ST粉在隧道喷射混凝土中的研究运用技术总结

ST粉在隧道喷射混凝土中的研究运用技术总结

苏 强

（中铁一局集团第五工程有限公司，陕西 宝鸡 721000）

摘要：当前，我国道路交通正值快速发展阶段，尤其是在滇西南地区，高速公路建设规模大，隧道工程占比高。在隧道施工过程中，受地质、水文、原材料、喷射工艺、现场管理等因素影响，一直以来隧道喷射混凝土超耗严重，造成了大量材料的浪费和国有资金的流失。本文依托勐绿高速公路工程项目，通过对喷射混凝土中添加外掺料ST粉进行研究总结，并在实践中推广运用，有效的降低的喷射混凝土施工的回弹损失。

关键词：ST粉；隧道喷射混凝土；研究运用；降低回弹损失

1、工程概况及工程特点

1.1 工程概况

勐绿高速公路起于云南省西双版纳傣族自治州勐腊县勐仑镇藤蔑山，接小勐养至磨憨高速公路，经普洱市江城县，止于红河州绿春县城，接绿春至元阳高速公路，是云南省高速公路网的重要组成部分。主路线全长214.15公里，主线按双向四车道高速公路标准建设，设计行车速度80公里/小时，路基宽度25.5米。由我单位承建的土建8标段，管段位于普洱市江城县嘉禾乡境内，线路起讫里程K131+630-K141+430,长度9.8公里，共有隧道6座，单线长度14130延米，隧道占比72%，其中管段明子山1号隧道长度5445米，属图属特长隧道，为全线“四桥三隧”七个关键控制性工程之一，也是本项目重点控制性工程。隧道围岩等级全部为Ⅳ级和Ⅴ级，地质主要以粉质黏土、泥岩、泥质粉砂岩、石英砂岩和砂岩为主，围岩松散破碎，富水性强，泥岩遇水易软化。隧址区域地表沟壑密布，地表和地下水丰富，区域年平均降雨量2283毫米，年均降雨天数178天。

1.2 工程特点

本项目地处云南省滇西南地区，沿线地地形地质复杂，线路基本沿山间沟谷展线，整个管段均处在下坡地段，最大坡度2.9%，结构物大都位于陡坡地段，施工组织难度大，风险高，且管段特长隧道采用进出口对向掘进，无斜井、横洞和竖井等辅助施工，单口掘进达2700余米，工期形势严峻。区域经济欠发达，大型基建工程少，沿线揭示的地质多以泥岩和砂岩为主，可用于加工碎石的石材分布较少，且石质质地较差，加上加工设备陈旧工艺落后，总体砂石料质量偏差较大。另外工地沿线临近仅有一条省道，路况较差，现场施工便道沿山坡展线布置，坡度弯急，加上区域雨季长，雨量大，雨季道路湿滑，且边坡易垮塌，材料运输困难。

2、ST粉简介

ST粉全称超细改性硅微粉，是一种以硅灰为主要原材料的，高强高性能混凝土用矿物掺合料，生产厂家利用攀枝花地区独特矿物资源TiO2，引进国先进生产工艺，制得纳米级改性硅微粉（ST粉），其主要成分包括二氧化硅（SiO2）、氧化钙（Ca0）、TiO2（二氧化钛）和三氧化二铝（Al2O3）。较普通的硅灰产品，该产品可实现粉罐车运输，并直接储存在拌合站粉罐仓内，自动称量添加使用。

3、混凝土配比验证

本项目隧道设计喷射混凝土等级为C25，研究前期根据项目采购供应点砂石料情况，通过不断调整优化喷射混凝土配比，进行试配验证，采集各项性能指标和现场试喷效果，分析总结后最终确定ST粉掺量为总胶材的6%。在该配比下，水泥用量较低，混凝土强度、和易性、耐久性、经济性等指标进均满足规范和设计要求，且经济性较好。后期运过程中可视地材情况进行调整，以达到最优效果。

4、施工工艺及注意事项

喷射混凝土在拌制过程中，通过电子计量称重后将ST粉加入到拌合机进行拌合，然后混凝土罐车运输至现场隧道施工工点，采用湿喷工艺进行喷射作业，施工时应注意以下事项：

4.1 喷射混凝土拌制后应及时运输至施工工点使用，避免因长时间放置导致混凝土坍落度损失、初凝等，影响使用性能。

4.2 采用湿喷机械作业臂进行喷射作业，应加强湿喷作业人员的交底培训，提高湿喷机操作人员的技能水平。每班作业前操作人员应对设备进行检查，同时做好日常的维修保养，保证设备运行正常，能够连续、均匀的供料。

4.3 初喷前应清理开挖轮廓面上的松散土石，以提高喷射混凝土和围岩的密贴性。钢筋网加工时节点位置应焊接牢固，现场安装时应随岩面起伏铺设，并与锚杆、钢架等进行有效的固定，网片搭接位置焊接牢固，采用双层钢筋网片，第二层钢片应在第一层网片全部喷射覆盖后进行挂设，以避免喷射作业时钢筋网晃动，增加回弹量。

4.4复喷时，有钢架地段应先将喷嘴斜向对准钢架背后位置，左右对称将钢架背后填充密实，以增强初支结构的整体性，减少受力不均引起的掉块。

4.5 钢架间喷射时，喷嘴应尽量和受喷面保持垂直，距离控制在0.8～1.5m范围之内，以保证速凝剂和喷射料均匀接触，充分发挥速凝剂作用。喷射时风压一般控制在0.2～0.7MPa之间，实际施工前，应根据混凝土坍落度、喷射距离、角度、部位进行试验确定，并根据现场情况进行动态调整，以达到最佳喷射效果。实践证明，喷射过程中，在混凝土供应正常，性能良好的情况下，喷嘴和受喷面保持垂直时，回弹最小。另外控制好风压和出料速度，可有效减少回弹提高喷射混凝土密实度。

4.6 喷射混凝土应自下往上分段、分层进行施工，分层厚度控制在10-15cm，且后一层喷射混凝土应在前一层喷射混凝土终凝后进行。喷射时应尽量减少喷嘴正对钢拱架翼缘板，以减少回弹料，同时在喷射作业过程中及时清理钢架及接头处多余的混凝土，以保证最终喷射混凝土的外观平整。

5 研究运用总结

5.1 通过在喷射混凝土配比中掺入ST粉，ST粉中的活性成分和水泥发生反应 ，产生凝胶和新的活性物质，增强了拌合物和易性和粘聚性，增加喷射混凝土与围岩之间的粘接力密实性，减少喷射混凝土回弹量，回弹率可有效的控制在10%以内。

5.2 掺入ST粉后，可实现每方喷射混凝土节约水泥用量50-100kg,同时早期强度比普通喷射混凝土增长20-30%。另外水泥用量减少，可有效降低水化热引起的干缩裂缝，提高混凝土密实性。现场通过钻取芯取样，芯样完整，内部密实，孔洞气泡等缺陷较少，实测喷射混凝土强度均在30-35MP之间，有利的保证了喷射混凝土实体质量。

喷射砼实体芯样 现场喷射效果

5.3 早期强度的提高，提升了隧道施工安全系数、节约了循环时间，以本工程Ⅳ级围岩为例，采用台阶法施工，上台阶每循环进尺2榀钢架间距，在喷射混凝土供应正常的情况下，每循环喷射混凝土可节约30-50分钟，有效的缓解了长大隧道工期压力。

5.4 现场作业采用湿喷工艺，喷射回弹量小，施工过程中洞内粉尘浓度低，有效的改善了施工作业环境，为职业病防治创造了有利条件，并可减少通风机的运行时间和运行功率，实现节约用电。

5.5 对于本就地材稀缺的地区，加上雨季影响，道路运输情况差，现场临建仓储能力有限，回弹率的降低，不仅可以节约材料，保障现场持续正常施工，同时也在一定程度上减少了砂石料开采对植被和水体的破坏，实现保护环境，节能减排，绿色发展。

5.6 以本项目为例，隧道预计使用喷射混凝土用量约16万立方，使用超细改性硅微粉（ST粉）的喷射混凝土可节约成本每方64元，总节约成本千余万元，经济效益显著。

5.7 引起喷射混凝土超耗的因素很多，尤其是在隧道施工过程中应高度重视隧道超挖问题，超挖势必引起超耗，通过历年来隧道施工数据分析，超挖是引起超耗的主导因素，且超挖后超挖部分需要用喷射混凝土回填，不仅增加了材料用量和施工安全风险，同时分层多次喷射增加了工序循环时间，因此隧道超挖应重点进行控制。一是施工过程中应根据围岩情况选择合适的开挖方法、工装及开挖进尺。土质围岩和全～强风化围岩应选用机械开挖，人工辅助修整开挖面。岩质围岩应做好钻爆设计，实施过程中应重点控制周边眼间距、角度、装药结构和装药量，并根据爆破效果及时总结分析，动态调整爆破参数；二是加强围岩监控量测，及时调整开挖预留沉降量，同时应加快仰拱施工进度，使钢架尽早闭合成环，减少沉降变形，进一步优化预留沉降量；三是做好超前地质预报，及时掌握掌子面前方围岩和地下水情况，提前做好超前预支护，富水地段要做好引排水，必要时进行注浆堵水或帷幕注浆处理；四是要持续加强作业人员的学习培训，彻底破除作业人员“宁超勿欠”的惯性思维，树立“少超少欠、以欠控超”的施工及管理理念。

六、运用前景展望

当前我们国家正值十四五规划发展时期，未来有更多的交通基础项目开工建设，运用前景广泛。本文通过ST粉在隧道喷射混凝土中的研究运用，可在未来隧道施工中大幅降低喷射混凝土回弹率，同时提高混凝土早期强度和抗渗性能，改善施工作业环境，降低隧道安全质量风险，切实降低了隧道施工成本，提升了项目创效水平，推动项目高质量发展。后期类似工程可结合隧道特点、围岩特性等情况借鉴和参考。

参考文献：

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