喷混凝土就是将水泥、砂、石等干料按一定比例拌和后装入喷射机中,再用压缩空气将混合料送到喷嘴处与高压水混合,喷射到岩石表面,经凝结硬化而成的一种薄层支护结构。喷射到岩面上的混凝土,能填充围岩的缝隙,将分离的岩面黏结成整体,提高围岩的强度,增强围岩抵抗位移和松动的能力,还能封闭岩石,防止风化,缓和应力集中。

喷混凝土支护是一种不用模板就能成型的新型支护结构,具有生产效率高,施工速度快,支护质量好的优点。

1.原材料及配合比

喷混凝土原材料与普通混凝土基本相同,但在技术上有一些差别。

(1)水泥。普通硅酸盐水泥,强度等级不低于32.5MPa,以利混凝土早期强度的快速增长。

(2)砂子。一般采用中砂或中、粗混合砂,平均粒径0.35～0.5mm。砂子过粗,容易产生回弹；过细,不仅使水泥用量增加,而且还会引起混凝土的收缩,降低强度,还会在喷射中产生大量粉尘。砂子的含水量应控制在4%～6%。含水量过低,混合料在管路中容易分离而造成堵管；含水量过高,混合料有可能在喷射罐中就已凝结,无法喷射。

(3)石子。用卵石、碎石均可作为喷混凝土骨料。石料粒径为5～20mm,其中大于15mm的颗粒应控制在20%以内,以减少回弹。石子的最大粒径不能超过管路直径的1/2。石料使用前应经过筛洗。

(4)水。喷混凝土用水与一般混凝土对水的要求相同。

(5)速凝剂。为了加快喷混凝土的凝结硬化速度,防止在喷射过程中坍落,减少回弹,增加喷射厚度,提高喷混凝土在潮湿地段的适应能力,一般要在喷混凝土中掺入水泥重量2%～4%的速凝剂。速凝剂应符合国家标准,初凝时间不大于5min,终凝时间不大于10min。

喷混凝土配合比应满足强度和工艺要求。水泥用量一般为375～400kg/m3,水泥与砂石的重量比一般为1∶4～1∶4.5,砂率为45%～55%,水灰比为0.4～0.5。

水灰比的控制,主要依靠操作人员喷射时对进水量的调节,在很大程度上取决于操作人员的经验。若水灰比太小,喷射时不仅粉尘大,料流分散,回弹量大,而且喷射层上会产生干斑、砂窝等现象,影响混凝土的密实性；若水灰比过大,不但影响混凝土强度,而且还可能造成喷射层流淌、滑移,甚至大片坍塌。水灰比控制恰当时,喷混凝土的表面呈暗灰色,有光泽,混凝土黏性好,能一团一团地黏附在喷射面上。水灰比的控制,除了提高操作人员的技术水平外,还必须维持供水压力的稳定。

2.混凝土喷射机

工程中常用的喷射机有冶建69型双罐式喷射机和HP—Ⅲ型转体式喷射机,如图11.31和图11.32所示。

图11.31　双罐式喷射机

1—上钟形罩；2—下钟形罩；3—输料盘；4—电动机；5—蜗轮油箱；6—出料口；7—车架；8—主风口；9—折形刮刀；10—主风阀；11—上灌进气阀；12—橡皮垫圈

图11.32　转体式喷射机

1—搅拌器；2—上底座；3—上接合板；4—旋转板；5—旋转体；6—下接合板；7—下底座；8—出料弯头；9—料斗；10—干拌和料；11—压缩空气进气口；12—进风管；13—出料口

双罐式喷射机的工作原理是上罐储料,下罐工作,下罐中的干拌和料通过蜗轮机构带动的输料盘,均匀地把料送到出料口,再通过压气送至喷嘴,在喷嘴处穿过水环所形成的水幕与水混合后高速喷射到岩面上。转体式喷射机的工作原理是混凝土干料从料斗落到一个多孔形的旋转体中,随孔道旋转至出料口,再在压缩空气的作用下将干料送至喷嘴,与高压水混合后喷射到岩面。转体式喷射机出料量可以调整,体积小,重量轻,操作简单,且可远距离控制,但结构复杂,制造要求高。

喷混凝土施工,劳动条件差,喷枪操作劳动强度大,施工不够安全。有条件时应尽量利用机械手操作。如图11.33为国产QPS—Ⅰ型混凝土机械手简图,它适用于大断面隧洞喷混凝土作业。

图11.33　QPS—Ⅰ型混凝土机械手简图

1—喷头装置；2—汽车；3—大臂；4—大臂俯仰油缸；5—立柱回转油缸；6—立柱；7—冷却系统；8—动力装置；9—操作台；10—坐椅；11—剪刀架平台；12—剪刀架升起油缸；13—动力油路(www.daowen.com)

3.喷混凝土施工

(1)施工准备。喷射混凝土前,应做好各项准备工作,内容包括：搭建工作平台、检查工作面有无欠挖、撬除危石、清洗岩面和凿毛、钢筋网安装、埋设控制喷射厚度的标记、混凝土干料准备等。

(2)喷枪操作。直接影响喷射混凝土的质量,应注意对以下几个方面的控制。

1)喷射角度。喷射角度是指喷射方向与喷射面的夹角。一般宜垂直并稍微向刚喷射的部位倾斜(约10°),以使回弹量最小,如图11.34(b)所示。

图11.34　料流轨迹与喷射角度(单位：cm)

(a)料流轨迹；(b)喷射角度

2)喷射距离。喷射距离是指喷嘴与受喷面之间的距离。其最佳距离是按混凝土回弹最小和最高强度来确定的,根据喷射试验一般为1m左右。

3)一次喷射厚度。在设计喷射厚度大于10cm时,一般应分层进行喷射。一次喷射太厚,特别是在喷射拱顶时,往往会因自重而分层脱落；一次喷射也不可太薄,当一次喷射厚度小于最大骨料粒径时,回弹率会迅速增高。当掺有速凝剂时,墙的一次喷射厚度为7～10cm,拱为5～7cm；不掺速凝剂时,墙的一次喷射厚度为5～7cm,拱为3～5cm。分层喷射的层间间隔时间与水泥品种、施工温度和是否掺有速凝剂等因素有关。较合理的间歇时间为内层终凝并且有一定的强度。

4)喷射区的划分及喷射顺序。当喷射面积较大时需要进行分段、分区喷射。一般是先墙后拱,自下而上地进行,如图11.35所示。这样可以防止溅落的灰浆黏附于未喷的岩面上,以免影响混凝土与岩面的黏结,同时可以使喷混凝土均匀、密实、平整。

图11.35　喷射区划分示意图

(a)喷射分区；(b)侧墙Ⅰ、Ⅱ区喷射顺序；(c)拱顶Ⅲ区喷射顺序

施工时操作人员应使喷嘴呈螺旋形划圈,圈的直径以20～30cm左右为宜,以一圈压半圈的方式移动,如图11.34(a)所示。分段喷射长度以沿轴线方向2～4m较好,高度方向以每次喷射不超过1.5m为宜。

喷射混凝土的质量要求是表面平整,不出现干斑、疏松、脱空、裂隙、露筋等现象,喷射时粉尘少、回弹量小。

4.养护

喷混凝土单位体积水泥用量较大,凝结硬化快。为使混凝土的强度均匀增加,减少或防止不均匀收缩,必须加强养护。一般在喷射2～4h后开始洒水养护,日洒水次数以保持混凝土有足够的湿润为宜,养护时间一般不应少于14d。