水利工程濕噴混凝土回彈率影響因素研究

謝志偉

(甘肅省水利科學研究院，甘肅 蘭州 730000)

水利工程建設過程不可避免的需要對某些山體進行隧洞開挖，隧洞開挖將直接導致巖體內部應力重新分布，由于部分巖體被挖走，留下的空洞部分在應力重分布的前提下容易出現局部失穩破壞，嚴重時會出現大面積塌方，導致嚴重的人員和財產損失[1]。近二十年來，我國基礎設施建設得到了飛躍發展，水利工程建設也取得了令人驕傲的成績，偉大進步的背后是無數工程技術人員日夜奮斗和冒險前進。在水利工程隧洞開挖方面，技術人員針對開挖之后應力重分布導致的工程事故進行了一系列的防止措施，尤其是混凝土干噴和濕噴措施，隧洞開挖后及時對開挖洞壁進行噴混凝土保護，可以有效保證洞壁內部的穩定性，防止洞室巖體出現塌方和脫落等工程事故，有效保證工程人員生命安全和國家財產[2]。

混凝土干噴是將水泥、骨料及外加劑等按照一定比例攪拌均勻后直接裝入混凝土噴射機內，利用高壓空氣將噴射機內材料噴出，噴出同時與水結合，保證混凝土有效吸附在洞壁上[3]。干噴混凝土噴射由于其施工工藝簡單，施工機器小巧，前些年在廣泛應用，但是其噴射過程中灰塵大、回彈損失高也是其較大的弊端所在[5]。濕噴混凝土是指將混凝土原材料提前拌合均勻之后裝入混凝土噴射機內，利用高壓空氣將混凝土噴射出去，使其吸附在洞壁內部，濕噴混凝土施工過程及機器設備較為復雜，但能克服干噴混凝土施工過程中的灰塵大、回彈多等缺陷，是近些年來我國工程人員在隧洞開挖護壁的首選工藝[6]。雖然濕噴混凝土施工能一定程度上降低噴射過程的回彈脫落，但是不同的混凝土原材料和施工工藝依舊對混凝土回彈有一定的影響[7- 12]，本文以某水利工程地下洞室開挖過程中的濕噴工藝為例，對濕噴過程中的混凝土回彈率影響因素進行了分析研究。

1 回彈機理分析

混凝土噴射到洞壁后能發生回彈主要是因為噴射后所具有的動能和勢能之和大于混凝土離開洞壁所需要消耗的能量[13]，依據能量守恒原理，混凝土離開噴射機時具有的動能減去混凝土噴射過程中克服空氣阻力所降低的能量等于混凝土到達洞壁所具有的動能，材料在洞壁上吸附之后回彈所具有的能量為材料到達洞壁時的動能減去材料在洞壁上滑動克服洞壁做功所消耗的能量，具體關系如下：

(1)

(2)

式中，m前—噴射機噴出時對應的混凝土質量；v前—混凝土噴出時對應的速度；f—空氣阻力；s—混凝土在空氣中運動路徑；v后—混凝土到達洞壁時的速度；W阻—混凝土在洞壁上運動所損失的能量；m落—回彈混凝土質量；v落—回彈混凝土的速度；

由此可以得出回彈率為：

(3)

從式(3)中不難看出，要想降低回彈率，提高混凝土噴射利用率，必須降低噴射后混凝土的脫落量m落，而改變混凝土的噴射路徑，提高噴射混凝土在洞壁上的運動的損失能量均可以一定程度上減小混凝土達到洞壁時的速度，從而達到減少混凝土脫落量的目的。同時，混凝土達到洞壁上后的凝結程度也直接影響了混凝土自身強度的發展，對其脫落量也有直接的影響，因此本文擬通過試驗手段對噴射距離、噴射角度和速凝劑等對回彈率影響因素進行分析，從而提出降低濕噴混凝土的具體參考指標 。

2 工程概況及試驗流程

2.1 工程概況

選取某水利輸水隧洞開挖過程中巖體濕噴過程進行分析，該工程圍巖較為復雜，基本為Ⅳ、Ⅴ類圍巖，隧道開挖過程中發現圍巖偏應力較為嚴重，圍巖主要由松散、破碎的片巖組成，巖體內部裂隙發育程度較高，且巖體內部存在大量的軟弱夾層，致使巖體極易出現剝離脫落等現象，該工程開挖過程中決定采取帶仰供復合襯砌，同時配套濕噴混凝土進行錨固支護。

2.2 試驗流程

濕噴混凝土時，骨料的選擇不能太粗也不能太細，骨料太粗，噴射過程不易操作，且噴射過程中容易出現堵管，導致施工暫停，容易對機器造成一定的損害，同時也會使洞壁上出現后期施工縫；骨料太細，不利于混凝土強度的發展，混凝土后期干縮量也會明顯增加，對混凝土襯砌的完整性不利，且會導致混凝土襯砌分割，降低噴射混凝土的整體性，導致混凝土保護能力降低。結合過往經驗，選定本次試驗參數為：選定細度模數為2.65的細砂，水泥選用強度等級為42.5MPa的硅酸鹽水泥，經過現場試噴試驗，確定砂率值為55%，單位水泥用量為450kg/m3，水灰比為0.45，以該混凝土進行現場隧洞濕噴試驗。試驗過程中在噴射范圍地面鋪設帆布來收集脫落混凝土，以此來確定回彈率，分析濕噴效果.

3 濕噴回彈因素分析

3.1 噴射距離分析

由濕噴混凝土噴射過程可以發現，噴射路徑的長度直接影響了濕噴混凝土克服空氣阻力所做功多少，進而直接影響噴射混凝土v后的大小，由此對噴射混凝土回彈率有直接的影響，由此分別選取噴射距離為0.5、0.8、1.0、1.2、1.5m的噴射距離進行濕噴試驗，并對各自噴射距離之下的濕噴混凝土回彈率進行測定，測得不同噴射距離下濕噴混凝土回彈率值如圖1所示。

圖1 不同噴射距離時混凝土回彈率

由圖1不難發現，隨著噴射距離從小增大，濕噴混凝土回彈率呈現先降低后逐漸增大的趨勢。當噴射距離過大或過小時，濕噴混凝土回彈率均較大，其中當噴射距離為0.5m或者1.5m時，濕噴混凝土回彈率均超過20%，而當噴射距離在1m左右時，濕噴混凝土回彈率保持在8%～12%之間，且隨著噴射距離從小逐漸增大，濕噴混凝土回彈率最小值出現在1m左右。原因在于，當噴射距離較小時，由于混凝土離開噴嘴速度一定，空氣阻力對混凝土噴射過程中做功較少，使得混凝土在到達洞壁時依然具備較高的動能，因此混凝土回彈量較大，導致回彈率較高。當噴射距離較大時，混凝土到達洞壁時速度較小，使得混凝土無法有效吸附在已有混凝土表層，且已有混凝土由于到達洞壁時動能較小也沒能有效的吸附在洞壁表層，容易造成混凝土在重力作用下脫落，因此，噴射距離過大或過小均不利于濕噴混凝土吸附，對于本次試驗研究而言，對該輸水隧洞進行開挖濕噴混凝土時建議選定噴射距離為1m。

3.2 噴射角度分析

噴射角度是指噴射工作面與濕噴嘴之間的夾角，噴射角度的不同直接影響了濕噴混凝土的回彈條件。一般情況下，噴射角度越大，混凝土回彈需要克服洞壁做功越多，混凝土回彈率越小，但是噴射角度的增加會直接增加工程的施工難度和費用，因此合理的選擇噴射角度對濕噴工藝的提升有明顯的幫助。本次試驗中，選定噴射角度分別為45°、60°、70°和90°進行試驗，確定針對該隧洞開挖過程中的合理的噴射角度。分別在以上噴射角度進行混凝土濕噴試驗，測定不同噴射角度下濕噴混凝土回彈率如圖2所示。

圖2 不同噴射角度下濕噴混凝土回彈率

由圖2可以看出，隨著噴射角度的逐漸增大，濕噴混凝土回彈率逐漸降低，且下降速度呈現先穩定下降，然后迅速降低最后趨于穩定的趨勢。其中，當噴射角度為30°增加至60°時，混凝土回彈率由35%線性下降為20.3%，隨著噴射角度的持續增加，回彈率出現迅速下降后開始逐漸趨于穩定，穩定值為10.5%左右。原因在于，當噴射角度較小時，濕噴混凝土在達到洞壁之后具備較好的反彈條件，洞壁對混凝土在洞壁上移動和吸附過程做負功較少，使得混凝土具備較大的動能繼續向前運動，出現反彈，導致回彈率較大。隨著噴射角度的逐漸增大，反彈條件逐漸降低，使得混凝土回彈率逐漸降低，當噴射角度達到70°以上后，混凝土回彈條件減弱，回彈率降低，因此對該輸水隧洞開挖濕噴而言，建議將濕噴角度控制在70°以上。

3.3 速凝劑摻量分析

外加劑可以直接改變混凝土的性能，提高混凝土的耐久性，速凝劑的摻入能夠縮短混凝土凝結硬化時間，提高混凝土早期強度，增強混凝土與洞壁之間的吸附能力，防止出現后階段混凝土噴射對已有混凝土的碰撞而使其脫落的現象。對該地下隧道，分別選定速凝劑質量百分比為2%、5%、7%、9%進行濕噴試驗，獲取速凝劑含量與混凝土回彈率之間的關系。經過現場濕噴試驗，測定不同含量速凝劑作用下混凝土回彈率的變化趨勢如圖3所示。

圖3 不同速凝劑含量下混凝土回彈率

由圖3可以看出，隨著速凝劑含量逐漸增加，混凝土回彈率呈現先降低后增加的趨勢，當速凝劑含量為2%時，混凝土回彈率為16.1%；當速凝劑含量增加至5%時，混凝土回彈率降低為9.8%。隨著速凝劑含量繼續增加，混凝土回彈率逐漸上升至21.4%，即速凝劑含量過多或者過少均不利于濕噴混凝土的吸附。依據前文中濕噴混凝土的回彈機理可知，當速凝劑含量降低時，混凝土凝結速度慢，導致混凝土內部粘結強度降低，則吸附在洞壁上的混凝土在后續混凝土的作用下容易發生錯位移動而出現脫落，導致混凝土回彈率較高；當速凝劑含量較高時，噴射混凝土凝結硬化速度快，現后噴射混凝土之間容易產生結構裂縫，濕噴混凝土內部出現薄弱結構層，導致各層噴射混凝土之間有效吸附作用降低，致使混凝土回彈率增加，對該地下隧洞開挖而言，建議選定速凝劑含量為5%左右最為合適。

4 結語

筆者分析了濕噴混凝土的回彈機理，探討了實際工程開挖過程中回彈率的影響因素，得到了噴射距離、噴射角度和速凝劑添加含量對回彈率的影響關系曲線。

隨著噴射距離從0.5m逐漸增大至1.5m，混凝土回彈率逐漸從20%下降至8%，然后上升至22.5%，確定了該工程開挖時濕噴混凝土噴射距離為1m。隨著噴射角度逐漸增大，濕噴混凝土回彈率呈現初期線性下降，中期迅速下降，后期趨于穩定的狀態，對該工程而言，確定其噴射角度為70°以上較為合理。速凝劑的摻加量會直接影響混凝土回彈率，當速凝劑含量有2%增加至8%時，回彈率呈現先降低后逐漸增大的趨勢，對該工程而言，確定其速凝劑摻加量為5%左右時混凝土回彈率較低。