喷射混凝土施工工艺工法
QB/ZTYJGYGF-SD-0308-2011 第五工程有限公司 张党平
1 前 言 1.1 工艺概况
喷射混凝土工艺上可分为干喷、潮喷和湿喷。近年来，湿喷工艺已成为铁路、公路及水工隧道施工的主要喷射工艺。
干喷、潮喷工艺使喷射作业还停留在手工小作坊时代（单机搅拌、小型机械运输、人工上料、人工控制水灰比与速凝剂），作业环境差、劳动强度大、质量控制水平低，材料消耗高、生产效率低。与目前的社会经济发展水平极不适应。
湿喷工艺可以使喷射作业实现集中搅拌（搅拌站）与自动计量、机械化运输与上料，已成为喷射混凝土施工的主流施工方式，尤其是大型喷射混凝土机械手湿喷工艺施工技术的成功运用，大大提高了喷射混凝土的速度，具有较好的社会经济效益。 1.2 工艺原理
喷射混凝土通过混凝土喷射机具（输送泵）、压缩空气、喷射头来实现混凝土布料、输送、添外加剂并把混凝土直接喷贴到岩土面的施工方法。
1.2.1潮喷是采用拌合机将骨料、水泥、少量水、增粘剂拌制成水灰比在0.16～0.19内的干硬混凝土，将干硬混凝土和粉状速凝剂加入喷射机料斗，加有速凝剂的干硬混凝土通过喷射机转子体输送到出料口，通过压缩空气送至喷头，在喷头内对其再次加水后喷射到岩土面上。
1.2.2湿喷是采用拌合机将骨料、水泥、水按照配合比拌制成混凝土后，采用湿喷机布料喷射，也可配合机械手喷射。 2 工艺特点
2.1潮喷工艺设备简单、操作方便、使用的粉状速凝剂成本低；但喷射回弹量比干喷小，粉尘少，所喷射混凝土强度比干喷高，适用范围比较广。
2.2湿喷工艺相对前两类工艺具有喷射回弹量小，粉尘少，对环境污染小，所喷射混凝土强度高的特点，是目前重点推广的喷射工艺。 3 适用范围
适用所有铁路、公路隧道和水下通道以及高边坡防护等工程的喷射混凝土施工。 4 主要引用标准
《高速铁路隧道工程施工技术指南》
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《高速铁路隧道工程施工质量验收标准》 《铁路混凝土工程施工技术指南》 《铁路混凝土工程施工质量验收标准》 5 施工方法
潮喷和小型湿喷机湿喷作业采用小型机具，配合作业平台进行，大型湿喷作业大多采用机械手进行。
6 工艺流程及操作要点 6.1 工艺流程
6.1.1 潮喷工艺 1 工艺流程图见图1。
图1 潮喷混凝土施工工艺 图2 潮喷混凝土现场作业
2 工艺流程说明
1）试验室严格控制好喷射混凝土的配合比。
2）喷射时喷嘴垂直于受喷岩面，保持1m左右距离，分片作螺旋往复运动，直到达规定厚度，并控制好喷射混凝土表面的平整度。
3）对渗漏水比较小的地方，喷射从无水处向有水处进行；对于渗漏水较大的地方，先采取引流措施后再喷混凝土。
4）喷射先开风，后开喷射机；停喷时先停喷射机、后停风。
5）喷射前先调水，当喷嘴喷射雾状水时开始喷射，喷射中检查喷射面是否有光泽，水量小出现干斑，水量大出现拉毛现象。
6.1.2 湿喷工艺 1 工艺流程图见图3。
图3 湿喷混凝土施工工艺流程图
2 工艺流程说明
1）试验室严格控制好喷射混凝土的配合比，根据混凝土运输距离选择好坍落度，防止运输过程中喷射混凝土坍落度损失过大。
2）喷射时喷嘴垂直于受喷岩面，保持1m左右距离，分片作螺旋往复运动，直到达规定厚度，控制好喷射混凝土表面的平整度。
3）对渗水比较小的地方，喷射从无水处向有水处进行；对渗水较大的地方，采取引流措施后再喷混凝土。
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4）喷射机械手喷射，根据喷射部位不同适当调整喷射量。
图4 湿喷混凝土现场作业
6.2 操作要点
6.2.1 混合料或混凝土加工运输
1 潮喷混凝土的加工一般也采用小型拌合站拌制，并严格按确定配合比将0～15mm的碎石、中粗砂进行配料，通过拌合机将骨料、水泥与少量水均匀拌合而成干硬性混凝土（水灰比控制在0.16～0.19），用自卸汽车运至喷射地点。
2 湿喷混凝土的加工一般采用大型拌合站拌制，并严格按确定配合比将0～15mm的碎石、中粗砂进行配料，通过拌合机将骨料、水泥、水均匀拌合而成混凝土，用混凝土运输车运至喷射地点。
6.2.2 喷射混凝土现场准备
潮喷、湿喷混凝土喷射前先平整场地，并在存料底部铺设薄钢板，将喷射机移至喷射地点，将高压风管和喷射机连接，用电缆线将喷射机和配电箱连接，喷射管和喷射机连接潮喷时高压水管和喷头连接，湿喷时速凝剂管和喷头连接，喷头和喷射管连接。全部连接完成后先开风调试喷射管路是否通畅，潮喷开水调试水压和水量，湿喷启动速凝剂泵并设置速凝剂掺量，最后启动喷射机电源调试喷射机。
6.2.3 外加剂的添加
1 潮喷混凝土工艺外加剂一般采用人工添加，掺量控制误差较大，随意性也极大。
2 湿喷混凝土工艺外加剂是机械添加，掺量控制比较准确。特别是喷射机械手对外加剂掺量的控制极其标准，它是根据所设置的每小时喷射量及所设置的外加剂掺量进行自动调节的。
6.2.4 混凝土喷射作业
1 三种喷射混凝土工艺的作业方法基本相同，都要求喷头和喷射面呈垂直角度，喷头距离喷射控制在0.8～1.2m之间，从下往上分片作螺旋往复运动，直到达规定厚度。
2 三种喷射混凝土工艺具体操作上有所不同。
⑴潮喷的加水量由喷射手控制的，喷射手的经验决定了水量的准确程度，因此在喷射前水的调试比较关键，在喷射机进料前先开风，然后慢慢开水，观察从喷头出来的水是否成雾状，喷水成雾状后再启动喷射机进行喷射。喷射中，喷射手随时观察喷射面情况，喷射面上出现干斑就说明水量小了，喷射面上出现拉毛就说明水量大了，只有喷射面上有光泽时才能说明水量合适。
⑵潮喷作业中，上料人员和喷射手之间的配合也非常关键，若上料一直保持均匀，则喷射手就不用适时调节水量，若上料不均匀，则喷射手就要适时调节用水量。
⑶潮喷作业中，受喷面找平，只有上料人员和喷射手默契配合才能很好进行，喷射手调小水量，上料人员减少上料量，也就是减少每小时喷射量，才能将较小的凹坑找平，保证喷射面的平整度。
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⑷湿喷作业中的上料速度和外加剂掺量都是由机械控制的，水灰比也是标准的，喷射手主要控制喷射角度、距离、喷射厚度和平整度。 7 劳动力组织
隧道施工中，初期支护的混凝土喷射应在开挖后尽快施作，人员配置必须合理。 潮喷施工人员配置见表1。
表1 潮喷施工人员配置表（1台喷射机）
作业人员 喷射手 一台机 喷射人员 合 计 指挥 上料人员 外加剂人员 5 人数(人) 1 1 2 1 辅助 人员 作业人员 拌合机司机 装载机司机 汽车司机 空压机司机 电工 合 计 人数(人) 1 1 2 1 1 6 湿喷施工人员配置见表2。
表2 湿喷施工人员配置表
作业人员 喷射手 一台机 喷射人员 合 计 指挥 上料人员 3 人数(人) 1 1 1 辅助 人员 作业人员 拌合机司机 装载机司机 汽车司机 空压机司机 电工 合 计 人数(人) 1 1 2 1 1 6 8 主要机具设备
8.1 喷射混凝土设备选型与配置
8.1.1喷射设备的选型与配置根据工程规模、施工场地、运输条件、文明施工和环境保护要求等因素综合确定。
8.1.2一般的铁路、公路、地铁等较大断面隧道均有条件采用湿喷工艺，设备选择湿喷机。二次衬砌混凝土拌合站设在喷射地点附近，喷射混凝土拌合站和二次衬砌混凝土拌合站可合设一个；若二次衬砌混凝土拌合站距离喷射地点较远，单独设喷射混凝土拌合站，混凝土运输车不少于2台。
8.1.3当每循环受喷面较小，一次喷射作业量不大，或者无法采用混凝土罐车运输混凝土时，
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适宜采用潮喷工艺，选择潮喷机。另在喷射地点附近配置小型拌合站，自卸汽车配置不少于2台。 8.2 供风设备配置
空压机的配置根据使用喷射机台数而确定。
每台湿喷机需要10m3/min的风量，且风压要达到0.7MPa。湿喷工艺所配空压机适宜采用风压比较稳定的，不宜采用内燃空压机。
每台潮喷射机需要6m3/min的风量，风压0.15MPa，水压0.3MPa。 8.3 供电系统配置
供电系统配置充分考虑空压机、拌合站、喷射机和照明等设备的配置功率，根据用电总功率和线路长度配置相应线径的供电线路及总功率1.2倍的变电系统。 8.4 常用喷射混凝土设备
8.4.1潮喷工艺设备
西安科达隧道物资生产的CP-5型潮喷机，PZ-5B型潮喷机。 8.4.2湿喷工艺设备
1 一般湿喷射设备：成都岩锋科技发展有限公司生产的TK-500型湿喷机见图5，中国中铁一局集团有限公司生产的XZPS-30型湿喷机见图6。
图5 TK-500型湿喷机
图6 XZPS-30型湿喷机
3、湿喷机械手：长沙中联重工科技发展有限公司并购的意大利国际混凝土喷射 知名品牌CIFA公司生产原装进口的CSS3型喷射机械手见图7。
图7 CSS3型喷射机械手
9 质量控制
9.1 易出现的质量问题
喷射手熟练程度差、技术水平低、责任心不强容易导致喷射混凝土表面平整度差；速凝剂质量不稳定，施工参量不匹配，容易引起喷射回弹量过大，甚至出现喷射后大面积掉块现象。 9.2 保证措施
9.2.1 严格控制原材料质量 1 水泥质量控制
⑴水泥一般选用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，也可选用矿渣硅酸盐水泥或火山灰质硅酸盐水泥，强度等级不低于32.5MPa。
⑵水泥是喷射混凝土最重要的原材料，严格把好水泥进库检查关及使用前检验关。对水泥强度、安定性、凝结时间进行抽样检查，合格者准予使用，不合格者不准进场和用于施工。
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2 粗骨料质量控制
⑴采用坚硬耐久的卵石或碎石，粒径不宜大于15mm。
⑵粗骨料级配、最大粒径等质量指标符合《锚杆喷射混凝土支护技术规范》中的相关规定。 3 细骨料质量控制
砂子宜选择优质中粗河砂，细度模数为2.5～3.3
范围，含泥量、泥块含量等质量指标满足JTJ 041《公路桥涵施工技术规范》中的相关技术要求。（特注：目前，“隧道施工技术规范”中暂无砂石材料技术要求。）
4 外加剂质量控制
速凝剂使用前，需做与水泥的相容性试验和水泥净浆凝结效果试验。所用速凝剂保证初凝时间不大于5min，终凝时间不大于10min。其它各项试验项目符合JC477-2005《喷射混凝土用速凝剂》技术要求后方可使用。
5 水的质量控制
喷射混凝土所用水为无杂质的洁净水，不能使用污水及pH值小于4的酸性水，也不能使用含硫酸盐，其量按SO42-离子含量超过混合用水量1%的水。
9.2.2 严格控制喷射混凝土强度 1 配合比控制
⑴喷射施工所用混合料和混凝土的配合比是在保证原材料合格前提下，通过试验试配出来。 ⑵配合比确定后，按其设计准确称量进行搅拌。原材料按重量计，称量允许偏差：水泥和速凝剂为±2%；砂、石料为±3%。
⑶当原材料规格、指标发生变化，需灵活的调整配合比。 2 喷射方法控制
⑴喷射作业分段分片依次进行，严格按先墙后拱，先下后上的顺序，以减少混凝土因重力作用而引起滑脱现象发生。
⑵喷射作业掌握好喷嘴与受喷岩面的距离和角度。距离最好为0.6～1.8m，喷嘴与岩面垂直，并稍微偏向刚喷的部位，凹陷处先喷和多喷，凸出处后喷和少喷。
⑶喷射时采用螺旋形或S形往返移动前进，调节好风压和水压，水压稍高于风压。 3 外加剂掺量控制
外加剂掺量根据产品说明书中提供的掺量范围，通过试验确定其最佳掺量。 9.2.3 认真做好喷射混凝土质量评估 1 喷射混凝土抗压强度检测
喷射混凝土的强度每一作业循环检验一次，每个循环至少在拱部和边墙各留置一组检验试件。
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设计无明确要求时，喷混凝土3h强度应达到1.5MPa，24h强度应达到10.0MPa。
当检测到不合格时，需查明原因并采取措施，可用加厚喷层或增设锚杆予以补强。 2 喷射混凝土厚度检测
喷射混凝土厚度可采用埋钉法、凿孔法或无损检测等方法检查。凿孔检查宜在混凝土喷后8h以内，用短钎将孔凿出，发现厚度不够时可及时补喷。全断面开挖时，每一作业循环检查一次，分部开挖时，每3～5m检查一次。每个断面应从拱顶起，每间隔2m布设一个检查点检查喷射混凝土的厚度。喷射混凝土厚度的检查点数90%及以上大于设计厚度即为合格。
当发现喷射混凝土表面有裂缝、脱落、露筋、渗漏水情况，立即予以修补，凿除重喷或进行整治。
3、喷射混凝土平整度检测
①平整度用直尺检测。喷射混凝土基面平整度：边墙D／L≤1/6，拱顶D／L≤1/8。 ②基面无钢筋、管件露头等尖锐突出物。
③隧道断面变化或转弯处阴角抹成R≥5cm的圆弧，阳角抹成R≥10cm的圆弧。 10 安全措施
10.1主要安全风险分析
喷射作业时，机械手停放位置和喷射手作业位置，隧道危石、悬石应清除干净，喷射手要配带防护用品，机械各部位完好正常，严禁将喷浆口对人放置和喷射。 10.2保证措施
10.2.1喷射作业前检查喷射机和喷射管连接是否牢固、喷射管之间连接是否牢固、喷射管和喷头之间连接是否牢固，避免喷射中连接处脱落，发生事故。
10.2.2试喷射机和喷射作业，喷头不能对着人和设备。
10.2.3排除堵管需要开风，先把出料端固定，避免喷射管摆动伤及人和物。施工中注意水、电、风、液体速凝剂连接检查及出现问题的紧急处理。
10.2.4速凝剂操作过程中应注意防止速凝剂泄漏灼伤。 10.2.5注意按周期进行设备维护、保养。
10.2.6喷射手佩带好面罩，避免回弹伤人，吸尘危害职业健康。 11 环保及节能措施
11.1 采用机械手湿喷混凝土，充分利用动力电压，减少了油料的消耗，同时喷射同体积方量的混凝土，其耗电量远低于普通湿喷机，达到节能和环保的要求。
11.2 混凝土喷射机械手的喷射走位灵活，变换自由，能选择到最佳喷射位置，最大限度的减小混凝土回弹率8%～15%，极大降低混凝土施工成本。
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11.3 机械手布料区域广，输出方量大，且移动方便，喷射位高不用筑台，机械就位时间快，节约时间，同时较人工湿喷操作人员减小3～4 人。
11.4 机械手使用功能强大，混凝土喷射速度快，能加快施工进度，相同混凝土喷射速度提高一倍以上，对大方量混凝土更节约时间。
11.5 机械手喷射时产生的粉尘少，作业环境得到极大改善，能有效的保护工作人员的健康。 12 应用实例 12.1 工程简介
由中铁一局集团第五工程有限公司承建的云桂铁路石林隧道全长18208m，为云桂线最长隧道、全国最长单洞双线隧道、世界最长钻爆法施工的岩溶隧道。隧道最大埋深约250m，最小埋深约6m。石林隧道设置“一平导+两斜井”的辅助坑道模式。平行导坑设置于左线线路中线右侧35m，全长18122m。1号斜井位于隧道左线线路左侧，长度938m，综合坡率为-8.2%， 2号斜井位于隧道左线线路左侧，长度998m，综合坡率为-9.4%。石林隧道地质以灰岩为主，穿越6个断层4个破碎带，其中Ⅳ、Ⅴ级围岩占31.3%。主要地质风险为岩溶和岩爆，为Ⅰ级风险隧道。 12.2 施工情况
云桂铁路石林隧道进口正洞、平导施工期间采用了大型喷射混凝土机械手湿喷工艺施工技术取得了成功，具有较好的社会经济效益，深受大家一致好评。石林隧道出口平导穿越大平地2#断层期间，为保证F6断层快速顺利渡过，只有加快初期支护喷射混凝土施工时间，加强初期支护施工质量。为此，我们采用CSS3机械手湿喷作业，通过该工艺的实施，使F6断层的喷射混凝土在喷射速度、喷射混凝土强度、喷射回弹率等方面均得到较大提高，为F6断层的顺利通过起到了至关重要的作用，同时极大的节约了施工成本。 12.3 工程结果评价
云桂铁路石林隧道机械手湿喷工艺的运用，提高了机械化程度，加快了施工进度，缩短了工期，降低了施工成本，保证了施工工期和质量，取得了较好的社会经济效益，为隧道采用机械化湿喷混凝土施工技术及其他类似工程混凝土喷射技术有一定的借鉴意义。 12.4 建设效果及施工图片
图8 机械手喷射混凝土作业
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