混凝土濕噴機械手技術在隧道施工中的應用探索

郝光輝

【摘 要】濕噴工藝取代干噴工藝，以及混凝土濕噴機械手的出現，大大改善了隧道施工人員的工作環境，降低了勞動強度，提高了工作效率，節省了施工成本，促進了隧道施工機械化的進程。本文以混凝土濕噴機械手在蒙華鐵路桐木隧道施工中的應用為例，從CHP25B車載式混凝土濕噴機械手的機械特性、噴射工藝技術、與傳統小型濕噴機作業效果對比分析等方面對混凝土濕噴機械手技術的應用進行闡述，總結分析混凝土濕噴機械手技術具有的良好發展前景，為普及和推廣使用機械手噴射混凝土提供了良好的經驗借鑒。

【關鍵詞】混凝土；機械手；濕噴；隧道

1 .引言

隨著國家經濟迅猛發展，高科技隨之運用，隧道工程在新建鐵路、公路中所占比例越來越大，隧道施工也越來越機械化、國際化。為了能夠快速安全有效地進行隧道掘進，對初期支護的混凝土噴射技術提出了更高的要求。前些年，我國噴射作業還處于手工小作坊時代，例如人工攪拌、人工上料、單機攪拌、小型干噴機、小型濕噴機等，作業環境差、質量控制水平低、材料消耗率高、施工速度低下，對施工人員的身體健康產生嚴重的危害，與當今的社會經濟發展水平極不適應。與傳統的干噴機及小型濕噴機施工技術相比，混凝土濕噴機械手技術具有作業靈活性、快速性、方便性、經濟性、安全性，既能克服傳統施工技術的缺點，又能節能減排，實現生態文明的機械化施工，使噴射作業向前邁進了一大步。選擇噴射速度快、機械化程度高、回彈率低的大型噴射混凝土機械手已成為公路和鐵路隧道施工的主流工藝。同時，結合國內機械技術的逐漸成熟及進步，此項新技術正向著高效、安全、節能環保、實用和全自動化方向發展。

2 .工程概況

桐木隧道是新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道土建工程MHTJ-31標段的一項工程，隧道進口位于江西省宜豐縣黃崗鎮，隧道出口位于宜豐縣芳溪鎮，起止里程為DK1702+771～DK1708+144，隧道全長5373m，為單洞單線隧道，隧道最大埋設282m。地質條件復雜，主要不良地質有斷層破碎帶（本隧道共穿越斷裂構造5條，節理密集帶4條，巖性接觸帶1條），不均勻分化可能發生突水、突泥災害，高應力區，巖爆等。其中Ⅱ級圍巖968m，Ⅲ級圍巖3116m，Ⅳ級圍巖698m，Ⅴ級圍巖591m。本隧道設置斜井一座，位于線路右側，斜井與正洞相交與DK1705+480處，與線路大里程夾角123.5°，斜井為雙車道，長度757m，斜井Ⅲ級圍巖640m，Ⅳ級圍巖60m，Ⅴ級圍巖57m。由此可見，桐木隧道存在反坡施工、長距離通風等困難，施工難度大、風險高、施工技術復雜，對超前地質預報、監控量測及施工過程控制要求高。

3 .設備選型

桐木隧道施工選用2臺湖南五新隧道智能裝備股份有限公司自主研發生產的CHP25B車載式混凝土濕噴機械手。該設備采用福田底盤，總質量16T，最大爬坡度不大于20%，最高車速90km/h，方便工地調配；臂架回轉角度、噴頭軸向旋轉角度、噴頭刷動角度均為360度，噴頭垂直軸向擺角240度，最大噴射高度16m，最大噴射寬度24m；泵送系統工作驅動方式為55kw電動機，混凝土排量25m3/h，最大泵送壓力7.3Mpa，輸送缸內徑/行程為φ160mm/1000mm，輸送管徑φ80mm～φ125mm變徑，噴嘴嘴口直徑φ50mm；其他組成還有水泵總成、速凝劑箱、抽液泵總成、潤滑泵及分配閥、各類電纜線卷筒等；風壓系統采用洞外螺桿空壓機外接供風。其他配套設施主要有中鐵科工HZS-120混凝土攪拌站一套，3～5輛混凝土攪拌運輸車。CHP25B車載式混凝土濕噴機械手與早高強噴射混凝土技術相結合，可以形成軟弱圍巖隧道快速機械化施工成套技術，通過噴射混凝土施工的及時特性和早強特性，提高初期支護控制圍巖變形能力，提高施工速度，降低成本。

4. 機械手濕噴工藝技術

4.1混凝土配合比

噴射混凝土配合比與混凝土強度、回彈率、初噴層厚度有密切相關，設計重點為混凝土和易性和速凝劑的選擇。根據TB10424-2010《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》規定，噴射混凝土水膠比不大于0.50，膠凝材料用量不小于400kg/m3，粗骨料最大料徑不大于16mm，細骨料細度模數應大于2.5。

按此配合比，施工中噴射混凝土性能一直很穩定，滿足設計強度的同時坍落度始終控制在160～200mm內，混凝土具有良好的保水性，流動性和黏聚性。

4.2機械手操作要點

機械手噴射混凝土施工時，影響噴射混凝土質量、效率、回彈等方面的因素主要有：混凝土的和易性、機械手風壓大小、一次噴射厚度、骨料最大粒徑、巖層平整度、速凝劑摻量、操作手熟練程度、噴射距離、角度、噴射順序、噴頭移動等。根據各種影響因素我們通過幾項措施進行要點說明如下：

（1）混凝土坍落度要求骨料最大粒徑應小于16mm，否則會因阻力過大而無法順利噴出，混凝土坍落度應控制在160～200mm。

（2）噴射前，在機械手和操作人員到達施工區域后，利用高壓風對巖面進行一次清理，保證初噴混凝土與巖面的有效粘結，以提高噴射混凝土的附著力。

（3）要求機械手操作人員具有一定的經驗和熟練程度，噴混凝土過程中，保證風壓在0.2～0.4Mpa比較適宜。工作風壓選擇和混凝土的和易性有關，和易性越好，工作風壓越小，反之越大。實際施工中應根據混凝土的和易性、風壓穩定性影響進行調整，以保證噴射混凝土在噴射口的速度和連續性。并要求機械手的噴頭與巖面垂直，距離在0.8～1.2m范圍內。垂直噴射時，連續的混凝土“稀薄流”對反彈物有二次嵌入的作用，可以降低回彈率，增加一次噴射厚度，如果噴頭距受噴面太近，高壓風會將剛噴上的混凝土吹掉，使回彈量增大。

（4）噴射順序應先從兩側邊墻底部自下而上開始噴射，最后閉合于拱頂中心線位置，噴射混凝土回彈在剛剛噴射時最大，但巖面噴厚達到20～30mm時，回彈最小且穩定，完成一次環形試噴，要求厚度在30～50mm，如果在噴射過程中出現混凝土滑落或流淌時，一次噴射厚度已達到上限，此時已經不能再對同一地方噴射，應等混凝土初凝后在回過來復噴至設計厚度。

（5）速凝劑摻量過大導致回彈增大，混凝土噴層密實性變差，摻量過小導致噴層流淌下墜形成微裂紋或掉塊。因此，必須在噴射混凝土作業時嚴格控制速凝劑摻量，以達到質量控制和節約成本的目的。一般來說，拱部周圍速凝劑摻量比邊墻附近稍大，且噴射速度也相對較慢。經過操作人員實戰經驗而談，邊墻噴射混凝土速率為11～20m3/h，最高可達27m3/h；拱部噴射混凝土速率約為15m3/h；邊墻噴射混凝土速凝劑的摻加量為3%～5%；拱部噴射混凝土速凝劑的摻加量為6%。

（6）混凝土的供料要連續，噴射過程中經常停機，容易造成噴頭處賭管現象，清除堵管非常麻煩，且耽誤作業時間。造成堵管的因素如下：輸料管太干燥或潤滑不夠、S擺管閥漏漿、輸料管泄漏、在輸料管和擺管閥里存留未洗干凈的混凝土、混凝土配比或骨料級配不合理、混凝土離析、混凝土已經開始初凝等。如果出現堵管，應立即關閉機械手及計量泵，關掉輸送風，拍打軟管，并倒掉管內存留的混凝土，堵管處理完成后應先加水噴射洗管，確保管路暢通后才能進行再次噴射施工。

（7）噴射結束后，混凝土濕噴機械手駛離作業區域，在洞外不影響隧道正常施工的情況下，嚴格遵循規章制度和安全操作規程，對混凝土噴射機械手進行日常維護和保養，并對其進行定期檢查。放入速凝劑時候要注意它的腐蝕性，防止在放入的時候速凝劑泄漏。混凝土噴射機械手施工時，要帶有安全帽和其他防護裝置，防止意外發生。

5.機械手濕噴作業效果對比分析

5.1快速性

在同級圍巖條件下，把CHP25B混凝土濕噴機械手和傳統的小型TK600濕噴機做一對比。在正常施工條件下，機械手噴射速度快，效率高，機械手的噴射量為0～25m3/h，平均噴射量為12.5m3/h；而TK600濕噴機噴射量為0～6m3/h，平均噴射量為4m3/h。對比可知，一臺機械手的施工效率相當于3臺TK600濕噴機同時施工的工作量。機械手采用汽車底盤，行走方面，設備到達工作面后只需將電纜線放開接到配電箱內，前后支腿撐起，使用遙控器將大臂和小臂移至帶噴位置，整個過程大約只需15min即可。如果使用TK600濕噴機，則需要用裝載機分別將2臺設備及配套設施放到帶噴地點附近，然后依次連接電機電纜線、高壓風管、速凝劑管等，整個準備過程大約需要60min。與利用噴漿臺架噴射混凝土相比較，機械手的移動更方便且噴射范圍廣，很好的提高了作業循環的速度。

5.2經濟效益及安全性分析

對于噴射混凝土回彈方面，如果采用小型濕噴機施工，噴射混凝土的回彈率可超過25%，而機械手的回彈率則可控制在15%以內，大大降低了初期支護噴射混凝土的消耗成本；對于人員配置方面，采用用小型濕噴機施工，一臺設備至少配備4人（上料人員、添加速凝劑人員、噴射操作人員和輔助人員），一般需配2臺設備同時施工，而濕噴機械手作業只需3人（設備操作手、放料人員、維修工人兼輔助人員）便可控制整個施工過程。這樣一來就節省了5名勞動力；對于施工效率方面，兩臺小型濕噴機的噴射混凝土量大約是9m3/h，一臺CHP25B濕噴機械手的噴射混凝土量平均是12.5m3/h，是2臺小型濕噴機的1.39倍；對于職業健康方面，粉塵濃度大，可見度差，而使用機械手時，操作人員可站在噴射面5～10m的位置遙控作業，粉塵少、噪音小，通過佩戴防塵裝置，可基本避免對操作人員的傷害。

6.結束語

機械手具有施工機械化程度高、工作效率高、回彈量少、施工安全性強、作業環境好、總的經濟效益顯著等優點。但是操作手的熟練程度及技術水平的高低嚴重影響到了施工平整度和回彈量問題，也是使用機械手施工的問題所在，所以目前通過實戰操作及廠家人員現場指導對操作手技術的提高將作為重中之重。

總而言之，混凝土濕噴機械手是現代隧道初期支護施工中不可缺少的一部分，因此也把混凝土濕噴機械手優點進行論述，對隧道施工更具有實用價值和安全價值。隨著我國科學技術的持續發展，隧道施工質量也在不斷提高，所以混凝土濕噴機械手技術在隧道施工中的廣泛應用也是現代城市建筑中的必然，其能提高整個建筑施工的質量，也能保證施工人員的安全性，同時也能滿足項目對隧道施工的各種需求。因此混凝土濕噴機械手技術的日益完善及在隧道施工中的廣泛使用，將促進隧道建筑工程的進一步發展。

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