冻土隧道湿喷混凝土支护施工工法
中铁五局（集团）有限公司 中铁十局集团有限公司
夏真荣 杨安杰 苟祖宽 林定权
1 前言
冻土隧道的开挖施工，除符合一般地区隧道的应力释放、松弛变形等规律外，还因冻土这一特殊地质条件的存在而带来了新的特点，即围岩的稳定性还与冻土的热平衡环境有关。当冻土隧道开挖后，不仅围岩原有的应力平衡状态发生变化，冻土的热平衡状态也发生了变化，冻土直接暴露在空气中，与空气接触的围岩表面冻土与外界环境发生热交换，冻土吸热发生融化，其强度和自稳能力大大降低，围岩表面逐层融化掉块，甚至坍塌，因此冻土隧道开挖支护不仅要解决强度、刚度等一般地区隧道支护施工的问题，还要解决冻土的热融坍塌问题。
目前，在钻爆法施工的隧道开挖过程中，临时支护手段主要以喷射混凝土为主，然而，如何保证喷射混凝土与冻土岩面有良好的粘结强度，如何控制混凝土硬化过程所放出的热量能保证冻土不过度融化，如何保证低温环境下喷射混凝土的早期强度能满足支护需要，这些都是施工中需要解决的问题。在高原冻土世界第一长隧——昆仑山隧道的施工中，中铁五局（集团）有限公司在施工中开展了大量的试验研究，掌握了洞内温度场的分布和变化规律，解决了湿喷混凝土配制等工艺技术问题，通过施工中大量应用，取得了良好的效果，经总结形成本工法。湿喷混凝土支护技术是《高原多年冻土区隧道施工技术研究》成果的重要组成部分，该项成果2005年通过了贵州省科技成果鉴定，达到了国内领先水平，获得了贵州省2006年科技进步一等奖。 2 工法特点
2.1 采用湿喷混凝土支护，可以随着开挖及时进行，同时能快速封闭开挖暴露的冻土，做到“随开挖，随支护，早封闭，快衬砌”，起到保护冻土和支护围岩的作用。
2.2 采用湿喷混凝土支护，具有粉尘小、回弹少、一次喷层厚度大、混凝土质量容易控制、对操作人员健康影响小等优点，更适合于高原地区隧道施工。
2.3 采用湿喷混凝土支护，是通过封闭冻土，减少其与环境的热交换来保持冻土的冻结状态，不须采用大功率的空调风机，不须对冻土实施冷冻，能源消耗小。 2.4 湿喷混凝土施工工艺所需设备少，工艺成熟，操作简单，工艺流程易于掌握。 3 适用范围
本工法适用于冻土地区钻爆法施工的隧道及地下工程，尤其适用于高原多年冻土地区采用新奥法原理设计、施工的隧道。部分工艺措施也可用于较寒冷地区隧道冬期施工。 4 工艺原理
湿喷混凝土支护在一般地区隧道施工已是比较成熟的技术，在多年冻土区隧道施工中，主要是要根据洞内温度场的情况，选择合适的速凝剂、防冻剂、水泥及拌合温度，以及合适的配合比，调整喷射混凝土的凝胶时间和强度，达到早期强度满足临时支护要求且不被冻坏，水化反应过程的放热少，从而达到保护冻土并使混凝土喷层与冻土围岩共同受力的目的。为增加喷射混凝土与围岩的粘结强度，在喷射混凝土中应适当掺加增强纤维材料。 5 施工工艺 5.1 施工工艺流程
施工工艺流程如图5.1。
5.2 环境温度监测和控制。洞内气温一般都是正温，施工中应对掌子面附近气温不断进行监测，并通过通风来调节，使洞内气温保持在-5℃～15℃。 5.3 湿喷混凝土原材料质量要求
5.3.1 水泥：优先使用早强普通硅酸盐水泥，水泥强度等级不宜低于32.5。 5.3.2 砂：应采用级配良好、细度模数大于2.5坚硬洁净的中粗砂。 5.3.3 粗骨料：须采用经硫酸盐溶液浸泡循环试验5次重量损失不大于10%、粒径不大于15mm、其中针状颗粒含量不大于15%、含泥量不大于1%的碎石或卵石。
5.3.4 防冻剂：在负温条件下，能显著降低混凝土液相冰点，保证水泥的水化反应，并在一定时间内获得预期强度。一般使用含有减水、早强、引气和防冻四种组分的成品复合防冻剂，并要求与水泥、速凝剂相容性良好。
5.3.5 速凝剂：速凝剂的使用须解决低温下的效能问题，一般通过在使用前将速凝剂加热到40℃左右的办法解决。同时速凝剂的选用也必须和水泥、防冻剂相容匹配。
合格 合格 混合料运输 不合格 坍落度检验 是否合格 增强纤维 拌合是否均匀 细骨料筛分、加热 不合格 粗骨料筛分 搅拌机拌制 基岩表面处理、厚度控制标设置 喷锚工作平台就位 湿喷机开机准备 测定骨料含水率 水 加热 增强纤维 不合格
液体速凝剂、加热 测定湿喷混凝土温度合格 喷射混凝土 废弃 找平 停机、清洗设备 图5.1 湿喷混凝土工艺流程图
速凝剂的选配应满足如下要求：
（1）混凝土混合物喷射至岩石上后其初凝时间在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。
5.3.6 增强纤维：增强纤维的作用是增加喷射混凝土与冻土围岩的粘结强度， 可选用聚丙烯纤维网，掺量为1.3～1.6 kg/m3。 5.4 湿喷混凝土配合比
配合比的设计主要是合理选择满足抗冻临界强度要求下的胶骨比、砂率、水灰比，并通过正交试验确定各种组分配比。配合比设计的原则与一般地区隧道喷射混凝土相同。 5.4.1 胶骨比
冻土隧道中进行喷射混凝土施工，水泥用量过少难以达到抗冻临界强度的要求，胶骨比以水泥:骨料=1:3.4左右为宜，水泥用量在470~480kg/m3之间。 5.4.2 砂率
由于水泥用量较大，故砂率不能太小，一般以60%为宜。 5.4.3 水灰比
适宜的水灰比值为0.4~0.5。 5.5 湿喷混凝土施工 5.5.1 基岩面处理
由于爆破、装碴等作业，围岩表面或初喷混凝土面上吸附大量的灰尘，影响混凝土与岩面的粘结力，故在湿喷前用高压风冲洗，方可进行喷射作业。 5.5.2 设置厚度检测标
在基岩表面设置厚度检测标，按间距2 m，呈梅花型布置。喷射厚度以保证喷射混凝土不滑移、不坠落为前提。既不能因喷射太厚而影响喷射混凝土的凝聚力和粘结力，又不能因喷层太薄而不能满足临时支护要求并增加回弹量。施工中一次喷射厚度以向下喷射时150 mm，水平喷射时100mm为佳，而向上喷射时
70mm已完全能满足临时支护要求。 5.5.3 喷射混凝土的拌制
由于冻土隧道往往气候寒冷，即使是在暖季施工，洞内气温也较低，要保证喷射混凝土的质量，就必须保证混凝土到达喷射机后有一定的温度，但过高的温度又加速冻土融化，影响喷混凝土与围岩表面的粘结效果，产生冻土融坍。因此，喷射混凝土拌合物的温度必须严格控制，要求暖季施工出机温度控制在10℃左右，而寒季施工，出机温度应控制在13~17℃。
（1）原材料温度控制
暖季施工砂、石料不需加热，水温用锅炉加热到35℃即可，速凝剂加热到40℃，防冻剂和水泥储存在保温库房内，保证正温使用，确保拌合物到达喷射机时的温度在10℃左右。
寒季施工，砂、石料采用地炉加热，加热温度控制在16~30℃范围内，水采用锅炉加热，加热温度控制在50~70℃范围内，速凝剂加热到45℃。
（2）搅拌时间控制
搅拌时间比一般地区应适当延长，一般控制在3min。 （3）坍落度控制
混凝土出机坍落度控制在160~170mm之间。 5.5.4 湿喷混凝土喷射作业
喷射作业应分区段进行，逐步推进，先墙后拱，自下而上。喷射作业时要两人合抱喷嘴，保持系统风压在0.5Mpa左右，喷嘴处工作风压保持在0.3MPa以上，喷射时混凝土的温度以5~10℃为宜。喷射作业的工艺和质量检查要求与一般地区隧道湿喷混凝土施工相同。 6 主要材料及设备
6.1 主要材料包括喷射混凝土原材料如水泥、砂、石、速凝剂、防冻剂、增强纤维等和喷射作业消耗材料如水管、高压风软管和喷射机出料软管等。 6.2 喷射机械
喷射机械的选择主要是能在高寒情况下，实现低温启动，效率不下降，速凝剂计量添加系统能自动加热。
6.3 其它主要施工机具及设备应包括拌和、运输等一系列机械设备，配置原则是要求各个环节的机械能相互配套使用。选用的主要设备见表6.3。
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