隧道初支喷射混凝土施工配合比设计

　　摘　要：隧道喷射混凝土进行配合比设计的技术分析时，采用了以灰骨比控制的思路入手，既水泥与细集料和粗集料的重量比入手，引用材料力学相关理论对混凝土内部的结构进行力学分析，通过现场试配及修正，设计出经济适用的隧道初支喷射混凝土配合比。所得结论对同类工程具有指导作用。

　　关键词：隧道  喷射混凝土　灰骨比 配合比

　　Abstract: The tunnel shotcrete with the than the technical analysis of the design, the use of gray bone than the control, the idea to start, both cement and fine aggregate and coarse aggregate weight than the start, citing the theory of mechanics of materials inside the concrete structure.mechanical analysis and design, through on-site test with correction, the early support of affordable tunnel shotcrete mix proportion. Guiding role in the conclusion on similar projects.

　　Key Words: tunnel; shotcrete; ash bone; cementaggregate ratio中图分类号：  TV544+923     文献标识码：A         文章编号：

　　1 概述

　　隧道拆合单洞全长5291米，为广东某高速公路控制性重点工程,该隧道初期支护喷射混凝土设计标号为20Mpa，因为喷射混凝土的配合比设计方法和技术要求不同于普通混凝土，它具有自身的工艺特点。本项目施工过程中通过各方面技术分析、现场试配，确定了一组较合理的隧道初期支护喷射混凝土配合比，施工操作性强且经济合理，降低工程造价。

　　2 设计思路

　　喷射混凝土配合比的设计与普通混凝土配合比的设计有很大差别，不能按照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2000来设计。喷射混凝土配合比的设计不仅要满足混凝土强度、和易性的要求，而且要满足施工工艺--喷射施工的需要。同时还要经济合理、注重环境保护。所以，配合比设计初步按以下几个参数分析入手：

　　1．喷射工艺

　　喷射混凝土按混凝土混合料在喷枪处的状态分干喷、湿喷和潮喷混凝。

　　由于干喷法粉尘高、回弹大，所以排除使用干喷工艺。湿喷工艺大大减少了喷射时的粉尘，但湿喷工艺设备复杂、费用昂贵。且经过询问隧道协作队伍的喷浆手，该队伍喷浆手习惯使用潮喷法作业，综上各种因素，最终确定采用潮喷法施工。

　　2. 试配强度

　　普通配合比设计均参照《普通混凝土配合比设计规程》JGJ 55-2000中公式（2-1）

　　fcu,0≥fcu,k+1.645σ                （2-1）

　　若按此规程设计C20喷射混凝土，标准差按规范要求C20选取4，试配抗压强度为（2-2）：

　　fcu,k≥20+1.645*4=26.58 Mpa        （2-2）

　　此方法反应的是采用标准状态下的配置状态下得出的试配强度与实际施工强度之间存在着一定的保证系数关系，该方法使用精密仪器称取外加剂、骨料、水泥、水，并在适温状态下搅拌及充分振捣后，入标准立方体抗压试模成形，而潮喷法喷射混凝土的配合比试件并非是在标准状态下进行试验，是通过工地实际拌料情况，喷浆手实地操喷大板（450mm×350mm×120mm试模）成形。

　　所以大板试件同期养护的后的28天抗压强度就应该为该配合比的实际施工强度，按普通混凝土设计规范的出的试配强度偏高，因是室内试验，采用后不一定满足而且还提高了施工成本。所以不能按照（2-1）公式执行。

　　通过参照评定规范并与总监办、中心试验室协商，茶林顶隧道C20喷射混凝土试配强度为（2-3）：

　　fcu,0≥fcu,k/0.95=20/0.95=21.05 Mpa    （2-3）

　　3.技术指标

　　喷射混凝土初支应具备：支承围岩、卸载、填平补强围岩、分配外力等技术功能，且应经济、成本上也要给予控制，所以设计配合比时不光要考虑抗压强度，还要从喷射混凝土的：弹性模量是否满足柔性要求，回弹量是否经济等角度去进行优化配合比设计。

　　4．配合比设计参数

　　(1) 水灰比

　　规范对喷射混凝土的水灰比要求为0.40-0.45,但喷射混凝土施工工艺决定了其用水量具有不可控性，完全要依靠喷浆手的经验及回弹量来确定。所以，在进行配合比设计的技术分析时，采用了以灰骨比控制的思路入手。既水泥与细集料和粗集料的重量比入手，引用材料力学相关理论对混凝土内部的结构进行力学分析，选用灰骨比为1:4。

　　（2）砂率

　　按锚杆喷射混凝土支护技术规范要求GB50086-2001执行，试配砂率选择为50%-60%。

　　（3）速凝剂

　　要求生产厂家技术人员将该配合比所使用水泥样品带回，并对该水泥与速凝剂之间的协调性进行试验分析，最终推荐掺量，在进行配合比设计试验时，速凝剂生产厂家委派技术人员来工地配合项目部试验室完成配合比试验。

　　（4）水泥和集料

　　锚杆喷射混凝土支护技术规范GB50086-2001要求水泥标号不低于32.5，但隧道施工技术规范要求不低于42.5。广东市场两种水泥差价在20元左右，42.5水泥不光抗压强度较高，其抗弯折能力也较强，通过对初支喷射混凝土的受力分析：其应该具备较高抗弯折能力（规范要求大于6 Mpa），所以本配合比根据行业规范对隧道喷射混凝土采用42.5号水泥，其他技术指标按国标内容执行。集料选择应该根据当地情况选用规范要求的类型，粗集料选用5-10mm的级配碎石，细集料选用细度模数为2.92左右的中粗河砂。

　　3 设计方法和步骤

　　3.1确定水泥用量

　　水泥用量太大不仅不经济，而且太大的水泥用量也会导致混凝土硬化后的干缩量增大；水泥用量太小，会使喷射混凝土的回弹量增加，早期强度增长缓慢。水泥用量初步拟定按经验公式（3-1）

　　C0=782.4 Dmax-0.2377·B          （3-1）

　　=782.4*10-0.2377*1=452kg

　　式中：C0-水泥用量；

　　B-检验调整系数，B=1

　　Dmax-集料的最大粒径

　　综合考虑，确定每方最大水泥用量为452 kg，拟定三组试配试件水泥用量为 452kg、422kg、392kg。

　　3.2 砂率的选择

　　由于喷射混凝土是靠喷射过程中水泥和骨料的相互碰撞、压实形成的。为尽可能地利用冲击能量，喷射混凝土的砂率要比普通混凝土的砂率要大。同时较大的砂率对混凝土粘聚性、工作性也有很大的影响。砂率大回弹量小，但强度较底，但强度下降，砂率大回弹量大，但强度有保证，因此，在配合比设计时，我们依据规范要求，拟定50%、55%、60%三个砂率。

　　3.2 容重

　　由于无法事先确定用水量，可先按灰骨比、水泥及砂率配置，在配合比试验使，在喷水管上装上水表，记单位用料时的用水量，便可求得该试样配合比的用水量, 由于所用水泥、集料及外加剂已知，已精确定W与水泥用量Ｃ、砂用量Ｓ、用量Ｇ及外加剂用量Ｅ的比例关系便为已知，见比例关系（3-2），喷射混凝土理论容重为2200Kg/m3，就推出该配合比混凝土的每方各种材料实际使用情况，从而调整只按灰骨比、水泥及砂率控制的配合比。

　　Ｃ：Ｓ：Ｇ：Ｅ：W=1：Ｓ/Ｃ：Ｇ/Ｃ：Ｅ/Ｃ：W/Ｃ　　　　　 (3-2)

　　3.3 现场试验

　　第一步 配料

　　现场按灰骨比1:4，三个水泥用量452kg、422kg、392kg，及三个砂率50%、55%、60%,速凝剂掺量为４%（厂家技术分析后确定），拟定7个配比如下：

　　①水泥：452    砂：904     碎石：904　　速凝剂：18.08

　　②水泥：452    砂：994     碎石：813    速凝剂：18.08

　　③水泥：452    砂：1084    碎石：723    速凝剂：18.08

　　④水泥：422    砂：844     碎石：844    速凝剂：16.88

　　⑤水泥：422    砂：928     碎石：760    速凝剂：16.88

　　⑥水泥：422    砂：1012    碎石：675    速凝剂：16.88

　　⑦水泥：392    砂：784     碎石：784   速凝剂：15.68

　　第二步　喷料入模

　　喷射混凝土配合比调整的目的就是使混凝土不仅满足强度的需要，而且也要满足施工工作性的需要。以不堵管、回弹少、附着性好的喷射混凝土配合比为最佳喷射混凝土配合比，所以在喷射过程中要详细记录每组配合比的用水量及其他喷射情况，并及时与喷浆手沟通，参考喷浆手意见。喷射过程如下：

　　Ａ. 在喷射作业面附近将模具敞开一侧朝下，以与水平成80°左右的夹角置于墙角，放置牢靠；

　　Ｂ、现在模具外的边墙上喷射，待操作正常后，将喷头移至模具位置，由下而上逐层向模内喷满混凝土；

　　Ｃ、将喷满混凝土的模具小心移至安全地方，用三角抹刀刮平混凝土表面。

　　第三步　养护

　　并记录如相应的配合比记录资料，随即将其平放在隧道内进行同条件养护。七天后，脱模后用切割机将其切割成100*100*100的立方体，随后继续养生至２８天。

　　第四步　试验及选取并调整

　　28天同条件养护到期，根据各组配合比用水量，按公式(3-2)推算出每组配合比混凝土各每方材料用量，见公式（3-3）

　　C'=2200/(1：Ｓ/Ｃ：Ｇ/Ｃ：Ｅ/Ｃ：W/Ｃ)

　　S'=(2200/(1：Ｓ/Ｃ：Ｇ/Ｃ：Ｅ/Ｃ：W/Ｃ))* Ｓ/Ｃ

　　Ｇ'=(2200/(1：Ｓ/Ｃ：Ｇ/Ｃ：Ｅ/Ｃ：W/Ｃ))* Ｇ/Ｃ

　　Ｅ'=(2200/(1：Ｓ/Ｃ：Ｇ/Ｃ：Ｅ/Ｃ：W/Ｃ)) *Ｅ/Ｃ

　　W'=(2200/(1：Ｓ/Ｃ：Ｇ/Ｃ：Ｅ/Ｃ：W/Ｃ)) * W/Ｃ         （3-3）

　　Ｃ'、Ｓ'、Ｇ' 、Ｅ' 、W'的重量既为每组配合比每方试配材料理论用量，其和为2200，根据试件实测表观密度M'除以2200，就得到配比修正系数￡。试配的九组配合比就可以得出如下：

　　水泥用量＝Ｃ'*￡  Kg

　　砂用量＝Ｓ'*￡  Kg

　　碎石用量＝Ｇ'*￡  Kg

　　速凝剂用量=Ｅ'　　Kg

　　用水量＝W'　　Kg

　　算出每组的平均重量对时间分组进行试压得出9组配合比试件的强度，然后根据记录的回弹量情况，选取既经济又满足施工要求的经修正后的配合比，即为茶林顶隧道初支C20喷射混凝土的配合。

　　4 总结

　　喷射混凝土施工随着地下工程的不断发展，也势必将越来越广泛，但相关指导性的规范尚未完善，只有靠工程技术人员在日常的工作生产中不断积累，总结宝贵的技术经验，为喷射混凝土的科学应用贡献自己的一份力量。

　　参考文献：

　　[1] JTG D70-2004，公路隧道设计规范[S] ．

　　[2] GB50086-2001，锚杆喷射混凝土支护技术规范要求[S] ．

　　[3] 陈建勋等．隧道工程试验检测技术．人民交通出版社，2004．