水泥裹砂法喷射钢纤维混凝土支护工法

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1.前言

在岩石开挖过程中，为防止开挖出的岩石面风化和保留岩体的稳定，需对开挖出的新鲜岩石面进行喷混凝土支护作业。喷混凝土施工按喷射方式可分为干喷法和湿喷法两种，其中以水泥裹砂潮喷法最为常用。70年代以来，喷射混凝土技术已从最初的临时性支护发展成为永久性支护型式，喷射钢纤维混凝土是将不连续的、短的钢纤维均匀地分散于喷射混凝土中，从而大大改善了喷射混凝土的抗拉强度、抗弯强度、抗裂性能、韧性、抗剪强度和耐冲击性能，可作为永久支护手段,本施工工法结合黄河小浪底工程进水口高边坡加固施工，就水泥裹砂喷钢纤维混凝土施工工法的基本原理、工法特点、操作工艺、施工环节控制等主要内容作介绍，以其指导施工方案、施工作业指导书、安全质量控制等文件的编制。

2.工法特点本工法切合实际，深入浅出，便于操作，实用性强。

喷混凝土的基本要求

必须满足支护结构和兼顾永久支护的设计断面要求；

在采用爆破方法开挖硬岩时，原则上为最小喷射厚度。

（2）钢纤维喷混凝土的特点

在喷射混凝土混合料中掺加钢纤维，构成喷钢纤维混凝土，以此作为岩石永久支护的施工方法。其具有抗裂性好，韧性强；抗拉强度、抗弯强度和抗剪强度高；抗冻融性强；抗磨蚀性、抗冲击性好；可一次性施工作为永久支护，简化了支护方式；但成本较高。

3.适用范围

本工法适用于岩石边坡和地下洞室岩石开挖的临时和永久支护。

（1）适用于裂隙较多的硬岩洞室支护；

（2）适用于软岩洞室的支护；

（3）与锚杆联合作用，可用于危石加固；

（4）结合钢筋挂网，加固软弱带或塌陷处；

（5）封闭开挖岩石面，防止岩面风化、漏水、避免大裂隙、断层、挤压破碎带的充填物流失；

（6）钢纤维混凝土的成本较高，主要用于因净空断面受到限制而又必须减少喷混凝土厚度的隧洞支护或抗磨蚀性和抗冲击性要求较高的部位。

（7）湿式喷射方法适用于近距离压送施工，若压送距离较远宜采用水泥裹砂喷射方法。

4.工艺原理

当砂的表面含有一定的水份时，砂粒被水泥颗粒包裹牢固地粘附在一起，这种状态称为“造壳作用”，采用此中原理进行施工的方法称为“水泥裹砂法”（SEC法），即“潮喷法”或“半湿喷法”。在实际施工中，采用对细骨料进行预加水，使骨料的表面含水量为5%～6%，并按（砂+水泥）（搅拌1min）+（石+钢纤维）（搅拌2min）等措施来实现水泥裹砂法。

5.施工工艺

5．1水泥裹砂潮喷法施工方法

（1）喷射前，测定砂子含水量，并由此决定第一次的加水量，第一次加水量由试验确定，应达到拌和料捏在手中成团，掉在地上散开。水泥裹砂法水灰比在0.16－0.18范围内；

（2）投料顺序：砂-水泥-ω1拌和1min→.加小石-钢钎维→喷射时加入速凝剂→.在喷处二次加ω2。

（3）混凝土拌和：采用人力翻斗车上料，JW－250型强制式拌和机拌制，砼拌和3分30秒。

（4）运输：采用机动翻斗车运料至喷射场地。

水泥裹砂法喷射混凝土施工工艺流程图（见图1）

图1水泥裹砂法喷射混凝土施工工艺流程图

（注：ω1为一次加水量。ω2为二次加水量。）

5．2.配合比选择

根据技术规范要求，喷混凝土的拌和设计，一天龄期最小抗压强度为5MPa，28天时为20MPa，7天龄期的钢纤维混凝土的韧性指标，I5为3.5，I启动子10为5.0，抗折强度为3MPa。施工时对配合比要进行室内和现场试验，现场试验可采用试验板或喷模法取样进行。一般配合比可按以下经验数值确定：水泥和砂石

之重量比宜为1：4～1：4.5；砂率为45％～55％；水灰比为0.4～0.5；速凝剂掺量为水泥用量的2％～4％。小浪底进水口高边坡喷钢纤维混凝土配合比见表1，施工前可以作为参考。

表1 喷射钢纤维混凝土配合比

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W/C	砂率	每m3混凝土中各种材料用量（kg）
W/C	砂率	水泥	水	砂	石	8604	钢纤维
0.39	65％	370	144.7	1152	616	18.5	100

5．3喷射混凝土工艺要求

配合比选择正确之后，正确地实施喷射技术是保证喷射混凝土质量的关键。施工时必须从以下几点进行控制：

（1）喷射作业分区

喷射作业，应分区段进行，长度一般不超过6m，喷射顺序应自下而上。

（2）喷射面的清理

采用高压风水进行喷射岩面的清理，确保喷射岩面干净、湿润而无明水。

（3）保证足够的工作风、水压

工作风压必须适当，不宜过大或过小。工作风压过大，回弹量将增大；工作风压过小，喷射混凝土的密实性与强度将会降低。工作风压一般控制在0.2～0.4MPa，随着高度的上升，每升高5m ，风压需增加0.1MPa。

工作水压必须大于0.1MPa，并且保持相对稳定。

喷射开始时，先送风，后送水，待风压、水压、水量稳定后，再送混合料，停止喷射的程序则完全相反，即先停止供料，再停水、停风。

（4）喷射厚度控制

为便于控制喷层厚度，在受喷面上采用手电钻等工具钻孔，预先安装一定量的钢筋标志予以控制保证达到设计喷射厚度。第一层的喷射厚度以喷层不产生坠落和滑动为适度,一般一次喷层厚度不大于5cm，第二层应在第一层终凝后进行，施喷前要将原喷层表面的浮尘杂物冲洗干净。小浪底施工中，对10cm厚喷钢纤维混凝土采用了按设计“3－4－3”结构分层喷射的施工方法。

（5）加水量控制

加水量的控制，应该以喷射面不出现黑干斑，不出现流淌和脱落，有暗光泽为最佳状态。应选择有经验的喷射手进行喷射施工。

为减少喷头加水的随意性，在距喷嘴处5～7 m增设双水环，两环相距10～30cm，使40～70％的水量由双水环加入混合料中，使料流含水均匀，且得以搅拌。

（6）喷射路线

喷射时，喷头应作15～30cm的螺旋运动，喷头移动要均匀、平稳，对边坡凹凸不平、起伏较大的工作面，在喷射时要有目的地进行超前预喷射作业，喷射时要遵循自下而上、从左到右（或从右到左）的有规律的喷射路线。

（7）喷射距离

喷射距离是指喷头出料管末端至受喷面的垂直距离，为了保证喷混凝土质量，减少回弹，喷射距离应控制在0.8～1.2m之间。

（8）喷射角度

喷射时要使喷射头尽量与受喷面保持垂直，特殊情况下，如遇到拐弯、凸凹面等时，喷射角可控制在80°～90°。

（9）喷射手要求

喷射技术能否正确运用，直接影响到喷射混凝土的施工质量，为此，喷射手不但应具有一

定的理论知识，而且还要通过培训和具体施工实践，熟练掌握喷射混凝土技术。回弹量拱部控制应小于20％～30％，边墙不大于10％～20％。

（9）养护

喷射2～4小时后，应洒水养护，一般养护7～14天。

（10）取样

用SHZ－100型岩芯钻钻取岩芯，以检验其厚度。强度检查采用切割法。

6．机械设备配置

表2 一个工作面施工机械配置

设备名称	型号	数量	备注
空压机	VY－9/7	2
强制式拌和机	JW－250	2
砼喷射机	HPJ－1型	2
岩芯取样机	SHZ－100	2
钢钎维分散机	DB－81型	1
机动翻斗车	JS－15	2
液压升降平台车	GTZD185	1	适用用于边坡

7.劳动力组织

表3 一个工作面施工劳动力配置

序号	工种	数量	序号	工种	数量
1	空压机工	2	6	测量工	3
2	翻斗车司机	8	7	喷射手	6
3	机械工	6	8	电工	2
4	普工	20	9	技术员	2
5	试验工	2	10	合计	51

8.质量标准与安全措施

8．1质量标准

（1）原材料要求

①水泥

优先选用不低于425#的普通硅酸盐水泥，也可采用标号不低于525#的矿渣水泥，或按设计要求选取。

②砂石料

优先选用磨圆度较好的天然砂和卵石，也可采用机制砂石料砂石料质量必须满足《水工混凝土规范》（SDJ207-82）的有关规定，最大粒径为10～15mm，级配应满足表4要求

表4 喷射混凝土骨料级配

项目	通过各种筛径的累计重量百分数（％）
项目	0.6mm	1.2mm	2.5mm	5mm	10mm	15mm
优	17~22	23~31	35~43	50~60	73~82	100
良	13~31	18~41	26~54	40~70	62~90	100

表5 小浪底连地滩天然和人工混合砂性能指标表

项目	比重	吸水率%	松散含量%	含泥量%	细度模数	SO3%	有机物
检验值	2.64	10.7	16.8	2.48	2.55	0.013	浅于标准

③外加剂

可使用速凝剂、早强剂、减水剂等外加剂，但喷混凝土的各项指标不得低于设计要求。在使用速凝剂时，水泥净浆试验的初凝时间不得大于5min，终凝时间不得超过10imn。

④水

使用水的质量必须满足规范及有关规定，且不影响速凝效果。

⑤钢纤维

采用合格的钢纤维，目前一般使用上海哈瑞克斯金属制品有限公司生产的HAREXSF系列钢纤维，长32～32.5mm，等效直径0.8mm，长径比为40，符合规范标准，表面粗糙度表面比1.5～1.8，抗拉强度达700～800MPa。

（2）喷射钢纤维混凝土质量要求

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①喷砼表面应平整，不应出现夹层、砂包、脱空、蜂窝等缺陷。

②结构接缝、墙角等部位，喷层应有良好的搭接。

③不存在贯穿性裂缝。

④出现的渗水点已作了妥善处理。

⑤强度：

每喷50m3砼，应取一组试块。

平均抗压强度不低于设计标号。汽车脚垫生产线

宜采用切割法取样。

喷射厚度应满足设计要求。

⑥速凝剂能够有效控制粗骨料的回弹，回弹率控制在10％～20％。

8．2.施工安全措施弯曲刚度

（1）在项目施工期间，由项目部制定出各个工序的安全保证措施，形成以项目经理为主的安全生产管理体系，加强安全教育和完善安全保护措施，并由专职安全员负责监督实施；

（2）岩石开挖后，应及时将危石清理干净，对断层及破碎带应加强观测，提前喷护；

（3）应根据本工法的特点，详细编制好施工组织设计；

（4）喷射手应佩带防护眼镜、防尘口罩、高空作业还需佩戴安全绳，设置安全网。

9．效果分析

（1）干式与湿式喷射混凝土支护比较

干式喷射：在搅拌站将粗、细骨料和水泥干拌后，在喷处加水喷射。当采用干砂（含水量﹤4%）时，速凝剂在拌料时掺入，拌好的混合料应在20min内用完；当采用湿砂（含水量﹥4%）时，应在喷射前加速凝剂。这种方法粉尘大，回弹多，强度不稳定。

湿式喷射：在拌和站将水、水泥及粗、细骨料一次拌和，在喷射时加速凝剂，其优点是粉尘少、回弹少，但不宜远送。

水泥裹砂喷射：在拌和站将水泥、粗、细骨料（钢纤维）及第一次加水拌和，在喷射时加减水剂、第二次加水和速凝剂，此种方法的特点是粉尘小、回弹少，强度稳定，水泥用量

较少，喷混凝土质量良好，是目前最常用的喷混凝土支护施工方法。

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