纤维喷射混凝土单层衬砌施工技术探讨

纤维喷射混凝土单层衬砌施工技术探讨

杜国平

（1.重庆大学土木工程学院，重庆

1，2

，李晓红，宋战平

西安

13

400030；2.重庆高速公路集团有限公司，重庆

710055）

401147；

3.西安建筑科技大学，陕西

摘要：摩天岭隧道通风斜井左洞，坡度大于24°，长度接近1400m，在此条件下进行施工难度极大，特别是在

二次衬砌的施工中，斜井内大规模混凝土的运输、衬砌台车的加固、定位和模筑混凝土的振捣等作业的危险性很大，施工质量难以保证。因此，该工程施工中采用了相对简单、方便，但强度满足工程运营要求的纤维喷射混凝土单层衬砌。论文以摩天岭隧道斜井单层衬砌施工为工程背景，对大坡度斜井纤维喷射混凝土的工程特性及纤维喷射混凝土作为隧道永久衬砌的施工工艺等进行了介绍和探讨，其相关研究和结论直接服务和指导了摩天岭隧道的斜井施工。

关键词：隧道工程；纤维喷射混凝土；单层衬砌；施工技术中图分类号：U45

文献标识码：B

1概况

钢纤维混凝土作为一种新型建筑材料，近年来在国内外得到了迅速发展。与普通混凝土相比，钢纤维混凝土不仅能明显改善抗拉、抗剪、抗折以及抗渗能力，而且能大大增强断裂韧性和抗冲击等多项性能，所以在道路路面、桥梁结构、隧道衬砌支护等工程中广泛应用。钢纤维喷射混凝土是由均匀散布有钢纤维的混凝土拌和料，借助压缩空气高速喷射成型的新型复合材料，随着其在隧道和地下工程新奥法施工中的推广使用，已越来越引起学术及工程界的重视，并在实际工程中取得了良好的应用效果。

摩天岭隧道为一座上、下行分离的四车道高速公路特长隧道。隧道最大埋深约880m，长7353m。根据隧道需风量及地形地质条件等因素综合考虑，摩天岭隧道左右线均采用分段送排式纵向通风方案，左右线各设置斜井一座，分别对左右线进行送排风。斜井最大埋深822m，隧址区穿过的地层由新到老有下统嘉陵江组T1j）和大冶组（T1d），岩层主要为薄至中厚层弱风化（

隐晶质灰岩、白云质灰岩、泥灰岩。左线隧道斜井（1号斜井）长1367.31m，倾角24°21′48″（见图1所示）。1号斜井洞身段原设计采用复合衬砌，Ⅲ～Ⅴ级围岩地段初期支护由格栅钢架、径向锚杆、钢筋网及喷射混凝土组成；Ⅱ级围岩地段初期支护由径向锚杆、钢筋网及

喷射混凝土组成。Ⅴ级围岩地段二次衬砌采用45cm钢筋混凝土衬砌；Ⅳ级围岩地段二次衬砌采用40cm模筑素混凝土衬砌；Ⅱ～Ⅲ二次衬砌采用35cm模筑素混凝土衬砌。

在国内同类隧道中，坡度大于24°，长度接近1400m的斜井尚属首例，在此条件下进行施工难度极大，特别是进行二次衬砌的模筑混凝土施工。二次衬砌施工中，斜井内大规模混凝土的运输、衬砌台车的定位固定、模筑混凝土的振捣等难度大、危险性高，施工质量难以保证；受斜井施工特点，二次支护需待掘进完成后自下而上依次进行浇注，掘进、支护不能平行作业，施工周期长，费用高，且工期难以保证。因此，以摩天岭隧道斜井为依托，探讨安全可行、施工方便、质量可靠的斜井衬砌施工新技术尤为必要。

2纤维混凝土单层衬砌应用背景

摩天岭隧道斜井目前已开挖960余米，其中，洞口Ⅲ级以上围岩地段按设计进行了初期支护，跟踪进行的洞内位移监测表明，隧道围岩和支护结构已经稳定。Ⅱ级围岩区在开挖后进行的毛洞收敛监测表明，开挖2天后围岩日变形量均小于0.02mm，表明隧道毛洞变形已趋于稳定。从隧道当前施工段掘进后围岩状况可以看出：摩天岭隧道围岩为厚层状石灰岩，围岩完整，无明显节理、裂隙出露；隧道开挖周边残孔率100%，隧道

作者简介：杜国平(1966-)，男，四川巴中人，教授级高级工程师，长期从事高速公路建设工作。

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壁面干燥，围岩饱和抗压强度82.3MPa，隧道围岩完整、稳定性良好。根据《公路隧道设计规范》

（JTGD70-2004），采用复合式衬砌在Ⅲ级以上围岩段时，由于初期支护作为永久结构已可使围岩保持稳定，因而二次衬砌仅作为装饰和安全储备，可按构造要求选定厚度，不必进行计算。

图1摩天岭隧道通风斜井左洞剖面图

鉴于摩天岭隧道斜井围岩壁面干燥、隧道稳定性好，其毛洞即可自稳；同时，采用模筑衬砌施工复杂、施工安全及施工质量和工期难以保证，因此研究采用纤维喷射混凝土单层永久衬砌是十分必要的。采用纤维喷射混凝土单层永久衬砌，喷层厚度较原设计方案中初次衬砌和二次衬砌的厚度大为减小，因而需要运输的混凝土的总体积大大减少，而且喷射混凝土的机械体积小、重量轻，运输和固定都比较容易，加上喷射混凝土是依靠喷射时高速气流的作用，对混凝土的不断冲击达到振实的目的，无需振捣，因而施工的难度减小，施工的安全性提高。隧道纤维喷射混凝土单层衬砌施作可与掘**行作业，因此必将加快施工进度，显著缩短工期，减少对机械、费用、工人工资等支出，降低工程造价，其经济效益和社会效益相当可观。

3纤维喷射混凝土单层衬砌施工技术

3.1纤维喷射混凝土工艺流程级设备

摩天岭隧道通风斜井纤维喷射混凝土单层衬砌施工工艺流程见图2所示。湿喷钢纤维混凝土机具选用国产的TK-500风送型转子活塞式湿喷机。喷射平台采用具有可以垂直升降和水平移动的喷射平台，并作好安全防护。

3.2纤维喷射混凝土单层衬砌施工准备

受喷面处理。喷射作业前，进行受喷面危石处理(但不能过度，只需撬掉最松的石块），用高压水清洗岩面，埋设厚度检测桩。对于特别干燥的岩面，喷射前应喷水至饱和状态。喷混凝土前，先喷一层厚5～10mm、不低于湿喷钢纤维混凝土强度等级的水泥砂浆垫层，以减少回弹。

湿拌料投料搅拌和运输。湿拌料搅拌时投料顺序和方法应正确，使用强制式搅拌机搅拌充分，保证钢纤维分散均匀，一次搅拌量不大于额定搅拌量的80%。投料时按石、砂、水泥+钢纤维的顺序分3批投入，或者使用钢纤维加入机分散加入。为发挥外加剂的效果，外加剂应随后与20%～50%的拌和水一起加入拌和料中，不要加入干料中。砂、石、水泥、钢纤维、硅粉干搅拌2min以后，加入水和减水剂等搅拌3min，拌制好的混凝土应和易性好，经试验，坍落度满足要求才可使用。

图2纤维喷射混凝土单层衬砌工艺流程

湿拌料制好后，应尽快运至工作面进行施喷，在运输过程中要不停地搅动以防止离析、泌水和坍落度降低过多，甚至凝固。湿拌料存放时间不超过2h，采用罐车自动上料；采用人工上料时，要配足人员，保持连续均匀上料。

湿喷机开机前准备。湿喷机开机前准备工作：（1）检查液体速凝剂数量和质量，不够时需添加；如发现速凝剂中有少量沉淀，可人工进行搅拌，以保持液体速凝剂混合均匀，但沉淀过多时不能使用。温度低于零度时需采取加温措施防止液体速凝剂结冰。（2）转动计量泵调节旋钮，使速凝剂添加比例达到混凝土配合比设计要求。3）接风管和电源。（4）主风阀打开前，系统风压显示值低于0.5MPa时不得开机。（5）合上电源总开关，检查电压是否在380V±19V范围之内。（6）用扳手均匀拧紧（按对角线交替进行）四个拉杆，注意压紧力不宜过大，观

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（隧道工程

察胶垫略有变形即可。（7）点动主电机启动按钮，观察轮子旋转的方向是否与转子所标方向一致（应为逆时针转动），如不一致，则转动电控柜上的转换开关旋转钮反向。（8）用扳手再对四个拉杆进行稍许加力，使四个杆受力均匀。

（9）点动振动电机，观察其工作是否正常。（10）用快速接头将混凝土喷射管与变径管、喷嘴相连接。（11）连接速凝剂输送管。（12）将速凝剂管与水管相连接，启动计量泵泵水，观察吸入管内液体流动是否正常。再打开速凝剂辅助风截至阀，检查接头是否有泄漏→喷嘴混合环是否堵塞→当喷嘴喷出水时停机。（13）将速凝剂管插入速凝剂容器中，启动计量泵，打开速凝剂辅助风阀，待喷嘴处喷出速凝剂时停计量泵。（14）理顺混凝土喷射管，使其圆滑过渡，防止胶管因急转弯造成堵管。（15）向料斗中加入约半料斗拌和好的混凝土，点动振动电机，使混凝土料从筛网进入料斗。（16）点动主电机，使转子略微转动（转动量不超过一周），使气料混合仓中有少量混凝土形成料柱密封。3.3纤维喷射混凝土单层衬砌施工

喷射操作方法如下：（1）准备开风时，必须与喷射手联系，并严格遵守以下开机程序。

（2）打开速凝剂辅助风———缓慢打开主风阀送风———依次启动速凝剂计量泵、主电机和振动电机---向料斗连续加料。开机后，注意观察风压表数值的变化，并根据喷嘴出料情况调整主风阀开度以控制高压风的风量和风压。一般喷边墙工作时风压为0.2～0.4MPa，喷拱部时为0.3～0.5MPa。此外，工作风压值与混凝土和易性和喷嘴的长度有关，和易性越好、管道越短，通常所需风压较低，反之则风压较高。必要时可通过调整混凝土的配比，改善混凝土的和易性来降低喷射时的工作风压，可同时起到减少回弹和提高喷面平整度的作用。（3）喷射作业时，操作司机要时刻注意观察喷嘴情况，与喷射手保持联系。一旦发现堵管，要立即停主电机和振动机，最后关主风阀，待管路疏通和清除故障后方能再开机。当喷嘴出料突然出现脉冲时，暂时关主电机和振动电机（主风不关），如果管路随之畅通则继续开机，否则，需要通过反复开关风阀使管路畅通。且在喷射作业时，司机要注意观察转子体下方九个孔泄浆严重时，说明活塞唇边已磨损或损坏，必须立即更换活塞，为此，司机要注意保持转子体泄浆孔畅通，防止水泥浆堵塞。

喷射作业过程中，上料速度要均匀连续适中，始终保持进料斗中有一定的混凝土储存，及时清除振动筛上粒径＞15mm的粗集料和其他异物，以防止堵塞筛网造成混凝土下料缓慢。喷射手掌握喷嘴时，应尽量使喷嘴

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与受喷面垂直，距离在0.8～2m范围之内（

与风压成反比）。角度控制在75～90°，以90°为宜。喷射时，喷头作顺时针方向旋转(转动半径15～20cm），一圈压半圈，纵向蛇行进行。先补平坑洼低凹处，喷射时分段、分部、分块、分层进行，并按初喷、复喷(间隔4～6h)分2次进行，初喷时先拱后墙，复喷时先墙后拱。一次喷层厚度

边墙一次喷层厚度7～15cm，拱部5～8cm，应

在前一层终凝后才进行后一层施喷。

湿喷钢纤维混凝土养护在湿喷钢纤维混凝土终凝后2h开始，保持表面为湿润状态，可选用喷雾湿润或盖薄膜法养护，时间为10～14天。当相对湿度＞85%时，可采用自然养护，而当气温低于5℃时，不得洒水养护。

喷射过程中，喷射手后方的助手应及时协助喷射手理顺混凝土管，避免喷射手在变换喷射位置时，使混凝土管产生急转弯和憋劲现象，引起堵管。短时停机时，停主电机、振动机、计量泵，关主风阀，但保持辅助风阀呈开启状态以防止速凝剂堵管。工作中一旦发现速凝剂管堵塞，先停机，关闭主风阀和辅助风阀，然后拆卸速凝剂管路接头。工作两个小时或停机等料时，在喷完料斗中的混凝土后，停计量泵机振动电机，关小主风阀，向料斗中加水，运转两分钟，开大风阀，喷出料斗中的水，起到清洗活塞料腔、气料混合仓及喷射管的作用。

纤维喷射混凝土停机应注意如下事项：（1）停止上料，待料斗中混凝土基本输送完毕时先停速凝剂计量泵，再停振动电机。通知喷射手将喷嘴从喷射面移开，从速凝剂桶中取出速凝剂吸管，放入清水桶中，启动计量泵电机，清洗速凝剂管路。（2）向料斗中加水通过喷水清洗气料混合仓和混凝土管道，当喷嘴出清水后，移开水管，关主电机，稍后再关主风阀和计量泵，最后关闭速凝剂辅助风阀。

（3）用清水彻底清洗喷射机表面混凝土。卸气料混合仓两侧的快速接头，放松拉杆，翻开压板和料斗。翻开压板和料时须注意安全，缓慢打开和复位。彻底清理气料混合仓、变径管和料斗混凝土积料，并用水清洗。开动主电机，清洗转子料腔内混凝土。将压板和料斗复位，将拉杆复位，然后停机切断风、水、电源。3.4纤维喷射混凝土单层衬砌施工技术要点及技术措

施

纤维喷射混凝土单层衬砌施工技术要求如下：（1）严格按标准进行进货检验和试验，并进行人员培训，未经培训人员不能进行湿喷钢纤维混凝土喷射作业。（2）施工前进行水泥与速凝剂兼容性、凝结时间试验，以及人员、设备、材料能力配置评估。（3）骨料应规范，级配

好，干净，过筛；钢纤维表面应洁净，不得生锈。（4）原材料计量准确，计量误差水泥、钢纤维、水、硅粉＜2%，砂、石＜3%，速凝剂、减水剂＜0.5%，宜使用自动计量配料机，称量后立即拌料。

（5）严格控制混凝土料搅拌时间。

（6）钢纤维搅拌均匀，不能有结团；混凝土运送过程中保持搅拌。

（7）速凝剂使用自动计量设备稳定掺入，优先选用具有粘度衰减效应的种类，使刚喷射的混凝土具有可塑性和触变性，表面软，能与后喷射的混凝土较好的粘合，降低回弹率。（8）在实际施工中，取得工作风压、送料速度、喷射距离与喷混凝土质量、回弹率之间的参数关系，并作出适当调整。（9）使用湿喷钢纤维混凝土作永久衬砌时，要求光爆成型好。

（10）厚度检测不够时，采用加厚喷层的办法处理。（11）做好湿喷钢纤维混凝土施工记录。

在纤维喷射混凝土单层衬砌施工过程可能出现如下的相关问题：

（1）施工过程中的出现堵管现象。因为掺入钢纤维的影响，施工中很容易堵管。防止堵管应做到：严格筛选骨料；严格控制水灰比；保证风压正常；保持管路顺直；钢纤维搅拌均匀，不能有结团；每次作业完成或中间长时间停止作业，均要用水清洗机具设备，防止凝固。

（2）施作作业面的岩面出现渗漏水现象。湿喷钢纤维混凝土由于水灰比较大，对渗漏水岩面的适应性相对不如干喷。施工中采用“导、集、排、引、堵”相结合的方法处理，即对微量分散的水，采用挖浅槽导流汇集排出；对较小量集中的水，采用钻孔插入小导管引出；对较大量的水，采用钻孔注浆封堵。总之，有渗漏水的岩面，喷混凝土前必须做好水的处理，以保证湿喷钢纤维混凝土的质量。

（3）施工过程中出现喷射混凝土的掉块现象，这时，除了减少一次喷层厚度以外，主要检查风压、配合比，尤其是速凝剂掺量和水灰比是否正常。

（4）施工中当钢纤维回弹较大时，应减少钢纤维的回弹。减少钢纤维回弹就是使钢纤维的回弹不超过集料的回弹，应优化配合比设计，选用较细的骨料和长径比较小的钢纤维，增加水泥用量和掺入硅粉，适当降低风压，同时，保证速凝剂掺量正常，机械状态良好。3.5

摩天岭斜井单层衬砌施工组织

摩天岭隧道通风斜井左线纤维喷射混凝土单层衬砌现场试喷试验劳动力组织见表1所示。按表1所列组织劳动力进行施工，摩天岭隧道单层衬砌施工配备2台湿喷机进行作业，确保施工进度。

表1摩天岭斜井单层衬砌劳动力组织

注:(1)不包括湿喷机机械工程师及其他辅助人员，如空压机司机、电工、试验员等。(2)湿喷钢纤维混凝土施工作业时，现场应有技术员进行技术指导和生产组织。

4

纤维喷射混凝土单层衬砌质量控制

4.1

纤维喷射混凝土单层衬砌施工检验与试验项目（

1）预施工试验。选定满足设计和现场要求的最优配合比和适用的原材料，主要检验和试验项目有：粗骨料最大粒径、细骨料级配和模数、水泥品种和强度等级、外加剂品种和掺量、混凝土坍落度、湿喷钢纤维混凝土早期和后期强度、外加剂之间及其水泥间的兼容性。同时，检查喷射系统的运转情况，并量测回弹率和粉尘量。

湿喷钢纤维混凝土早期和后期强度试验方法：施工前选择3～4种不同的配合比，进行现场试喷射作业，现场喷大板制作标准试件(150mm×150mm×150mm，每一种配比至少取3个试件），按标准养生，进行7天和28天强度试验。要求试件抗压强度大于1.2倍设计强度。

（2）施工中的检验和试验，主要进行如下方面：主要进行骨料检验、坍落度试验、配合比检验、实际钢纤维含量和回弹率检验以及喷射钢纤维施工完成后的表观质量观测和厚度检验。

骨料检验主要检查粗骨料粒径、细骨料模数、料级配是否满足施工要求，每批进货检查一次。坍落度试验在每次喷射前检查。配合比检验主要是评估拌和料和新鲜湿喷钢纤维混凝土中水泥、骨料的真实比例，每1000m3进行一次。实际钢纤维含量和回弹率检验时，每50m3进行一次实际钢纤维含量检验。随机取10L未凝固湿拌料，洗净烘干，冷却后用磁石吸出钢纤维称重；随机取10L未凝固回弹料，洗净烘干，冷却后用磁石吸出钢纤维称重；比较两者含量，计算实际钢纤维含量。回弹率是一项重要的技术经济指标，采用实验板(1m×1m)进行10cm标准厚度实际检测，应达到拱部一般＜10%，最大＜15%；边墙一般＜5%，最大＜8%的水平。

施工后进行的湿喷钢纤维混凝土表观质量目测检查

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隧道工程

表2摩天岭隧道斜井湿喷钢纤维混凝土质量标准

只要是看喷层的平整度；其厚度检验当前主要采用标桩法和钻孔法两种方法。当采用标桩法时，检测桩布设密度按纵向2m/根布设；当采用钻孔时，按50～100m的间距随机取1个检测断面(每个断面至少5个点，起拱线以上至少3个点)。

（3）力学性能试验，用于力学性能试验的试件采用大板切割法制作，制作时喷射方向应垂直于大板。主要进行抗压强度、韧性试验和粘结性试验。

抗压强度每循环(或每5m3)在拱部及两边墙各取1组(3块)标准试件(150mm×150mm×150mm），标准养护条件下作7天和28天标准抗压强度试验。如测定实际湿喷钢纤维混凝土结构物的抗压强度，可采取钻孔取芯机钻取芯样(直径100mm，高100mm)，取有工程质量代表性的点至少3个作抗压强度试验。

韧性试验主要是弯曲韧度，弯曲韧度是湿喷钢纤维混凝土较素喷混凝土性能改善最为显著的方面，弯曲韧度指数最能反映湿喷钢纤维混凝土的性能。进行湿喷钢纤维混凝土弯曲韧度试验，每项工程至少进行6组，应全部满足要求。制作标准试件(150mm×150mm×550mm)作静跨450mm三分点对称加载弯曲试验，并绘制荷载-挠度曲线，求取弯曲韧度指数I10和I30(分别对应变形达5.5δ、15.5δ时的韧度除以初裂韧度的商值，δ为初裂韧度），计算R30/10=5×(Ⅰ30-Ⅰ10）。在工程实际中，由于韧度试验设备要求高，只要按照设计规定的弯曲韧度和钢纤维特征图(弯曲韧度指数-钢纤维掺量曲线关系图），通过试验确定钢纤维类型和掺量后，检验喷层厚度和钢纤维含量就能达到弯曲韧度质量控制的要求，但钢纤维必须使用正规厂家生产的标准产品。

粘结性试验采用钻孔取芯法检查，主要检查湿喷钢纤维混凝土与受喷面的粘结情况，若能钻取到连续不间断的整体岩芯包括岩石和喷层，且观察岩石与喷层间无空洞，则表明粘结性能良好。4.2

纤维喷射混凝土单层衬砌施工质量控制标准钢纤维单层衬砌施工质量控制标准见表2所示。

5结语

摩天岭隧道斜井坡度较大，按照传统的复合衬砌的

设计方案，二次衬砌施工时钢模台车的固定难度很大，浇注和振捣过程中易发生台车移位和倾倒，危险性大。根据隧道围岩情况，结合国外的设计方法和工程经验，在摩天岭隧道左线斜井采用喷射钢纤维混凝土单层永久衬砌方案。论文以对摩天岭隧道通风斜井纤维喷射混凝土的工程特性及纤维喷射混凝土作为隧道永久衬砌的施工工艺等方面进行了探讨，相关研究和结论直接指导了摩天岭隧道斜井施工，同时，本研究对我国同类隧道的设计和施工具有一定的参考和指导意义。

参考文献：

[1]

Ding

Yining，Wolfgang

Kusterle.Compressive

stress

-strain

relationshipofsteelfibre-reinforcedconcreteatearlyage.CementandConcreteResearch.2000，112(30):1573-1579.[2]

BanthiaN.，M.Sappakittipakorn.Toughnessenhancementinsteelfiberreinforcedconcretethroughfiberhybridization.CementandConcreteResearch，2007.05.(5):1016-1020.[3][4]

史世雍，马金荣.隧道钢纤维喷射混凝土强度试验研究.山西建筑，2004，30(2):55-56.

TanKiangHwee，MithunKumarSaha.Ten-YearStudyonSteelFiber-ReinforcedConcreteBeamsUnderSustainedLoads.ACI2005，102(3):472-480.StructuralJournal，[5][6][7][8][9][10]

朱永全，刘勇，刘志春，边亦海.聚丙烯纤维网喷射混凝土性能和衬砌试验.岩石力学与工程学报，2004，23(19)：3376-3380.

何林生，王明年.隧道工程中的挪威法（NTM）.广东公路交通，1998，(2):108-110.

高尔新，李元生，薛玉，等.喷射混凝土钢纤维分布特性分析.岩土工程学报，2002，24（2）：202-203.

贺少辉，马万权，曹德胜，等.隧道湿喷纤维高性能混凝土单层永久衬砌研究.岩石力学与工程学报，2004，23（20）：3509-3517.丁琳.隧道衬砌中湿喷钢纤维土的应用.岩土力学，1996，17（1）：36-40.

周欣竹，郑建军，张弥.钢纤维混凝土在秦岭隧道衬砌中的应用研1998，22（4）：50-52.究.北方交通大学学报，

122010年09期(总第69期)