青藏铁路高原多年冻土区工程建设科技论文集高原多年冻土区隧道湿喷混凝土施工技术高原多年冻土区隧道湿喷混凝土施工技术杨杨安杰安杰 周德明周德明（中铁五局技术开发部 贵州贵阳 550003）摘摘 要要 本文就湿喷混凝土在高原多年冻土隧道中的可行性进行探讨，通过试验研究和实际施工应用， 证明了湿喷混凝土支护在高原多年冻土区隧道施工中是可行的 关键词关键词 高原多年冻土 隧道 湿喷混凝土 配合比设计 施工技术 质量控制1 前言前言由中铁五局集团承建的青藏铁路昆仑山隧道，起止里程 DK976+250~DK977+936，全长 1686m，海拔 4600m~4800m，是目前世界上高原多年冻土区第一长隧道它地处青藏高原连续多年冻土区，地质构造复杂，节理裂隙非常发育，结构破碎，主要为Ⅳ~Ⅴ级围岩隧道进口分布有 1.8m 左右厚的饱冰冻土，其余为少冰、多冰冻土多年冻土下限在隧道中部 DK977+000~DK977+500 段接近隧底，下限以下的融区内分布有基岩裂隙水，隧道正常涌水量为 222.55m3/d，最大涌水量为 445.10m3/d隧道所处地区年平均气温-3.6~-5.2℃，极端最低气温-37.7℃，最冷月平均气温-16.7℃。
昆仑山隧道独特的地理位置、严酷的自然环境、复杂的地质条件及国内外高原多年冻土隧道工程实践的缺乏，使施工面临前所未有的困难在多年冻土隧道施工中采用何种合理的支护形式一直是专家讨论的难题采用湿喷混凝土支护，能否与冻土围岩粘结牢固，能否保证混凝土的质量，在国内尚无成功的经验，许多专家持怀疑态度所以在原设计中未采用湿喷混凝土支护，而是直接采用模筑混凝土支护结构形式模筑混凝土施工工序较为复杂，施工时间较长，使得开挖后的冻土暴露时间过长，易产生融坍，造成质量隐患在昆仑山隧道工期十分紧迫，围岩非常破碎，且存在冻土因开挖暴露时间过长而产生融坍的情况下，采取何种支护结构形式及时对冻土围岩进行封闭，并确保足够的支护强度，是事关昆仑山隧道施工安全、质量、工期和效益的重要环节为此，我们经过大量的室--------------------------------------------------作者简介：作者简介：杨安杰，男，汉族，籍贯贵州，生于 1963 年，高级工程师，1988 年毕业于贵州工业大学，工学学士，主要从事土木工程施工内试验和现场试验研究，复配了适宜的外加剂，优选了适合的外掺料，确定了合理的施工工艺，成功地解决了这一世界性的难题，证实了湿喷混凝土作为临时支护在高原多年冻土区隧道施工中的可行性，并将这一成果应用于施工实践，取得了很好的效果。
2 喷射混凝土及其作用喷射混凝土及其作用2.1 喷射混凝土的定义喷射混凝土的定义喷射混凝土是将具有速凝性质的混凝土拌和物，借助喷射机械和压缩空气等动力，通过管道输送并高速喷射到施工受喷面上，迅速形成具有一定强度的混凝土2.2 喷射混凝土的主要作用喷射混凝土的主要作用（1）填充出露的节理和裂隙，提高围岩整体的强度和稳定性；（2）通过接触面的附着力和剪力，传递岩石松散带的荷载到相邻稳定岩体；（3）当喷射混凝土与岩石间粘接力较低时，连续的混凝土层可起到耐张拉、耐弯曲膜的作用；（4）及时封闭冻土岩面，减少冻土与空气的热交换，从而防止因暴露时间过长引起的融坍3 喷射混凝土对原材料的质量要求喷射混凝土对原材料的质量要求3.1 水泥水泥宜采用强度等级不低于 32.5R 的硅酸盐水泥和普通硅酸盐水泥通过对比试验，采用祁连山牌32.5R 普通硅酸盐水泥 3.2 砂子砂子使用细度模数大于 2.50 的坚硬洁净的中粗河砂通过对比试验，选用了三岔河砂场的河砂 3.3 石子石子 使用经硫酸盐溶液浸泡试验循环 5 次，其重量损失≤10%且最大粒径≤15mm 的碎石或卵石，经青藏铁路高原多年冻土区工程建设科技论文集对比试验，选用西大滩石场生产的花岗岩碎石。
3.4 防冻剂防冻剂 防冻剂是指在规定条件下，能显著降低混凝土液相冰点，使混凝土内部溶液不结冰或部分冻结，从而保证水泥的水化作用，并在一定时间内获得预期强度的外加剂选择与水泥和速凝剂相容性好的防冻剂复合使用，可以改善喷混凝土的工艺性能，提高喷混凝土的早期强度，并能保证在规定时间内获得足够的抗冻临界强度，确保混凝土不受冻害为此，我们选用了 A、B、C、D 四个品种的防冻剂进行对比试验，根据试验结果分析，再经经济技术比较后选用 A 品种防冻剂，该防冻剂的基本性能指标见表 1表表 1 A 防冻剂基本性能指标防冻剂基本性能指标性能指标试验项目标准要求试验结果减水率（%）不小于810~20泌水率（%）不大于10091初凝-35~+40凝结时间差（min）终凝-120~+120 -30~+50温度范围℃-5~-15-5~-15R2895~90115~105R-7+2895~85115~110抗压强度比（%）不小于R-7+56100130~11590 天收缩率比（%）不大于12073~92渗水高度比（%）不大于10045~53300 次冻融损失性能指标（%）不大于10060～85耐 SO4-2侵蚀能力（mg/l）≤4000 极限可达 5000对钢筋锈蚀作用无无Cl-1渗透性能不大于（库仑）1000790~1000抗裂性能，不大于（kg/m3）0.50.09~0.22与水泥及速凝剂的适应性可与祁连山牌 32.5R 普硅水泥和 D′液体速凝剂匹配使用3.5 速凝剂速凝剂 速凝剂是指掺用后能使混凝土迅速硬化的一种外加剂。
使用速凝剂的主要目的是使喷射混凝土速凝硬化，减少回弹损失，防止喷射混凝土因重力作用引起脱落，提高它在潮湿或含水岩层中使用的适应性能，以及可适当加大一次喷射厚度和缩短喷射层间的间隔时间在昆仑山隧道施工中，选用何种速凝剂非常关键众所周知，目前所使用的成品速凝剂经试验证明，温度为 10~25℃时，对凝结时间影响不大；温度低于 10℃时则凝结时间明显延长；在 5℃以下一般不宜施工；当温度低于 0℃时应停止施工因此，施工中必须要解决速凝剂在低温下能有效使用的问题为此我们选择了A′、B′、C′、D′四种液体速凝剂与 A、B、C、D 四种防冻剂进行复合使用试验，经试验选择 D′液体速凝剂加热至 40℃与 A 防冻剂复合使用能满足喷射混凝土对速凝剂的以下要求：（1）混凝土混合物喷射至岩面上后其初凝时间在 3min 以内，终凝时间在 12min 以内；（2）碱性小，粉尘小，且对人体腐蚀性小；（3）早期强度高，后期强度与空白混凝土比，损失不超过 30%，8h 后的强度不小于 0.3MPa；（4）一次喷射厚度较大，回弹率小；（5）在低温下使用不失效；（6）混凝土硬化过程体积变化小；（7）对钢筋无锈蚀作用D′液体速凝剂的主要性能指标见表 2。
表表 2 D′液体速凝剂主要性能指标液体速凝剂主要性能指标主要指标初凝时间终凝时间R1(MPa)28 天抗压强度比（%）细度筛余（%）含水率（%）标准要求≤3min ≤10min875152试验结果2min30s 10min11.5919.81.13.6 复合材料复合材料 因为是在冻土围岩上进行喷射施工，为增加喷射混凝土与围岩的粘接强度，必要时考虑在喷射混凝土中掺加增强纤维材料，通过试验和经济技术比较，选用聚丙烯纤维网4 配合比试验配合比试验4.1 设计原则设计原则喷射混凝土的配合比设计必须满足下列要求：（1）满足强度及其它物理性能的设计要求；（2）与基材、钢筋等有良好的粘聚性，混凝青藏铁路高原多年冻土区工程建设科技论文集土密实性高；（3）4～8h 后强度应具有能控制地层变形的能力；（4）必须能向上喷射到指定的厚度，且回弹损失小；（5）有良好的耐久性；（6）扬尘少；（7）施工顺利，不发生管道堵塞或喷射面流淌坍落4.2 主要参数选择主要参数选择4.2.1 胶骨比胶骨比水泥与粗细骨料之比为胶骨比由于喷射混凝土要求速凝、早强，并存在 28 天强度损失及施工作业的特殊性，一般不采用普通混凝土强度设计计算公式，而由经验与试验确定。
常用胶骨比为水泥:骨料在 1:4.0~4.5水泥用量过少，则回弹量大，早期强度增长慢；水泥用量过大，则经济效益下降，扬尘大，混凝土收缩增大，每立方米混凝土水泥用量通常以 375～400kg 为宜但在高原多年冻土中进行喷射混凝土施工有别于一般地区，水泥用量过少，不能满足早期强度要求，特别是难以达到抗冻临界强度的要求，为此我们通过大量的室内和现场试验确定了胶骨比为水泥:骨料=1:3.4，水泥用量在470~480kg/m3之间4.2.2 砂率砂率砂子在整个骨料中所占百分率称为砂率砂率的选择将直接影响喷射混凝土的施工性能及力学性能较小的砂率使喷射混凝土的水泥用量少，强度高，收缩小较大的砂率有利于吸收二次喷射时的冲击能，回弹小，但强度偏低，收缩大综合权衡砂率大小所带来的利弊，经过试验确定砂率为60%4.2.3 水灰比和用水量水灰比和用水量水灰比是影响喷射混凝土强度的主要因素当水灰比为 0.2 时，水泥不能获得足够的水分与其水化，硬化后有一部分未水化的水泥质点当水灰比为 0.4 时，水泥有适宜的水分与其水化，硬化后形成致密的水泥石结构当水灰比为 0.6 时，过量多余的水蒸发后，在水泥石中形成毛细孔。
如图 1 所示当水灰比适宜时，喷射混凝土表面平整，呈水亮光泽，粉尘和回弹均较少试验表明，适宜的水灰比值为 0.4~0.5，如偏离这一范围，不仅降低喷射混凝土强度（如图 2） ，也要增加回弹损失（如图 3） 通过试验确定水灰比为 0.42 及 0.47图图 1 不同水灰比对水泥石结构的影响不同水灰比对水泥石结构的影响图图 2 水灰比对强度的影响水灰比对强度的影响图图 3 水灰比对回弹的影响水灰比对回弹的影响4.3 配合比确定配合比确定根据所确定的基本参数，采用正交设计初步配水/水泥＝0.2水/水泥＝0.4水/水泥＝0.6水水泥颗粒未水化的水泥质点毛细孔1008060400.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 水灰比混凝土抗压强度 （%）1008060402000.30.40.50.60.70.2水灰比回弹率 （%）青藏铁路高原多年冻土区工程建设科技论文集合比，再对凝结时间、强度、耐久性等指标进行试验确定其施工配合比为：（1）C:S:G:A:D’=1:2.01:1.34:0.018:0.04，w/c=0.42（2）C:S:G:A:D’:聚丙烯纤维网=1:2.01:1.34:0.018:0.04:0.0032 W/C=0.47其试验结果见表 3。
表表 3 配合比试验结果配合比试验结果配合比①②初凝2min30s2min25s凝结时间终凝11min26s11min15s8h1.61.71d3.33.83d6.15.37d8.910.6强度（MPa）28d30.231.53d11.313.87d19.321.2大板强度（MPa）28d38.040.428 天岩芯强度（MPa）25.728.528 天粘结强度（MPa）1.531.72备注环境温度 -13~0℃水泥、防冻剂为正温砂子加热温度 ≥25℃水温≥50℃速凝剂温度 ≥40℃最终拌合物温度 ≥10℃抗渗等级 S125 喷射施工喷射施工5.1 喷射机械喷射机械由于高原地区缺氧、低压，使机械设备的效率下降，因此，采用一般的喷射机械无法满足施工要求为此，我们选用中铁西南研究院生产的改进型TK-961 湿喷机该机的主要特点是能在高寒缺氧情况下，实现低温启动，效率不下降，速凝剂计量添表表 4 TK-961 湿喷机主要技术性能指标湿喷机主要技术性能指标项目指标生产率（m3/h）4~5骨料最大粒径（mm）15液体速凝剂掺量0~7%输料管内径(mm)51适用混凝土塑性混凝土，坍落度80~150mm工作风压(MPa)0.3~0.7耗风量(m3/min)10最大输送距离（m）水平：30，垂直：20机旁粉尘（。