梁瑞信，寧逢偉，郭子健，隋 偉

(1.遼寧清原抽水蓄能有限公司，遼寧 清原 113300；2.中水東北勘測設(shè)計研究有限責(zé)任公司，吉林 長春 130061)

噴射混凝土是隧道支護、邊坡防護、老舊工程加固等技術(shù)領(lǐng)域最重要的建筑材料之一。噴頭移動靈活，施工不依賴模板，尤其適合異型斷面、局部破損區(qū)域的快速搶修。噴射混凝土起源于20世紀(jì)初，按照美國混凝土協(xié)會的定義(ACI 506)，泛指通過軟管輸送、利用壓縮空氣高速噴射至結(jié)構(gòu)表面隨即密實的混凝土或砂漿。工藝具有氣動特性，區(qū)別于常規(guī)澆筑混凝土。過去100年來，噴射混凝土的技術(shù)發(fā)展很大程度上受制于機械設(shè)備的制造水平，隨著噴射機的技術(shù)革新與發(fā)展，噴射混凝土共經(jīng)歷了3個重要階段，干噴混凝土、潮噴混凝土和濕噴混凝土[1]。

濕噴混凝土粉塵濃度、回彈率、抗壓強度、耐久性等均優(yōu)于干噴混凝土和潮噴混凝土[2-3]，品質(zhì)明顯改善。以往錨噴襯砌結(jié)構(gòu)多設(shè)計成臨時性支護，如今借助濕噴混凝土改為永久性支護，即噴射混凝土與錨桿構(gòu)成的組合結(jié)構(gòu)不僅要使結(jié)構(gòu)快速恢復(fù)穩(wěn)定，還要保障其長期安全性，除施工性能和力學(xué)性能之外，耐久性能也成了設(shè)計指標(biāo)之一。然而，實際施工中，濕噴混凝土也有一定的不適用性。由于采用預(yù)拌混凝土作為濕噴材料，混凝土存在經(jīng)時坍落度損失問題，一旦運至指定部位，需要一次性或盡快用完。對于分層分塊開挖地段，往往不具備該條件。若坍落度損失至難以噴射施工，現(xiàn)場一般通過加水或減水劑來改善流動性，但加水會降低混凝土強度，加減水劑容易攪拌不均勻、難以發(fā)揮作用，延長混凝土凝結(jié)時間，與噴射混凝土的快速硬化特性相背離。此外，濕噴施工設(shè)備造價昂貴，臺班單價高，初期支護期間等待開挖、清渣等工序的時間長，經(jīng)濟性差。

為加強設(shè)計人員與施工技術(shù)人員對不同噴射工藝的合理化安排，回顧了不同噴射混凝土施工工藝的研究進展，綜合了現(xiàn)行規(guī)范的推薦使用情況，對比了各種工藝的優(yōu)缺點，結(jié)合實際服役工況特點分析了各自的適用范圍，以期為類似工程實踐提供借鑒和參考。

1 噴射混凝土施工工藝研究進展

1.1 干噴混凝土

干噴混凝土起步時間最早，始于1907年，初期只是噴射水泥砂漿，用于塑造恐龍雕像的外形，起裝飾作用。1909年，美國科學(xué)技術(shù)人員發(fā)現(xiàn)了干噴混凝土的工程價值，開始在礦山工程和土木工程中使用，之后逐漸在世界范圍內(nèi)興起和推廣。1914年，德國率先將其用于礦井巷道支護工程，充當(dāng)傳統(tǒng)鋼木支撐的重要技術(shù)補充。1934年，新奧法主要創(chuàng)始人拉布采維茨開始介入該研究領(lǐng)域，嘗試將干噴混凝土用于地下工程，并在1942—1945年建造的洛伊布爾隧道推薦使用了雙層干噴混凝土薄襯砌。隨后進一步研究了噴射混凝土、錨桿、二次襯砌等的配套使用方法和結(jié)構(gòu)組合型式，并于1963年獲得了該項技術(shù)的專利權(quán)，正式命名為“新奧地利隧道施工法”，簡稱“新奧法”。新奧法對我國地下空間開發(fā)帶來了深遠的積極影響，也是當(dāng)前國內(nèi)普遍采用的支護設(shè)計理念。但是，當(dāng)時噴射混凝土的品質(zhì)差，技術(shù)水平低，只是用于快速恢復(fù)圍巖穩(wěn)定，降低坍塌和巖爆風(fēng)險，不作長期服役設(shè)計，按照功能特點通常被稱為“臨時性支護”。

干噴工藝的工作原理如圖1所示。干噴混凝土由水泥、摻合料、纖維、骨料、粉體速凝劑等固體材料和水組成。水與固體材料分離、由不同位置加入噴射裝置是干噴工藝的典型特征。

圖1 干噴混凝土工作原理示意圖

干噴工藝的操作流程大致如下：在空氣壓送前，將水泥、摻合料、骨料、粉體速凝劑、纖維等固相組分干拌均勻，并置于干燥環(huán)境中儲存?zhèn)溆?；施工時，先將備用固體材料投入進料斗，再利用空壓機使其在輸送管內(nèi)高速遷移，當(dāng)運動到噴嘴附近時，從另一軟管向固體材料混入拌合水；水與水泥、骨料等固體材料在高壓風(fēng)作用下完成短暫的混合過程，制備出“新拌”干噴混凝土；然后噴向建筑結(jié)構(gòu)表面，一部分反彈回落，另一部分附著，附著混凝土就是完成特殊“澆筑-振搗過程”的干噴混凝土。

1.2 潮噴混凝土

潮噴混凝土與干噴混凝土的工藝流程比較相似，主要在干噴工藝的基礎(chǔ)上改變了拌合水的加入程序，由噴嘴附近一次性加入調(diào)整為攪拌機和噴嘴附近兩次加入，工作原理如圖2。攪拌機預(yù)先加入少量拌合水制備潮噴料是潮噴工藝與干噴工藝的根本區(qū)別。這部分水一般通過預(yù)濕骨料引入，水量通常為拌合水總量的20%～50%。少量拌合水與固體材料能夠在攪拌機內(nèi)充分混合，制備出質(zhì)量均勻的潮噴料，剩余的50%～80%拌合水仍是在噴嘴附近加入。潮噴料的軟管輸送與噴射都是利用空壓機完成，相比干噴工藝，潮噴工藝的二次加水位置距離噴嘴出口更遠，水與潮噴料的混合路徑和混合時間更長，均勻程度更高。潮噴料在某種程度上等同于干噴料的預(yù)濕處理，便于提高材料的內(nèi)聚力，降低回彈率、減少粉塵濃度和提升質(zhì)量均勻性。潮噴混凝土改善了噴射混凝土的可噴性，明顯優(yōu)于干噴混凝土[4-5]。20世紀(jì)70—80年代，受噴射設(shè)備的發(fā)展水平所限，我國普遍采用潮噴混凝土，解決了眾多礦井巷道、水工隧洞、地下廠房、道路邊坡等方面的支護與加固問題。

圖2 潮噴混凝土工作原理示意圖

1.3 濕噴混凝土

濕噴混凝土是繼干噴混凝土、潮噴混凝土之后的一種新型噴射混凝土，首次應(yīng)用于1950年前后，它是濕噴設(shè)備高速發(fā)展的技術(shù)產(chǎn)物[6-7]。濕噴工藝與干噴工藝和潮噴工藝不同，可一次性將拌合水加入攪拌機，直接噴射預(yù)拌混凝土，徹底解決了噴嘴附近加水無法均勻混合的技術(shù)難題。除此之外，濕噴混凝土還采用液體速凝劑取代了粉體速凝劑，速凝劑的添加位置也由攪拌機進料斗調(diào)整至噴嘴附近。針對速凝劑流量的精確控制問題，濕噴機配備了霧化添加裝置，顯著改善了速凝劑與預(yù)拌混凝土的混合均勻性。

預(yù)拌混凝土表觀密度大，內(nèi)聚力高。無論是混凝土由進料斗向輸送軟管喂料，或由輸送軟管向噴嘴遷移，還是從噴嘴高速噴出，預(yù)拌混凝土所需驅(qū)動能量都明顯高于干噴料或潮噴料。預(yù)拌混凝土的輸送方式主要有氣送式和泵送式2類，對應(yīng)的噴射設(shè)備通常稱為氣送式濕噴機和泵送式濕噴機，氣送式濕噴機與干噴機、潮噴機的工作原理比較相似，如圖3所示。

圖3 氣送式濕噴機的工作原理示意圖

氣送式濕噴機工作時，預(yù)拌混凝土先從進料斗喂料至輸送軟管，然后在高壓風(fēng)作用下運動到噴頭特定位置，并與速凝劑混合，之后從噴嘴高速噴出、射向受噴面。整個過程中，混凝土的輸送與噴射都以高壓風(fēng)作為驅(qū)動力?？墒牵A(yù)拌混凝土相對較重，與軟管摩擦大，仍然采用與干噴混凝土、潮噴混凝土類似的空氣壓縮驅(qū)動方式，濕噴能力必然會受到限制。如若空壓機的送風(fēng)性能仍舊維持現(xiàn)有水平，沒有革命性的技術(shù)提升，只適用于輸送距離較短的混凝土噴射施工。在動力驅(qū)動方面，泵送式濕噴機有所不同。它突破了氣送式濕噴機僅使用壓縮空氣的動力限制，實現(xiàn)了混凝土輸送與噴射的動力分離。典型的柱塞泵式濕噴機工作原理如圖4所示，濕噴機普遍應(yīng)用了混凝土泵式輸送和空氣壓縮噴射兩種驅(qū)動方式，能夠在一定程度上延長濕噴混凝土的輸送距離，并且同時保障噴射壓力。

圖4 柱塞泵式濕噴機的工作原理示意圖

1.4 混合工藝噴射混凝土

所謂混合工藝噴射混凝土實質(zhì)是一種改進的潮噴施工工藝。20世紀(jì)70年代，日本率先開始研究SEC法(sand enveloped with cement method)，又稱之為水泥裹砂法和造殼法。它在潮噴工藝基礎(chǔ)上將潮噴料由一路輸送改為兩路，其中一路為部分砂、全部水泥和拌合水，另一路為剩余砂、全部石及纖維等固相材料。先利用水泥漿包裹砂形成一層漿體殼，改善砂與漿體的界面結(jié)構(gòu)，再與其他材料混合，利用砂漿的流動性完成對骨料、纖維等的包裹，混合均勻性提高，優(yōu)于常規(guī)干噴混凝土和潮噴混凝土。

我國山東省水利科學(xué)研究所在1980年開始展開此項研究，并將水泥裹砂法應(yīng)用于漁子溪二級水電站引水隧洞施工。20世紀(jì)80年代，水利電力部第十水電工程局、松遼水利委員會科學(xué)研究所、武漢水利電力學(xué)院科學(xué)研究所等單位組成聯(lián)合攻關(guān)工作組，發(fā)展完善了水泥裹砂法、雙裹并列法和潮料摻漿法[8]，都是采用兩路輸送物料，區(qū)別僅在于水與水泥的摻加位置不同。水泥裹砂法分為砂漿與干混料兩路；雙裹并列法兩路基本相同，都是部分水、部分水泥、部分砂、部分骨料等；潮料摻漿法分為凈漿與潮料兩路。

2 現(xiàn)行規(guī)范的推薦使用情況

2.1 國內(nèi)情況

《公路隧道施工技術(shù)規(guī)范》(JTG/T 3660—2020)將噴射混凝土施工工藝概括為三類：干噴、潮噴和濕噴。明確禁止隧道內(nèi)使用干噴工藝，規(guī)范條文為“宜采用濕噴工藝”，不排斥潮噴工藝。因此，公路隧道還多見潮噴混凝土。但也有個別地區(qū)制定區(qū)域性的地方文件，如云南省交通運輸廳補充文件中只允許使用濕噴混凝土，并限制了設(shè)備能力和原材料品質(zhì)要求。

《客貨共線鐵路隧道工程施工技術(shù)規(guī)程》(Q∕CR 9653—2017)也是強烈推薦濕噴混凝土，規(guī)范條文為“噴混凝土應(yīng)采用濕噴工藝，特殊地質(zhì)條件下不能濕噴時應(yīng)另行設(shè)計”。對于濕噴工藝的強調(diào)情況，由“宜”改為“應(yīng)”，語氣更加強硬，要求更加嚴(yán)格。仍然允許其他形式的噴射工藝，不過要視地質(zhì)條件情況研判而定。相比于規(guī)范JTG/T 3660—2020，限制潮噴工藝或干噴工藝的程度更高。

《水電水利工程錨噴支護施工規(guī)范》(DL/T 5181—2017)推薦使用濕噴混凝土，規(guī)范條文為“宜采用濕式噴射機”，但沒有強制禁止干噴和潮噴混凝土，并且給出了二者砂、石、水的用量比例。與公路、鐵路行業(yè)相比，水電水利行業(yè)對濕噴混凝土要求最低。

上述三本技術(shù)規(guī)范代表了三個行業(yè)的噴射混凝土施工工藝使用情況，盡管都推薦使用濕噴混凝土，但對潮噴混凝土、干噴混凝土的限制程度不同，一方面說明不同行業(yè)對噴射混凝土需求不同，另一方面也可以看出，不同行業(yè)施工建設(shè)難度不同，存在各自的特殊情況，需要針對性開展相關(guān)應(yīng)用。

2.2 國外情況

美國混凝土協(xié)會規(guī)范《Guide to shotcrete》(ACI 506R—2016)將噴射混凝土分為干噴混凝土和濕噴混凝土，沒有限制使用干噴混凝土。但是，所謂的干噴混凝土不同于國內(nèi)的干噴混凝土，屬于潮噴混凝土，物料輸送方式與混合工藝噴射混凝土相似。

歐洲噴射混凝土規(guī)范《European specification for sprayed concrete》(EFNARC)也將噴射混凝土分為干噴混凝土和濕噴混凝土，但對于硬巖支護領(lǐng)域，禁止使用干噴混凝土。歐洲噴射混凝土支護屬于永久性設(shè)計，濕噴混凝土耐久性以及結(jié)構(gòu)長期穩(wěn)定性更可靠。

3 不同噴射工藝的適用范圍

3.1 干噴工藝

干噴混凝土的技術(shù)優(yōu)勢主要體現(xiàn)在兩方面，第一，固體物料內(nèi)聚力小，與輸送軟管摩擦小，適宜長距離輸送；第二，拌合水在噴嘴附近加入，流量可根據(jù)實際需要調(diào)整，水膠比(水固比)設(shè)計更加靈活，能夠更好地適應(yīng)受噴面的施工狀況。可是，水與固體物料的混合效果并不理想，拌合水分布往往很不均勻，不僅混凝土組成、質(zhì)量波動大，而且噴射、沖擊、反彈過程中容易發(fā)生大量的物料分離，不僅浪費材料，還會形成高濃度粉塵。粉塵是“塵肺病”的重要誘因，對作業(yè)人員的身體健康極為不利。除此之外，當(dāng)液體速凝劑替代粉體速凝劑時，速凝劑一般與水共同加入。既無法做到速凝劑摻量的精確調(diào)控，也同樣不易與其他固相組分均勻混合。從而導(dǎo)致速凝劑空間分布不均，進而出現(xiàn)混凝土附著厚度參差不齊、硬化速度差異顯著、局部區(qū)域隨機脫落等諸多問題，因而早期的干噴混凝土總體上傾向于使用粉體速凝劑。

干噴混凝土回彈率大、粉塵濃度高、強度低，不適合用于支護工程或加固工程，但用于應(yīng)急搶險仍有較大優(yōu)勢。設(shè)備簡單，對電壓、配套車輛、場地空間等需求小，容易很快滿足作業(yè)條件，展開工作。

3.2 潮噴工藝

潮噴機相對于干噴機沒有突破性進展，僅對干噴機作了部分技術(shù)改進，機械性能本質(zhì)差異不大。使用潮噴混凝土需要充分估計潮噴設(shè)備對潮噴料的適應(yīng)能力，預(yù)先加入的拌合水量必須嚴(yán)格控制。水量不宜過多，盡量避免黏度過分增加造成的堵管問題。此外，潮噴料具有一定的時效性，應(yīng)當(dāng)隨配隨用?？沙眹娀炷潦┕み^程中，潮噴料的預(yù)混與噴射工序往往分開、不連續(xù)，這對保障混凝土的施工性能、力學(xué)性能和耐久性能十分不利。事先準(zhǔn)備好的潮噴料不如干噴料那樣穩(wěn)定，主要因為膠凝材料與水接觸就開始水化，摻用粉體速凝劑的膠材體系水化更快，潮噴料的化學(xué)活性和質(zhì)量均勻性都會經(jīng)時下降。存放的時間越長，化學(xué)活性越低，凝結(jié)時間越長，力學(xué)性能越差，對最終的噴射效果越不利[9]。

潮噴混凝土優(yōu)于干噴混凝土，既適用于工程搶修和結(jié)構(gòu)搶險，又可用于初期支護(臨時性支護)，能夠快速恢復(fù)圍巖穩(wěn)定，防水、裝飾、安全儲備等由二次襯砌承擔(dān)。尤其在圍巖品質(zhì)不好的地質(zhì)條件下，可以實現(xiàn)邊開挖邊噴射支護，隨時確保結(jié)構(gòu)安全。

3.3 濕噴工藝

濕噴工藝能夠應(yīng)用預(yù)拌混凝土是噴射混凝土領(lǐng)域的一項重要技術(shù)突破。它可充分使用摻合料、減水劑、引氣劑、增稠劑、降粘劑等常規(guī)澆筑混凝土的配合比優(yōu)化措施。與傳統(tǒng)干噴混凝土或潮噴混凝土相比，濕噴混凝土不僅能夠精確控制拌合水量，還可大幅降低水膠比，有助于全面提升噴射混凝土的力學(xué)性能和耐久性能。在回彈率和粉塵濃度控制方面，濕噴混凝土的技術(shù)優(yōu)勢明顯，遠低于干噴混凝土和潮噴混凝土，環(huán)境更加友好。只是濕噴機械裝備復(fù)雜，體積較大，生產(chǎn)效率高，需要寬闊的施工場地和強大的電力、運輸?shù)群笄诒Ｕ?，很難適合所有的支護或加固工況。即便如此，濕噴混凝土的實用性能和應(yīng)用領(lǐng)域都在扎實推進。特別是在近年來，混凝土濕噴機的研發(fā)與生產(chǎn)技術(shù)突飛猛進，全自動濕噴施工逐漸成了可能[10-11]，如2006年德固賽建筑化學(xué)公司瑞士分公司推出的電腦程控式濕噴施工裝置[12]，設(shè)備全自動運行，不需要人為干預(yù)。它不僅可以解放人力，減少結(jié)構(gòu)失穩(wěn)、坍塌、粉塵濃度集中等造成的人員傷亡，還能適應(yīng)粉塵濃度高、能見度低的惡劣施工環(huán)境，突破人工操作極限，提高濕噴工藝參數(shù)的控制精度。

若用于地下空間永久性支護，濕噴混凝土是最佳選擇；而用于工程加固或結(jié)構(gòu)搶險，濕噴混凝土很可能短期內(nèi)不具備施工條件，不僅供應(yīng)預(yù)拌混凝土需要大型攪拌站，還需要配套混凝土罐車、濕噴機等，險情一觸即發(fā)，時效性至關(guān)重要。畢竟?jié)駠姍C造價太高，長期在老舊工程附近備用既不科學(xué)，也不經(jīng)濟。

3.4 混合工藝

單就工程搶險而言，潮噴工藝優(yōu)于干噴工藝和濕噴工藝，混凝土性能比干噴工藝效果好，施工條件沒有濕噴工藝那么苛刻，容易快速滿足施工條件，盡快開展搶險工作。由于險情瞬時發(fā)生，甚至?xí)钄嗟缆返?，短時間內(nèi)調(diào)集大量建筑材料難度非常大，因而未來在老舊建筑物應(yīng)急儲備中應(yīng)包括一定量的建筑物資和設(shè)備，不僅要進行常態(tài)化維護，還要能做到快速搶險。存放預(yù)混材料和簡易設(shè)備是最佳選擇，潮噴工藝比較適合。潮噴工藝仍有一定的改進空間，如水泥裹砂法、雙裹并列法和潮料摻漿法等混合工藝，以往在新建工程中未得到大面積推廣，主要與其設(shè)備配套復(fù)雜，移動難度大等有關(guān)。例如，工程規(guī)模小，不如常規(guī)潮噴工藝操作簡單；工程規(guī)模大，不如濕噴工藝施工效率高、混凝土性能好。

作為搶險物資儲備，混合工藝還是優(yōu)于潮噴工藝，可降低預(yù)混材料和設(shè)備的需求，可行性更高。特別是潮料摻漿法，將骨料、纖維等固相材料與水泥漿體一分為二，平時存放簡單，搶險過程實施方便，優(yōu)勢明顯。但是，目前潮料摻漿法的摻漿位置在噴頭，漿體與固相成分混合均勻性不足，力學(xué)性能相對較差，仍有一定的提升空間。

4 結(jié) 語

(1)對于新建工程作為永久性支護設(shè)計的噴射混凝土，滿足大型設(shè)備的進場條件和施工條件，建議使用濕噴工藝，保障混凝土質(zhì)量和耐久性水平；

(2)對于臨時性支護(初期支護)噴射混凝土，在圍巖品質(zhì)不良、分層分塊開挖等條件下，更應(yīng)注重支護的快捷性和安全性，耐久性由二次襯砌滿足，建議使用潮噴工藝；

(3)對于工程搶險用噴射混凝土，需要注重應(yīng)急處置的時效性，設(shè)備小型化、場地及電源等配套資源的簡易化是工作的關(guān)鍵，建議使用改進的潮噴工藝，優(yōu)選潮料摻漿法，但應(yīng)改善漿液摻入方式，提升漿液與骨料的混合均勻性。