隧道混凝土超耗原因分析及節超控制技術研究

高付才

(中鐵十七局集團有限公司 山西太原 030006)

1 引言

隨著基礎設施建設進度的不斷加快以及施工工藝的不斷改進，公路、鐵路建設過程中隧道工程占比會越來越大。而混凝土作為隧道工程的主要組成材料，不僅關乎結構安全，也控制著施工成本。隧道混凝土超耗作為隧道施工成本控制的主要因素，亟待解決。

劉宏[1]通過專項調研鄭萬、防東等10個在建鐵路隧道混凝土超耗情況，從造價體系、光爆效果、混凝土質量等方面分析超耗的原因。王海媛[2]重點研究了鉆爆開挖過程中存在的問題及應對策略。方俊波等[3]從各道施工工序進行了混凝土消耗量化計算及評估。張斌麗、張海波、夏海、王飛、鞏中江等人[4-8]從控制超挖、控制回彈、加強施工組織管理等方面闡述了隧道混凝土超耗的控制措施。張玉根、袁定輝、黃明利等人[9-11]研究了混凝土濕噴技術在隧道施工中的應用，并指出了其在混凝土節超方面的重要意義。趙爽等[12]分析了隧道噴射混凝土時產生較高回彈率的原因，并制定了相應的解決措施。馬天勝等[13]依托和邢鐵路天河山隧道，通過現場試驗、理論研究等方式確定了較為合理的光面爆破技術參數。朱躍球等[14]以縉云山隧道為背景，總結了一套降低隧道混凝土濕噴超耗的施工措施，有效降低了施工成本。

為有效控制施工成本、減少隧道施工過程中的混凝土超耗，本文通過大量調研隧道混凝土超耗現狀、系統分析問題產生的原因，并給出了針對性的控制措施，為隧道施工成本控制提出了參考依據。

2 隧道混凝土超耗現狀分析

通過調查問卷、現場跟班實測的方式對110座在建的鉆爆法施工隧道(主要為公路、鐵路隧道)175個工作面在完成掘進支護74.2 km過程中的混凝土消耗情況進行全面調查摸底，得出如下數據:初支及二襯混凝土總計超定額消耗574 809 m3，多支出工料費用約33 907萬元。其中初支噴射混凝土超定額430 531 m3，多支出工料費用約26 693萬元；二次襯砌超定額144 278 m3，多支出工料費用約7 214萬元。

2.1 初支混凝土超耗情況

經調查統計，隧道初支混凝土超耗情況見表1。

表1 初支混凝土超耗情況統計

經現場實測，一般Ⅴ級圍巖地段超耗比例在120% ～140%之間，在斷層破碎帶、巖溶、節理裂隙發育、富水等不良地質地段，超耗可達180%以上；Ⅳ級圍巖在120%左右，Ⅲ級圍巖在110%左右。其中，回彈率在5% ～18%之間，超挖占到總超耗的80%以上。

由統計和現場實測結果可知，實際初支混凝土消耗量都在設計量的2倍以上。

2.2 二襯混凝土超耗情況

隧道二次襯砌以采用液壓模板臺車模筑現澆為主?；谀壳拌F路質量驗收標準及紅線管理不允許有欠厚、公路隧道驗標二襯厚度僅局部允許欠厚的情況，為保證隧道二次襯砌厚度和凈空滿足設計要求，綜合考慮預留變形量、施工誤差、工人技術水平等因素，在現場實際施工控制放樣時進行了合理放大，造成了系統性超方。

經統計，隧道二襯混凝土實際澆筑量與設計量相比，鐵路隧道超耗在15% ～40%、公路隧道在8% ～25%之間。以某公司為例，全年完成鐵路隧道二襯混凝土設計量547 978 m3，實耗730 063 m3，超耗182 085 m3，超耗33.2%；公路隧道二襯混凝土設計507 291 m3，實耗 566 681 m3，超耗 59 390 m3，超耗比例11.7%。

3 隧道混凝土超耗原因分析

3.1 初支噴射混凝土超耗原因分析

3.1.1 地質原因

地質是造成隧道施工混凝土超方的最主要客觀因素。隧道開挖后，不同地質的圍巖自穩能力差異性較大，地下水情況、圍巖產狀、軟弱夾層、節理裂隙發育程度等都是控制開挖面穩定的重要因素，尤其在隧道通過富水斷層破碎帶、軟巖大變形、巖溶等不良地質地段時，圍巖自穩能力差、易產生溜塌，造成大范圍超挖，排危環節又進一步加大了超挖，進而引起混凝土嚴重超方。

另外，噴射混凝土與圍巖間粘結力受圍巖級別及其巖性影響較大，在富水段尤為明顯。

3.1.2 開挖輪廓線確定不合理

交底和現場實際開挖輪廓偏大是造成超方的原因之一。部分隧道開挖輪廓技術交底時只是機械性復印圖紙式交底，沒有綜合考慮地質、地下水、圍巖變形、二襯臺車變形、操作人員水平等因素進行確定，為確保足夠的支護空間，同時減少欠挖處理量，導致實際開挖輪廓線比理想的輪廓線過度放大。本來已經被放大了的開挖技術交底再加上司鉆工人擔心欠挖處理，人為外放炮孔開孔位置造成實際開挖輪廓線遠大于理論開挖輪廓線。

3.1.3 超挖

隧道超挖是造成超方的又一重要主客觀原因，除了外插角造成超挖的客觀原因，開挖方法不當，鉆爆參數不合理，工人技術水平低都會在隧道開挖環節造成超挖。

在鉆爆方案執行過程中，未嚴格執行光面爆破技術交底或交底未及時調整鉆爆參數，主要原因:一是司鉆人員在炮眼鉆進過程中操作不按鉆爆設計、技術交底規定的位置開孔且角度隨意，特別是鉆周邊眼時司鉆工人體位困難，外插角偏大；二是周邊眼間距與圍巖不匹配，存在炮孔間距過大的問題；三是裝藥結構未按照鉆爆設計參數施工，單孔線裝藥量偏大；四是未根據圍巖情況、爆破效果及時調整鉆爆參數。

通過對某調研工點開挖后的斷面進行測量，隧道交底開挖輪廓線與實際開挖輪廓線比較，超挖在15～40 cm之間，平均線形超挖量為28 cm。設計噴射厚度為23 cm，僅開挖環節造成超耗率達122%，比《鐵路隧道工程施工技術指南》允許線形超挖值大得多。具體的允許超挖值見表2。

表2 隧道允許超挖值 cm

3.1.4 噴射工藝

噴射混凝土施工設備、工藝落后，工藝參數不合理導致回彈量增大，造成超耗增大。其主要原因如下:

(1)噴射手未按照技術交底要求的操作方法實施，工藝參數不合理。

(2)在噴射混凝土前，未按要求清理巖面，導致混凝土與圍巖間的粘結性不好，混凝土掉落量大。

(3)噴射順序及一次噴射厚度控制不合理，導致噴射混凝土來不及初凝，由于自重原因混凝土成塊大面積掉落。

(4)初期打底噴射時風壓偏大，導致打底噴射混凝土回彈較大。

(5)部分工點仍采用落后的干噴或潮噴工藝，回彈量大。

3.1.5 混凝土配合比

噴射混凝土配合比不合理會造成混凝土超耗。

(1)原材料質量不好，混凝土工作性能差，回彈量大，易堵管，造成混凝土損耗。

(2)速凝劑與膠凝材料適配性差，導致噴射混凝土初凝時間較長、不易與圍巖產生粘結，造成超耗。

(3)未針對邊墻和拱部不同部位調整速凝劑摻量，導致拱部初凝時間與一次噴射厚度不匹配造成混凝土掉落超耗。

3.1.6 管理

管理環節引起混凝土超耗的主要原因如下:

(1)運輸過程拋灑造成浪費。通?；炷劣砂韬驼窘y一、集中生產配送，裝車時未考慮便道坡度等因素，裝車過滿，使得運輸途中發生倒流、拋灑等情況。

(2)隧道施工組織人員申請混凝土數量不準確，超方申請造成混凝土人為浪費。

3.2 二襯混凝土超耗原因分析

3.2.1 初支不到位

初期支護噴射混凝土不到位，導致初支斷面比設計斷面大，需二襯混凝土回填，造成了二襯混凝土使用量超設計消耗。

3.2.2 預留變形量偏大

目前大部分隧道按新奧法原理設計，初期支護時預留了圍巖的收斂變形空間，為防止初支侵限，往往預留量偏大，導致在圍巖變形穩定時仍有較大預留量，從而造成二襯混凝土消耗較大。

3.2.3 管理

(1)混凝土運輸拋灑。

(2)混凝土性能不佳，易堵管。

(3)混凝土澆筑階段值班人員責任心不強，造成混凝土申請量偏大引起浪費。

4 混凝土節超控制技術措施

4.1 開挖輪廓線的確定

4.1.1 隧道輪廓線的概念及開挖輪廓線的確定

(1)隧道設計開挖輪廓線，是工程量清單數量及計量支付的計算依據，并不是實際施工過程中的理想開挖控制輪廓線。

(2)理論開挖輪廓線，是為實現隧道襯砌后滿足設計凈空及建筑限界的理想控制輪廓線，是我們追求的目標輪廓線，是考核混凝土超耗的基準。

(3)實際交底開挖放樣輪廓線，該輪廓線是在掌子面開挖前的實際開挖放樣輪廓線，需要由隧道施工技術負責人在綜合考慮各種影響因素后下達開挖技術交底的輪廓線，是技術負責人控制隧道初支混凝土超耗環節最具價值的工作之一。

(4)隧道開挖輪廓線采用凈空返推確定(還原法)，二襯施工時(沉降收斂基本穩定)在滿足隧道二次襯砌設計厚度(含施工誤差所需空間)及凈空的最小輪廓線，即二襯臺車面板外輪廓線(含彈性變形量)＋二襯厚度＋防水層施工空間(按3 cm考慮)＋施工誤差。開挖放樣輪廓需結合地質、收斂變形、拱頂沉降及爆破排危等因素綜合考慮確定開挖放樣時需采用的縮放量。

4.1.2 地質原因

將超前地質預報納入隧道施工工序管理，根據超前地質預報情況，確定超前支護方案；根據長時間的跟班作業結合爆破排危情況和大量的斷面測量數據分析，調整鉆爆參數，做好光面爆破。

4.1.3 預留變形量

將監控量測工作納入隧道工序組織施工，根據監測數據對預留變形量進行動態調整。不同部位收斂變形量不同時，預留量也不同。

當不同部位預留變形量不同時，需調整初支鋼架要盡可能與開挖輪廓相適應，提高初支線形圓順度、減少應力集中，以便于控制變形，防止局部侵限換拱造成混凝土超耗。

4.2 超欠挖控制措施

4.2.1 合理選擇開挖方式和開挖工法

采用鉆爆法開挖時嚴格控制周邊眼和內圈眼間距。遵循多打眼少裝藥原則，周邊眼采用間隔裝藥或細藥卷等不耦合裝藥結構。

全斷面開挖優先采用水壓光面爆破或聚能水壓光面爆破；臺階法施工時上臺階采用光面爆破，下臺階可采用預裂爆破，特別注意仰拱部位的鉆孔參數，減少隧底超挖；分部開挖較多時以機械開挖為主，必要時輔以松動爆破，減少圍巖擾動。

4.2.2 優化超前支護措施

根據地質情況采取相適應的超前支護措施。超前支護方式、部位不局限于設計，可根據地質情況提出設計變更，調整小導管設置部位和間距。當開挖臺階較高邊墻局部破碎時需在相應部位增加超前支護措施。根據地質情況可采用雙層小導管、中管棚配小導管、水平旋噴加固等措施。

4.2.3 做好前沿支護

地質較差時，要做好前沿支護，確保最前端拱架與掌子面間隙得到及時噴錨封閉，減少地層缺失造成掉塊超挖。

4.3 合理選擇初支噴射工藝及參數

(1)采用濕噴工藝。在噴射混凝土前采用高壓風清理巖面粉塵，采用噴霧狀水對巖石表面進行濕潤，增加噴射混凝土與巖面的粘結力。

(2)噴射時，應分層、分段、分片，按照先墻后拱、自下而上的順序施工，避免噴射混凝土因重力作用而產生滑落、掉塊的現象。根據地下水情況調整噴射順序，由少水到多水，最后集中埋管引排，進行多次復噴；噴射線路應相對固定，可以采用S形往返移動前進或螺旋形移動前進，以保證混凝土層密實均勻。

(3)噴射混凝土時，噴頭應垂直于受噴面，傾斜角不大于10°。對于不同部位，其噴射角度應適度調整，一般邊墻部位以角度稍向下堆噴為主，拱墻部位有拱架地段先水平側向一定角度打底噴滿拱架與圍巖之間的空隙后，再調整到垂直于受噴面施噴，切忌大幅度掃噴。

(4)噴頭與巖面距離控制在0.8～1.2 m范圍，控制好風壓，初噴時風壓不大于0.5 MPa，后序可根據混凝土坍落度情況適當調大風壓。

(5)嚴控一次噴射混凝土厚度。根據混凝土初凝時間來控制一次噴射厚度，待初凝后再進行下一層混凝土的噴射，一般邊墻控制在不大于15 cm，拱部不大于8 cm。

4.4 提高混凝土性能及外加劑適應性

(1)嚴控噴射混凝土的原材質量，尤其是對材料含泥量的控制。級配不合理、含泥量高，會嚴重影響混凝土和易性及粘結性，一般噴射混凝土粗骨料采用5～10 mm碎石，砂子采用中粗砂。

(2)初噴時混凝土坍落度取小值，減小回彈；收面時取大值(＞200 mm)，提高平整度。

(3)速凝劑與水泥適配性好，速凝劑在進場經檢驗合格后方可進行使用。試驗要求初凝時間不大于5 min，終凝時間不大于10 min，調整混凝土拌和過程中外加劑的摻量，使混凝土的保塌時間不小于2 h。

(4)速凝劑的存放時間不宜過長，冬季應設暖棚避免低溫存放，速凝劑存放時間過長后會發生分層及沉淀，在抽取前應對存儲容器內的速凝劑先攪拌均勻。

另外，速凝劑的計量采用濕噴機自帶的自動液壓泵設備按量加入，對輸送管路要定期清理，確保計量準確。

4.5 開挖、初支、二襯斷面測量成果應用

(1)斷面測量應納入工序管理，采用三維激光掃描儀對開挖、初支及二襯斷面進行測量，及時對斷面測量數據進行整理，分析產生偏差的原因。

(2)制定針對性措施。主要措施是:①調整施工放樣技術交底尺寸(開挖輪廓線、二襯臺車)；②優化支護、鉆爆參數；③調整混凝土配合比；④通過培訓提高人員素質。

4.6 細化管理及考核

(1)制定考核管理辦法。一是分解各工序超耗指標，進行工班及崗位考核；二是管理人員制定崗位職責清單，人人有擔子；三是定期考核獎罰兌現。

(2)根據現場運輸便道的坡度情況，確定一次混凝土裝車量，減少運輸拋灑，在大于10%的陡坡路段，裝載量不超過額定量的80%。

(3)測量人員通過三維激光掃描儀提前進行斷面測量，標注已支護地段需補噴的部位及厚度，施噴人員估算最后一車用料數量，及時通知拌和站供料，靈活掌握補噴時機，杜絕浪費。

(4)嚴格發料管理。班組混凝土使用超過約定消耗指標后，需補充超耗用料申請單，作為混凝土超耗管控合同執行和獎罰兌現的依據。

5 結束語

通過對隧道施工混凝土超耗現狀的調研，深入分析造成超耗的原因，并從隧道開挖輪廓確定、超欠挖控制措施、初噴工藝及參數、混凝土性能及外加劑適應性、斷面測量成果應用、細化管理及考核等方面提出了行之有效的超耗控制措施，歸納為兩點:技術是根本、管理是關鍵。

通過采用以上措施，有效控制了隧道混凝土的超耗，降低了由于混凝土超耗增加的施工成本，取得了良好的效果。