高剂量粉煤灰混凝土在隧道初支超耗控制的 技术研究

夏 博

中铁二十五局集团第三工程有限公司 湖南省长沙市 410000

摘 要 依托新建梅龙铁路项目，以MLSG-4标隧道初支混凝土施工为例，从混凝土配合比选择、喷射混凝土施工参数选定、操作人员管控等关键技术环节，详细分析了新建铁路湿喷法高剂量粉煤灰混凝土相关工艺在隧道初支超耗控制的施工技术，并针对施工中可能出现的问题提出了相应的应对措施，取得了可观的经济效益，对于类似工程有有一定参考价值。

关键词 新建铁路,高剂量粉煤灰混凝土,隧道初支超耗，经济效益

Study on control technology of Super High Dosage Fly Ash Concrete in tunnel

Xia Bo

( The third engineering co., Ltd.25th bureau.CRCC changsha,hunan 410000）

Abstract Relying on the newly-built Meilong railway project, taking the initial support concrete construction of mlsg-4 bid tunnel as an example, this paper analyzes in detail the construction technology of high-dose fly ash concrete with wet spraying method in the control of initial support over consumption of the tunnel from the key technical links such as the selection of concrete mix proportion, the selection of shotcrete construction parameters and the control of operators, In view of the possible problems in the construction, the corresponding countermeasures are put forward, and considerable economic benefits are obtained, which has a certain reference value for similar projects.

Keywords New railway, high-dose fly ash concrete, tunnel initial support over consumption, economic benefits

0 引言

我国铁路隧道初支混凝土基本采用湿喷混凝土工艺，一般采用普通喷射混凝土，与锚杆、钢架与钢筋网搭配使用，对围岩有初步稳定的作用。混凝土回弹是造成初支混凝土超耗的一个主要原因。目前国内外施工企业控制初支混凝土超耗的措施多偏向管理措施，重点把控原材料是否满足设计要求、施工机械配置是否合理、作业人员是否规范作业等，实际效果往往在行业普遍的140%~180%超耗比例区间内徘徊，很难进一步突破。而通过改变喷射混凝土原材料降低喷射混凝土回弹率，从而降低混凝土超耗量的经验积累不多，可借鉴的指导性案例鲜有提出。

因此，本文以梅龙铁路MLSG-4标项目隧道工程初支超耗控制为例，详细阐述了高剂量粉煤灰混凝土作为初支喷射混凝土在隧道初期支护中的应用，针对新材料所采用工艺参数进行分析，并对产生的经济效益进行总结，对类似工程提供了可参考解决方案。

1 工程概况

新建梅州至龙川铁路站前工程施工总价承包MLSG-4标主要工程内容为：正线路基26段/3.911公里，正线桥梁25座/9.489公里，涵洞9座/227.34横延米，正线隧道19座/15.583公里，无砟道床57.51公里。本标段19座隧道，累计总长15.583km，占本标段线路总长的53.098%

本标段19座隧道，累计总长15.583km，占本标段线路总长的53.098%。我国铁路隧道初支混凝土基本采用湿喷混凝土工艺，一般采用普通喷射混凝土，往往与锚杆、钢架与钢筋网搭配使用，对围岩有初步稳定的作用。隧道初支混凝土均采用C25喷射混凝土，设计总量为17.16万方，C25喷射混凝土市场价格为510元/方。

图1总平面布置图

1. 1. 国内设计现状

我国铁路隧道初支混凝土基本采用湿喷混凝土工艺，一般采用普通喷射混凝土，往往与锚杆、钢架与钢筋网搭配使用，对围岩有初步稳定的作用。参考以往项目施工经验及临近标段的施工经验，初支混凝土的超耗比例为140%~180%

自2017年铁路总公司出台了《铁路建设项目质量安全红线管理规定》（铁总建设【2017】310号），对铁路隧道衬砌厚度及强度等做了明确要求。检查力度及处罚强度之大，各铁路隧道施工单位对隧道混凝土提出了更高的要求。在满足设计要求的同时，也要兼顾经济效益，我们很有必要对隧道初支混凝土超耗控制进行进一步研究。

1. 2. 国内外研究现状

据相关资料反应，目前国内外施工企业控制初支混凝土超耗的措施多偏向管理措施，重点把控原材料是否满足设计要求、施工机械配置是否合理、喷浆控作业是否规范、作业人员是否规范作业等，实际效果往往在行业普遍的140%~180%超耗比例区间内徘徊，很难进一步突破。

高铁是我国在全世界的一张名片，是我国“一带一路”战略的重要一环，山地高铁项目的隧道占比往往可以达到50%以上。节能减排是贯彻落实科学发展观推进经济结构调整实现经济和社会可持续发展的必然要求也是推进“十四五”建设目标的重要内容。因此如何保证施工质量与工期的前提条件下，降低隧道初支超耗，成为现阶段施工研究的趋势。

2 实施方案设计

项目中心实验室针对初支混凝土超耗控制工作，专门设计了一种高剂量粉煤灰混凝土，具备节约了胶材、降低水化热、减少了膨胀开裂与减小回弹量等特点，取得了理想的效果。

2.1 配合比方案设计

喷射混凝土作为混凝土的一种,其配合比设计参数主要有水泥用量、灰骨比、砂率、水灰比以及坍落度等。

水泥：注重水泥掺量，水泥用量过少,回弹量大,当水泥用量增加,喷射混凝土强度会提高,回弹减少。

粉煤灰：在喷射混凝土早期强度和28d强度满足设计要求的前提下，适量加入一定比例的粉煤灰可有效改善混凝土的和易性，提升混凝土的耐久性，降低喷射过程中的回弹。

表1 梅龙项目各标段喷射混凝土配合比对比表

其它常用掺和料有粉煤灰、矿粉、石灰石粉等，其中广东地区的矿粉的价格较水泥高，在成本上无优势，我们选择从粉煤灰和石灰石粉进行研究。

随着外掺料的增加用水量也有所降低。加入粉煤灰或石灰石粉，降低了配合比的用水量，从而降低了水胶比，提高了混凝土的黏度、强度和耐久性。通过试拌还发现了掺入粉煤灰或石灰石粉，混凝土的粘聚性和流动性都变得更好，掺30%的粉煤灰的拌合物工作性能达到了最好状态。

表2 喷射混凝土配合比优化对比表

纯水泥设计的配合比早期强度虽高，但后期增长较慢，且耐久性稍差，成本较高，工作性稍差。经实验分析对比，30%剂量粉煤灰混凝土流动性好、包性好、粘性好。

2.2 喷射工法方案设计

针对湿喷法高剂量粉煤灰混凝土应用进行分析，总结了喷射速度、喷嘴与受喷面的距离、喷射角度等参数的最佳取值范围。喷射速度要适当，以利于混凝土的压实，从而提高混凝土强度，减少回弹量。具体操作方式如下:

喷射砼时，送风后再调整风压，使之控制在0.5～0.6Mpa之间，若风压过大，粗骨料碰围岩后会回弹，风压小，喷射动能小，粗骨料则冲不进砂浆层而脱落，都将导致回弹量增大，对喷射砼工作风压、泵送速度、速凝剂参量进行分析，采用因素分析法。

选取油岭坝2号隧道作为风压控制实验点，在混凝土相对稳定的情况下，喷射部位、围岩级别、人员、机械等均不变的情况下，每周调整喷射砼的工作风压，最终结果如下：

表3 不同风压混凝土超耗统计表

调整实验系统风压控制在0.6MPa，喷射砼的工作风压控制在0.22—0.26MPa，混凝土回弹率最低。

在混凝土相对稳定的情况下，喷射部位、围岩级别、人员、机械等均不变的情况下，设定风压值为0.24MPa，每天调整混凝土泵送速度，最终结果如下：

表4 不同泵送速度混凝土超耗统计表

泵送速度控制在16～16.4m³/小时，既能保证施工效率，又能确保喷射砼出管后的效果质量最佳。

在其他参数不变的情况下，设定风压值为0.24MPa，泵送速度16.2m³/小时，每周调整速凝剂参量，结果如下：

表5 不同速凝剂参量混凝土超耗统计表

工作风压控制在0.22—0.26MPa，泵送速度控制在16～16.4m³/小时，速凝剂参量控制在260～270L/小时，既能保证施工效率和经济效益，又能确保喷射砼出管后的效果质量最佳。

喷射混凝土的主要目的是使喷射混凝土能与基岩结合紧密，密实和牢固并尽可能的减少回弹量。经过现场反复试验结合经验，喷嘴与边墙的距离控制在0.8米左右，喷嘴与拱部的距离控制在1.2米左右，喷射砼的质量效果最好。喷射砼时，喷头必须尽量保持与岩面垂直，才能保证砼的密实性。

3 方案可行性研究

3.1 兼顾经济性的同时能否确保质量

采用高剂量粉煤灰混凝土作为初支喷射混凝土，实验可以满足各方面性能指标。实际采用打孔验证法和扫描法进行检测，确认实际施工密实度与厚度是否满足设计与规范要求，检测是否存在脱空与不密实；采用取芯法检测混凝土强度是否满足设计要求。

打孔验证法

初支施工完成24h后，纵向间距5m，环向间距2m，打设一圈初支检查孔，孔径3cm，深度打到基岩面为止，采用尺量法检测初支厚度。用灯光向检查孔内照射，如果附近检查孔出现漏光现象，则存在脱空及不密实的情况：

图2 隧道打孔验证

扫描法

引进湖南恒德检测有限公司检测单位，作为隧道初支混凝土自检单位，采用超声波雷达检查。如下图所示：

图3 初支雷达扫描

取芯法

在喷射混凝土早期强度和28d强度满足设计要求的前提下，适量加入一定比例的粉煤灰可有效改善混凝土的和易性，提升混凝土的耐久性，降低喷射过程中的回弹。因此很有必要采用取芯验证高剂量粉煤灰混凝土能否满足设计与规范要求。

每个隧道每隔50m或围岩变化处，取芯验证混凝土强度，要求混凝土24h强度不小于10MPa，28天强度不小于25MPa。如下图所示：

图4 取芯严重初支混凝土强度

对先期开工每个隧道洞口采用以上三种方法进行了检测，均未发现初支厚度不够与混凝土不密实与脱空，混凝土强度均满足设计和规范要求。

表6 初支混凝土取芯强度统计表

图5 扫描显示初支混凝土无脱空与不密实现象

3.2 兼顾经济性的同时能否确保工期

采用高剂量粉煤灰混凝土作为初支混凝土，作业周期基本与普通水泥混凝土无异，全线所有已开工隧道进展稳定，工期满足施组工期要求。

4 施工中的控制要点

4.1 混凝土原材料稳定性控制

采用高剂量粉煤灰混凝土作为初支混凝土，该型混凝土受原材料稳定性影响较大，原材料不稳定可能会导致混凝土工作性能大幅下降，混凝土回弹量大幅增加。因此，应有以下有效措施：

（1）各个拌合站混凝土原材料供应均选择长期合作供应商；

（2）如原材料确实有变化，重新进行实验调整配合比，确保混凝土达到最优工作性能；

（3）对每批进场材料进行抽检，严格控制骨料含水率，对不合格的材料坚决清退；

（4）配合比更换后，必须邀请速凝剂厂家进行现场调试，确定最优速凝剂掺量。

4.2 操作人员操作规范性控制

初支混凝土喷射操作人员作业是否规范，同样也极大的影响混凝土回弹率，导致新材料的失效。因此，应有以下有效措施：

（1）加强技术人员培训，将喷射参数以技术交底的形式交到每个作业人员手中；

（2）加强对现场操作人员的考核，操作规范程度直接与收入结合；

5 结语

5.1 取得效益

梅龙铁路MLSG-4标隧道初支混凝土采高剂量粉煤灰混凝土工艺，超耗率从一开始的145.59%，降低至113.46%，初支检测未发现强度不够的情况，施工周期与普通初支混凝土相近，在确保质量、与工期的前提下，有效的控制了成本，在节能减排方面也取得较好的效益。

5.2 应用前景

高剂量粉煤灰混凝土相关工艺在隧道初支超耗控制的研究是混凝土施工常规技术的一次创新，对类似铁路隧道具有很好的借鉴作用。该技术成功应用于铁路隧道施工，还适用于公路隧道、市政隧道初支混凝土施工等条件情况，具有良好的应用前景。

参考文献

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