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1、隧道喷混凝土技术现状和发展*1关宝树n 喷混凝土支护，在地下工程中占据十分重 要的位置。这是大家公认的。n 它不仅是初期支护的主要构件，也逐渐成 为永久支护的重要构件。n 许多国家都把提高喷混凝土的性能、技术 放在十分重要的位置。日本土木学会2005年 公布的“隧道喷混凝土指南”、挪威隧道学 会的1999年的“喷混凝土岩石支护”以及欧 洲共同体的有关喷混凝土性能的规定等，都 说明了这个问题的重要性。2一、对喷混凝土支护作用的认识n 喷混凝土是如何发挥其支护作用的？对此我们 必须有一个明确的认识。n 首先，喷混凝土必须与围岩密着，与围岩成为 一体才能起支护作用；因此我们要求喷混凝土的 一个重要性
2、能，就是与围岩的附着性，或者说喷 混凝土与围岩的附着强度。n 这一点在我们的设计施工中，常常是被忽略了 。3一、对喷混凝土支护作用的认识n 其次，隧道开挖后，我们希望能在“最短的”时间内，控制 住围岩的松弛或变形，因此，我们要求以“最快的”速度向围 岩喷射混凝土。混凝土的强度是随时间增长的。要其发挥支护作用，就必 须让喷混凝土在“短时间”内达到一定的强度。也就是说，喷 混凝土必须具备在短时间内达到一定强度的性能，就是我们 所谓的“初期强度”。根据围岩条件，喷混凝土的初期强度，有的取3小时强度 ，有的取24小时的强度。n 这一点，我们在设计施工中也被忽略了。45一、对喷混凝土支护作用的认识n 最
3、后，具有一定厚度的喷混凝土层也具有结构作 用。n 喷混凝土的结构作用，是我们在设计中考虑到主 要作用。n 喷混凝土只有在充分考虑其附着性、初期强度和 结构作用的条件下，才能充分发挥其支护作用。6二、喷混凝土的基本性能n 喷混凝土的基本性能，根据其功能有两种考虑。一种是有 二次衬砌的场合，一种是无二次衬砌的场合。n 有二次衬砌的场合仅仅要求满足安全性能的要求。即应具 有设计基准强度、初期强度和弯曲韧性的力学性能。后者是 对钢纤维喷混凝土附加的性能要求n 无二次衬砌的场合，也就是喷混凝土作为永久支护的场合 ，除应具有上述力学性能外，还要满足抗裂性、抗剥离性、 美观、及耐久性的要求。n 7喷混凝土的
4、力学性能1、设计基准强度2、初期强度：3、附着强度；81、设计基准强度n 喷混凝土不仅是初期支护的一个重要构件，也 是永久支护的一个重要组成部分。因此在许多国家 都规定喷混凝土的设计基准强度，采用与衬砌混凝 土同等的强度。不仅如此，考虑到材料、配比或者 施工机械的技术进展，喷混凝土稳定的高强度已经 成为可能，因此喷混凝土的设计基准强度有向高强 度方向发展的趋势。例如，日本第二东名名神高 速公路，在大断面隧道中，采用材龄28天的抗压强 度36N/mm2作为设计基准强度。也有的国家规定在 不良地质条件下采用高强度喷混凝土的建议。9n 在一般地质条件下的隧道，喷混凝土设计基准 强度采用与衬砌混凝土强
5、度相当的建议是可行的 。另外应该指出，在欧洲一些国家的喷混凝土规 定中，很少有采用小于C25等级的喷混凝土。n 在不良地质条件下的隧道，应该提高喷混凝土 的强度等级，采用高强度混凝土也是合适的。10喷混凝土抗压强度划分EFNARC的标准强度划分C24/30C28/35C32/40C36/45C40/50C44/55C48/60圆柱体试 件24283236404448立方体试 件3035404550556011挪威的标准喷混凝土抗压强度划分抗压强度 (MPa)C30C35C40C45C50C55立方体试件的最小 抗压强度303540455055取样试件的最小抗 压强度19.2 22.4 25.6
6、 28.8 32.0 35.2 122、初期强度n一般说，喷混凝土是最先施设的，都希望它尽快 地发挥作用，这是我们要求喷混凝土具有一定初 期强度的目的。n 设定喷混凝土初期强度时，应考虑隧道开挖条 件及随掌子面进展产生的围岩动态，以充分确保 掌子面及其附近围岩的稳定，取24小时以内的强 度为标准。n 初期强度，应根据围岩条件和施工条件，可以 取24小时以外的强度为标准，有的国家就是以3小 时的强度作为基准的。13初期强度的设定值与设计基准强度一样，因隧 道功能、断面形状等构造条件、荷载条件及设计方 法等而异。下表是日本各单位的初期强度设定事例 。 单位类别材龄3小时抗压 强度（N/mm2）材龄
7、24小时抗压 强度（N/mm2）道路协会喷混凝土5铁道建设运输 设施高品质喷混凝土1.58道路公团喷混凝土5高强度喷混凝土210高强度纤维喷混 凝土21014n 欧洲，根据掌子面的进展，考虑确保掌子面及其 附近的围岩稳定的重要性，要求喷混凝土具有图示 的初期强度。15J1 ：（AB）：适用于干燥围岩、薄层施工的场合J2： (BC)：适用于厚层施工和有涌水，受到后续作业直接作用的场合J3： (C以上)：只适用于特殊条件的场合（例如，大量涌水的场合）163、附着强度n喷混凝土与围岩及其它物体的附着，是发挥喷混凝 土支护作用的关键指标。许多国家都有明确的规定 。17喷凝土的欧洲标准（EFNARC)G
8、规定的附着强度如下表所示，通过附着 试验核查。附着强度最小值（MPa)附着的划分与混凝土的附着与岩体的附着非结构物0.50.1结构物1.00.5挪威规定附着强度在0.21.8MPa之间。18附着强度测定事例岩类等矿物粒子大小附着强度 粗糙面破坏面片岩粘土矿物、绿泥 石非常细0.240.180.280.11云母片岩石英、长石、云 母中位0.580.190.850.35片麻岩（叶状构 造）石英、斜长石、 云母、角闪石中位0.190.050.510.11片麻岩（叶状构 造）石英、斜长石、 云母、角闪石中位1.53 0.281.8砂岩（裂隙多）石英、长石细（1.1）破坏面（1.1）破坏面砂岩石英、长石
9、细1.81.8泥灰岩方解石、粘土矿 物细1.491.84石灰岩方解石细1.580.121.540.30大理岩方解石中位1.380.301.520.28花岗岩、闪绿岩石英、斜长石、 黑云母粗0.340.121.120.20花岗岩、闪绿岩石英、斜长石、 黑云母中位1.040.321.400.26花岗岩、闪绿岩石英、斜长石。 黑云母细中位1.480.451.710.14辉绿岩斜长石、辉石细中位1.560.251.7木版1.71.7喷混凝土表面1.71.7 19三、控制喷混凝土质量的关键n控制喷混凝土质量的关键有四：n 1、附着配比；n 2、回弹率；n 3、粉尘量；n 4、喷射工艺；（包括喷射手、喷射
10、机械等）。201、喷射混凝土配比一般说、喷混凝土配比是按初期强度、设计基准强度及附 着强度等，通过试验确定的。但对工程来说，喷混凝土的附着 配比是最有意义的。附着配比指的是：喷混凝土喷射后附着在围岩上的配比。 它与喷射配比、喷射工艺以及喷射工的技术熟练程度有直接的 关系，不容忽视。下表是欧洲的一个标准。喷射后喷混凝土强 度（附着配比）C30C35C40C45C50C55喷射前喷混凝土强 度（喷射配比）C38C43C48C54C60C65212、回弹率及粉尘浓度n 回弹意味着粗骨料的损失，而粉尘则意味着微 细颗粒的损失。这两者对附着的喷混凝土质量， 具有重要的影响。n 因此，喷射施工中，如何控制
11、回弹和减少粉尘 的发生是很重要的课题。也是确保喷混凝土质量 的重要课题。n 在质量控制中，有的国家规定：回弹不能大于 20，粉尘浓度不能大于5mg/m3，否则，就是不 合格。223、喷射机械n 喷射机械的性能和能力是减少喷混凝土质量离 散性的重要保证。特别是，在大断面隧道中，一次 喷射混凝土的数量有所增加，同时为了缩短喷射时 间，采用大容量，高性能的喷射机械，已是大势所 趋。因此许多国家都规定了喷射机的要求性能。如 单位时间的喷射量等。有的更明确规定，喷射机的 生产效率应在10m3/h以上。许多施工单位也都认识 到这一点，开始采用大容量的喷射机，是非常英明 的决策。日本在大断面隧道施工中，规定
12、至少配备 2台20m3/h的喷射机。234、喷射工艺n 大家知道，喷混凝土喷射工艺，基本上分为2种 。即：干喷和湿喷。n 在一般情况下，都建议采用湿喷，这是合适的 。但有些情况，采用干喷更为有利。因此，国外的 喷射机械都向着干喷、湿喷两用方向发展。因此， 在施工中，排斥干喷是不合适的。n 干喷混凝土的初期强度比湿喷混凝土发现快是 一大优点，要充分利用之。24四、大断面隧道的喷混凝土技术在大断面的条件下，隧道支护结构需要加强。加强的途径有二。其一是改变过去采用的支护结构参数 ，如增加喷混凝土厚度，加密钢支撑间距等；这是我们目前 采用的主要方法。另一个方法就是改变材料的规格，例如高 强度喷混凝土、
13、高承载力锚杆等。第1种方法的后果，就是：加大了开挖断面积，这也是在 同样净空断面积的条件下，我们的开挖断面积比较大的原因 之一。第2种方法，是其他国家采用的主要方法。结果不仅提高 了支护结构的效果，也缩短了作业的时间。25日本第二东名高速公路隧道事例净空断面积：约150开挖断面积：最大200采用高强喷混凝土：比采用普通喷混凝土的厚度，减 少3；锚杆采用高强锚杆（设计承载力28kN)，锚杆数量减 少30；采用高规格钢支撑（HH154）；二次衬砌采用高强喷混凝土，设计厚度减少10cm不设变形富余量。26主要研究高强度喷混凝土和钢纤维喷混凝土。 高强度喷混凝土要求的强度列于下表。种类 要求强度（MP
14、a ）目标强 度 3小时1天28天28天高强度2以上10以上 36以上50以上一般强度5以上18以上27高强度喷混凝土的标准配比列于下表要求强度 （MPa）塌落度 （cm ）粗骨料 最大尺 寸（ mm）单位 水泥 用量 （kg ）单位速凝剂对 水泥的用量（ ）见上表18104501028n日本从2003年开始在日本从2003年开始在峰山 隧道进行初期高强度喷混凝土的施工研究，之后 又在北陆新干线的鱼津隧道进行了短时间高刚性 喷混凝土的研究。峰山隧道采用的喷混凝土抗压 强度，材龄28天强度达52N/mm2，接近规定的强 度（18N/mm2）的3倍以上。其初期强度，10min 可达到3N/mm2，
15、而过去的喷混凝土要到达此强 度，大概需要3小时。两者比较列于下表。2930初期高强度喷混凝土一般喷混凝土塌落度（cm） 2022（喷射时）142配比（kg/m）3水200216水泥380342硅灰2018细骨料1073966石灰石微粉末127114粗骨料530682其它高强度混合材44添加剂2.52速凝剂36 强度（N/mm2）初期：3.5（10min） 长期：52（28d）长期27（28d）31n 在大断面隧道中，为了缩短喷混凝土的作业时 间和以最短时间喷射全周边的混凝土，必须采用多 台大容量的喷射机械。3233五、喷混凝土性能核查方法n 核查喷混凝土性能时，首先要设定喷混凝土应 具有的性能
16、。n 喷混凝土施工最重要一点是喷射的混凝土在施 工中不剥落，而保持与附着面密着的状态。同时 喷混凝土施工后，要求能够立即；支持围岩的结 构功能，所以与通常的混凝土不同，不仅需要管 理28天的强度，还要管理3小时、24小时的初期强 度。因此喷混凝土的性能科定义为：附着性能和 任意材龄的抗压强度发现性能。341、附着性能的核查n a）附着的喷混凝土不剥落的条件n 为了核查喷混凝土的附着性能，要定量地研究附 着在围岩上的喷混凝土不剥落的条件。首先我们考 察喷混凝土与围岩的附着。n 围岩表面的状态，由于施工现场而不同，如果要 保持围岩无涌水、不剥落的状态，喷混凝土与围岩 的附着强度必须大于喷混凝土自身的抗拉强度。因 此，喷混凝土的剥落，可认为是由喷混凝土自重引 起的拉应力大于抗拉强度所致。一般说，喷混凝土 拉应力的最大值多出现在拱顶处，因此，喷混凝土 附着性能的核查，采用图15的模式，只考虑拱顶就 可以
