TKJ—20型混凝土濕噴機械手在大中山隧道的應用

摘要：在鐵路基建中，隧道建設是搞好鐵路建設的核心問題之一，而隧道初期支護中的混凝土噴射又是搞好隧道施工的關鍵工序之一。文章以大中山隧道采用的噴射混凝土機械化作業設備為例，分析了影響機械化噴射混凝土作業/實效的關鍵影響因素，并為今后鐵路隧道工程的機械化配套提供了借鑒和參考。

關鍵詞：濕噴機械手；隧道工程；機械化；鐵路基建；混凝土噴射 文獻標識碼：A

中圖分類號：U49 文章編號：1009-2374（2017）05-0167-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.081

噴射混凝土廣泛應用于鐵路、公路、水利水電、市政、礦山、軍事等行業隧道及地下工程領域，是對隧道及地下工程進行圍巖支護，確保圍巖穩定的主要手段之一。近年來，濕噴工藝取代了原干噴工藝，成為公路、鐵路、水工隧道施工主要噴射工藝?，F存濕噴作業主要模式（小型濕噴機，手持噴嘴作業）雖然解決了質量控制和改善環境（降低粉塵）問題，但噴射作業的危險性、高強度勞動、效率低等問題沒有得到解決。小型濕噴機的主要特點是：設備采購成本低，比較靈活，對隧道斷面適應性強。隨著我國隧道施工技術的發展和人力成本的上升，現有的小型混凝土噴射機已經不能滿足長大隧道快速機械化施工的要求，而且小型濕噴機的自動化程度低，勞動強度大、人員安全性保障弱、需要操作的人員多，因此使用成本越來越高，國內現有的濕噴設備，大多結構簡單、功能單一、生產效率低，施工時需要人工手持噴槍進行噴射，工人勞動強度大，骨料的反彈及噴射產生的粉塵對施噴人員健康有極大的危害，且工人的噴射技術決定了混凝土噴射的質量，不確定性太大，容易造成比較大的浪費。目前，由于人工費用不斷的增長以及機械化水平的不斷提高，未來必然會在公路、鐵路、水工隧道施工中選擇噴射效率高，機械化程度高的大型噴射混凝土機械手。

本文就大中山隧道采用的TKJ-20型混凝土噴射機械手（以下簡稱“機械手”）濕噴工藝施工技術成功應用進行介紹。

1 概況

中鐵上海工程局集團有限公司（以下簡稱“中鐵上海局”）承建的大中山隧道，位于河南省三門峽市盧氏縣五里川鎮及瓦窯溝鄉境內，是蒙西至華中地區鐵路（以下簡稱“蒙華鐵路”）全線重點控制性工程。該隧道為雙線單洞隧道，隧道長度14533m，隧道進口里程DK789+556，出口里程為DK804+089。隧道埋深一般為80～500m，最大埋深710m，縱坡為人字坡。3#橫洞：位于線路左側，交于線路DK802+360處，與線路小里程夾角115.25°，斜井綜合坡度為-0.3%，長336m。

大中山隧道位于豫西秦嶺東段，構造水文地質條件較復雜，場區以侵蝕構造中低山為主，地形陡峭，溝谷狹長，多呈“V”字型。隧道穿越砂礫巖、云母石英片巖、片麻巖、大理巖等弱風化地層，局部淺埋段，構造段位于強風化破碎基巖，可溶巖表面可見溶蝕現象，花崗巖地段可見不均勻風化現象；山坡自然坡度一般為40°～70°。區內標高700～1500m，最高標高點為1492.3m。山坡植被發育，田地及村舍一般沿溝谷分部。

區內溪溝十分發育，屬長江水系。南部少量溪溝匯入五里川河，后匯入老灌河，過西峽至淅川縣匯入點丹江口水庫；大部分溪溝匯入瓦窯溝河，后匯入淇河，經西峽匯入丹江。河谷的特點是落差大，水流急，彎曲度大，峽谷河段長，支流多，水量分部不均，旱季溝谷水流小甚至斷流，洪水季節水量大，甚至出現山洪。

2 設備選型

2.1 TKJ-20型混凝土噴射機械手性能匹配

在隧道機械化施工中，混凝土濕噴機械手是非常重要的設備?；炷翙C械化的作業線由三部分組成，分別是機械手、混凝土攪拌站、攪拌運輸車。隧道開挖后采用中鐵巖鋒TKJ-20型混凝土噴射機械手（以下簡稱“機械手”）進行初期支護混凝土噴射，該機械手和早高強噴射混凝土技術配合使用，就形成了軟弱圍巖隧道快速機械化施工成套技術，在采用隧道臺階法施工時，通過噴射混凝土，作業無死角；地盤選用輪式裝載機時，具備機動靈活、性能優良、通過性能高以及便于維修等優點；采用電機和柴油機兩個動力系統，能夠根據需求進行更換，適應性強。

主要性能參數見表1，設備外觀見圖1：

2.2 TKJ-20型混凝土噴射機械手特性

2.2.1 獨特噴射機械手結構。該機組使用的機械手是一種具有移動式回轉支柱的兩級臂架結構，在我國的軟弱圍巖臺階法施工時，非常適用，能夠在三臺階環形開挖留核心土功法噴射作業進行全面覆蓋。

2.2.2 均勻稀薄流濕噴技術。國外機組（國內仿制機型）均采用泵送稠密流濕噴技術，機械、液壓、電控系統復雜，對混凝土拌合物和易性要求高，膠凝材料用量大，難以普及推廣。中鐵巖鋒長期致力于均勻稀薄流濕噴技術研究，在本領域處于國際領先水平。

2.2.3 底盤結構。采用專用底盤，其技術特征為四輪驅動，鉸接轉向，大型越野輪胎，具有機動靈活、維護簡便等特點，適應隧道作業路面工況，噴射作業時無需底盤支撐，可最大程度實現快速進退場要求。

上述三個技術特點，使TKJ-20型混凝土噴射機組實現了液壓系統的極致簡化，這種簡單化使該設備具備良好的普及推廣前景。同時，該機組在作業期間該機械手完成單循環4.2m的初噴用時約40分鐘，作業效率較高。

3 施工工藝關鍵管控要點

混凝土噴射施工作業實效與混凝土拌合物性能（設計強度、和易性、流動性等）、混凝土噴射設備作業效率、作業人員操作技能水平、施工工序組織及銜接等諸多因素息息相關，任一方面的短板都會影響整體工序的工效，其中需要重點關注的包含以下方面：

3.1 混凝土物料配合比設計

噴射混凝土與模筑混凝土用途不一，但對拌合物配合比設計要求提出了更高的要求，工程建設管理人員在進行配合比設計時一定要非常注意，應該預先建立一個混凝土拌合物“工作度”的概念。配合比設計必須對強度、工作度、耐久性等多個指標進行控制。應該首先考慮速凝劑和射流密實等因素，然后再確定基準配制強度。

噴射混凝土的強度、回彈率以及初噴層的厚度都會影響到噴射混凝土配合比。根據設計的強度確定水和灰的配比后，應該注重選擇混凝土和速凝劑，要控制坍落度在14～18cm之間，并且應該有很好的黏聚性，將混凝土的綜合回彈率（含拱部、邊墻）控制在15%以內。

計算以后，調整試拌，然后確定基準配合比，混凝土坍落度為185mm，混凝土粘聚性良好，工作性能滿足施工需要。確定為基準配合比，見表2：

3.2 混凝土原材料選擇

3.2.1 泥：商洛堯柏龍橋水泥有限公司P.O42.5水泥。

3.2.2 粗骨料：莫家溝碎石場，5～10mm碎石。

3.2.3 細骨料：盧氏縣軍鵬砂場，中砂。

3.2.4 速凝劑：安徽中鐵工程材料科技有限公司ZTC-S1001。

3.2.5 減水劑：安徽中鐵工程材料科技有限公司RAWY101標準型。

3.2.6 水：攪拌混凝土用水。

3.3 機械手操作要點

在機械手進行混凝土噴射工作時，各個方面都會影響到混凝土噴射的質量，比如噴射的角度、噴射距離、噴射順序以及噴頭的移動軌跡。

3.3.1 噴射順序。在噴射混凝土時，應該首先噴射墻面，然后再噴射拱梁，并且從下向上進行噴射，移動軌跡要以S曲線進行移動噴射。在對隧道進行混凝土噴射時，應該首先噴射隧道兩側邊墻的底部，噴射到拱頂中心線位置時閉合機械手，完成了一環的混凝土噴射工作。

3.3.2 噴射角度。在噴射混凝土時，噴頭應該和被噴射的墻面垂直。在噴頭和受噴面之間的夾角較小時，混凝土更加容易回彈，降低了混凝土噴射的密實度；在噴頭和受噴面垂直時進行噴射，連續噴射的混凝土會將反彈的混凝土繼續噴射到受噴面上，可以有效降低回彈率，增加了一次噴射厚度。

3.3.3 噴射距離。在進行濕噴時，需要的風壓較大，當噴頭和受噴面之間的距離較近時，高壓風會將受噴面上貼附不太緊實的混凝土吹掉，增加了混凝土的回彈率。在噴射機械手進行濕噴工作時，噴頭和受噴面之間的距離應該在0.8～1.2m之間。

3.3.4 噴頭移動。在進行混凝土噴射時，在最初的階段，混凝土的回彈率是最高的，當受噴面的厚度達到2～3cm后，混凝土的回彈率是最小的，并且非常穩定，當噴射在受噴面上的混凝土滑落、流淌時，一次噴厚達到最大，這個時候不能再繼續進行噴射了，等到噴射的混凝土初步凝固后再進行第二次噴射。

在進行混凝土噴射時，首先伸展機械手的大臂，調整噴頭在邊墻底部施噴的位置，通過機械手小臂上的自動平行功能調整小臂和地面之間的水平位置，應和隧道邊墻相平行，最后調整噴頭距離、角度，然后進行噴射，在進行混凝土噴射的過程中，不要再調整噴頭的距離和角度以及機械手的大小臂，只需通過使用自動伸縮功能調整噴頭在小臂上的位置，即從一端緩慢運行到另一端來回2～3次可完成一遍噴射；然后伸展大臂30cm左右（在拱部根據隧道輪廓小臂做適當翻轉），大臂做垂直、水平移動，調整噴頭和受噴面之間的角度和距離，按上述順序噴射下一部位，如此循環完成需噴混凝土的噴面。

4 施工效果總結及探討

4.1 作業功效對比

4.1.1 機械手施工作業效率高。

4.1.2 機械手噴射效率與施工組織匹配度高。基本無待料窩工。

4.1.3 進退作業場所時間短。

4.1.4 該臂架結合與臺階法施工適合度強。

4.1.5 該機械手使用期間配件成本費用較為穩定，且費率較低。截至2016年8月，該隧道已完成噴射混凝土31352.92m3，據統計，折算到每m3混凝土，配件及耗材綜合成本為10.40元/m3。

4.1.6 作業人員安全性保障強。

4.2 經濟效益成本簡析

經測算，在濕噴工藝條件下，以該設備為主構建的初期支護機械化作業模式相對于傳統的小型濕噴機半機械化作業模式，具有顯著經濟效益：

4.2.1 節省人工成本。噴射混凝土機械化作業工班僅需3名作業人員，相對于傳統模式的6～10人，預計每年可節省人工成本20萬元以上。

4.2.2 節省材料成本。機械化作業模式由于可以準確控制噴嘴角度和距離，可以降低回彈5%～10%，預計年度效益在30萬元以上。

4.2.3 時間效益。機械化作業模式可以提高作業效率，減少噴射混凝土作業循環時間。綜合分析，該機械手可通過降低成本在1年內收回購置成本。

5 結語

在大中山隧道施工時，采用的是TKJ-20型混凝土濕噴機械手，在實際的工作中，更加容易了解、學習相關的知識，能夠更好地掌握大型噴射混凝土設備的濕噴施工技術，不僅能夠提高噴涂施工的質量，還提高了工作的效率，也減少了施工的成本，改善了工作周圍的環境，同時對于施工人員的身體健康有了進一步的保障。在鐵路隧道施工中，濕噴噴射機械手相較于干噴噴射機械手而言，能夠更好地解決回彈、粉塵等問題。并且和半機械化（人工抱噴頭）作業濕噴工藝相比較，有很大的優越性，在隧道初期支護中使用噴射機械手，具有很強的生命力和很好的發展前景。

參考文獻

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作者簡介：汪小?。?984-），男，湖北武漢人，中鐵上海工程局集團有限公司工程師，研究方向：施工設備管理。

（責任編輯：小 燕）