作用下，断层再次遭到破坏，应力继续向上传递，断层不断产生，直到顶板的岩层不再遭到破坏，这时就处于平衡状态，形成塌落拱。岩层上的荷重沿着拱形轴传递到拱形的两端。而崩塌拱形的主应力线内的岩石不受覆盖岩石的荷重，只受重力的影响而弯曲变形，在此过程中容易出现离层现象。

2工程概述

某隧道长390m，为强-中水平泥岩层，喷射混凝土总量为3920m³。2023年7月开始进入施工，在第一个30m的施工过程中，喷射混凝土发生过大，超耗量为120%。项目部将立即设立科技突破组,分析喷射混凝土的超耗的原因,并制定了一项切实可行的措施,最终后续施工过程中,喷射混凝土的平均消耗量为82%,控制,取得了很好的效果,避免浪费材料的多为项目节省了成本。

3超耗原因分析

3.1围岩特性

在进行隧道爆破施工前，未对隧道前方围岩地质情况进行全面的地质调查和勘探、预测工作，获取准确的地质信息。了解泥岩层的物理特性、岩性、断层、裂隙等情况，以及含水情况等。这些信息对确定隧道爆破施工参数至关重要，爆破施工后的效果直接影响水平泥岩层隧道的喷射混凝土超耗。

3.2材料超耗

喷射混凝土是由水泥、沙子、碎石、水及添加剂等材料按一定比例组成的混合物。材料性能对混凝土反射弹量的影响是有差异的，其中速凝剂和机理砂的影响较大。①速凝剂的影响:在确定速凝剂含量时，应充分考虑初期、最终凝固时间以及速凝剂与水泥的兼容性问题。隧道喷射混凝土施工中配合比重速凝剂与水泥的融合性差，因此在喷射施工中混凝土的回弹量较大。②机制砂的影响，根据配合比机制砂的系数为2.06，偏粗，且机制砂中的石粉含量为3~4%，使用过程中存在的5~10mm碎石，与均匀的中粗砂级不匹配，含泥量超标，外加性能不稳定，量不准确。搅拌输送到现场的混凝土和性及黏合性较低，崩塌度不满足喷射要求，导致岩石上喷射的混凝土掉落，导致喷射的混凝土超耗。

3.3设备因素

施工过程中，根据工作部现场施工需要，设置了混凝土湿喷机，并配备了相应的操作、管理人员，但在施工过程中，由于人员责任感不强，不能每次使用，对后进行了及时清理，设备维修、保养，由于无法正确掌握设备运行情况，在使用过程中，由于设备事故率高，停工，检修等原因，已经混合的喷射混凝土不能在有效时间内使用，造成了材料超耗。

3.4工人技术

在喷射混凝土工程过程中，操作人员严格按照施工方案及技术要求对整个岩面采用高压风进行清理后再进行混凝土喷射作业，未针对边墙、拱腰、拱顶等其他方法喷射部位及时调节高压喷雾器在风的压力下喷面，混凝土压力引起的喷射混凝土回弹较大，浪费材料。，在施工过程中，由于操作人员技术不熟练，操作不规范和惰性的心理，不能熟练操作湿喷机操作规程，同一喷射部位喷射厚度较厚，混凝土喷至墙面上由于自重原因掉落现象严重，回弹量较大，超过了喷射混凝土材料的消耗量(表1)。

表1  喷射混凝土超耗控制前后情况对比表

	设计量（m3）	实际量（m3）	超耗量（m3）	超耗率（m3）
控制前	6.5	19	12.5	192
控制后	6.5	15	5.5	85

4超耗控制技术措施

隧道的挖掘断面是典型的水平层状。多层厚度不均匀的‘石板’层层重叠，形成砂岩，泥岩甚至煤层的相互结构。其形状是像“肉夹馍”一样的岩层和泥土松散的夹层。挖掘隧道后,水流渗出,泥岩遇水软化,岩层之间的结合性差,拱部挖掘后大面积脱落、掉块,所以容易发生坍塌,隧道成型差,没有自然形成拱形,容易形成门型的结构。水平泥岩层喷射混凝土超耗控制技术施工控制技术方法分为以下4个工作进行施工控制。

4.1预测模型和监测系统

利用使用地质雷达、位移测量仪等现代测量和监测技术，可以建立精确的预测模型和实时监测系统，从而对喷射混凝土的耗量进行准确的估算和监控。及时调整施工参数。

地质雷达：地质雷达可以扫描隧道前方围岩的岩层结构和空隙情况，提供准确的地质资料。通过分析地质雷达数据，可以建立预测模型，预测混凝土的喷射范围和体积，从而估计混凝土的耗量。

位移测量仪：位移测量仪可以实时测量围岩或岩壁的位移变化，以监测喷射混凝土对岩层造成的变形。通过监测位移数据，可以实时了解喷射混凝土的固化情况，及时调整施工参数，避免过度消耗混凝土。

实时监测系统：利用现代测量和监测技术，可以建立实时监测系统，实时收集混凝土喷射过程中的数据。通过实时监测系统，相关人员可以实时掌握混凝土喷射的进展和质量状况，准确估计喷射混凝土的耗量，并及时调整施工参数。

施工参数调整：根据预测模型和实时监测系统提供的数据，可以及时调整喷射混凝土的施工参数，如喷射速度、喷嘴位置和喷射压力等。通过合理调整施工参数，可以控制混凝土的耗量，并确保混凝土均匀喷射到目标区域。

综上所述，使用预测模型和监测系统的现代测量和监测技术，可以准确估计和监控喷射混凝土的耗量，及时调整施工参数，以提高施工效率和控制混凝土的使用量。这样可以节约资源、降低成本，并确保工程的质量和稳定性。

4.2混凝土配比优化

精确计算混凝土的最佳配合比例：根据工程要求和混凝土设计强度等因素，通过实验室试验或专业软件计算，确定混凝土的最佳配合比例。考虑到材料的性质和工程场景的需求，以达到经济、高效和可靠的施工目标。

调整水泥、砂、石等材料的比例：根据实际需要，可以调整水泥、砂、石等材料的比例，以达到最佳的配合比例。增加细骨料的比例可以提高混凝土的流动性和坍落度，减少粗骨料的用量可以降低混凝土的耗量。

采用高性能掺合材料和添加剂：使用高性能的掺合材料（如粉煤灰、硅灰、矿渣等）和添加剂（如减水剂、增强剂等），可以改善混凝土的性能，提高混凝土的强度和流动性。这样可以在减少混凝土用量的同时，满足工程质量要求。

实际施工验证和调整：在工程施工过程中，可以根据实际情况进行混凝土配合比的验证和调整。通过实验室试验和现场观察，及时调整配合比，以优化混凝土的性能和减少混凝土的用量。

总之，通过精确计算混凝土的配合比例，调整材料比例，采用高性能掺合材料和添加剂，可以优化混凝土的配合比，减少混凝土的用量，同时保证施工质量和工程要求的满足。这样可以实现经济、高效和可靠的混凝土施工。

4.3喷射技术控制

合理控制混凝土的喷射速度、压力和喷嘴的位置，确保混凝土均匀喷射到目标区域，并及时停止喷射。采用高效的喷射设备和工艺，可以提高喷射混凝土的利用率。

确保喷射混凝土喷射的速度、压力厚度、和喷嘴位置的合理控制是关键的一步，以下是一些常用的喷射技术控制方法：

喷射速度控制：通过调整混凝土的喷射速度，可以使混凝土均匀地喷射到目标区域。过快的喷射速度可能导致混凝土无法充分填充空隙，而过慢的速度则会延长施工时间。根据实际情况和经验，合理控制喷射速度，以满足工程要求。控制混凝土的喷射速度对于均匀地喷射到目标区域非常关键。下面是一些与喷射速度控制相关的要点：

实时监测混凝土的喷射速度：使用现代监测设备，如流量计或喷射仪表，来实时监测混凝土的喷射速度。这样可以确保混凝土以合适的速度喷射，以确保充分填充目标区域。

根据岩层情况调整喷射速度：不同的岩层性质和稳定要求可能需要不同的喷射速度。对于松散的岩层，较低的喷射速度可能更合适，以允许混凝土充分渗透到岩层中；而对于坚硬的岩层，则可能需要较高的喷射速度以增加穿透力。

控制喷嘴和泵的开度：合理控制喷嘴和泵的开度可以调整喷射速度。通过调整泵的流量和喷嘴的直径，可以达到期望的喷射速度。根据实测情况和工程要求，进行适当调整。

避免过快或过慢的喷射速度：喷射速度过快可能导致混凝土溢出目标区域，造成资源的浪费。而喷射速度过慢可能导致混凝土无法充分填充空隙，影响加固效果。因此，要根据实际情况和经验，合理控制喷射速度。

总之，通过实时监测、合理调整喷嘴和泵的开度，以及根据岩层情况进行调整，可以实现混凝土的均匀喷射，并达到工程要求。这样可以确保混凝土有效地填充目标区域，提高加固作用，同时避免资源的浪费和施工周期的延长。

喷射压力控制：混凝土的喷射压力直接影响混凝土的喷射性能和效果。过低的喷射压力会导致混凝土无法有效地附着在基岩或墙壁上，而过高的压力可能使混凝土溢出或造成不均匀施工。需要根据岩层情况、施工要求和设备性能调整喷射压力，以确保混凝土喷射的效果和质量。

喷射厚度控制：通过在喷射混凝土表面设置参考标志或线材，使用测量工具（例如传感器、激光测距仪）进行喷射厚度的实时测量和控制。使用模板和导向装置：在施工现场设置模板和导向装置，可以帮助控制喷射混凝土的厚度。模板可以作为喷射的参考，确保喷射的混凝土达到预定的厚度。导向装置可以指导喷浆喷射的方向和位置，以控制喷射混凝土的均匀分布和准确厚度。及时调整喷射参数，根据实际测量结果进行修正。经过多次实验，一次喷射厚度的拱门部分为6cm，侧壁为8cm时，回弹或落块最佳。

喷嘴位置控制：喷嘴的位置对混凝土喷射的均匀性和覆盖范围具有重要影响。通过准确安置喷嘴，可以使混凝土覆盖目标区域，避免死角和不均匀喷射。根据设计要求和现场实际情况，合理布置和调整喷嘴的位置，以实现最佳的喷射效果。喷嘴距岩面在控制0.8m～1.2m之内，喷嘴与刚刚喷射部位的岩面夹角为80°,喷射顺序按照先墙后拱,从下到上进行。

高效设备和工艺：选择高效的喷射设备和工艺，可以提高混凝土喷射的利用率。现代的喷射设备配备先进的控制系统和智能技术，可以实现精准的喷射参数调整和控制。同时，采用适当的喷射工艺，如交错喷射、层间喷射等，可以提高施工效率和质量。

需要根据具体工程要求和实际情况，进行喷射技术的控制，并结合质量管理和监测手段进行及时调整和优化。这样可以确保混凝土喷射的均匀性、合理利用材料，并提高加固和稳定效果。

总结

在水平泥岩层隧道工程过程中容易造成挖掘爆破作业或导致初期支护施工岩层掉块事故的发生，因此为了落实施工技术要求控制裂缝岩层及崩塌事故;严格抓好材料检验设备检验，加强维修和技术工人管理，在有效措施的基础上，做好水平泥岩层喷射混凝土控制技术的研究工作，不断提高施工质量和安全性能。喷射混凝土是隧道施工中的重要部分，如果发生喷射混凝土超耗问题,不仅影响隧道效应影响,还会对隧道支护效果造成影响,为此必须采取有效技术措施来控制喷射混凝土的超耗。

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