隧道濕噴機械手初期支護中的施工技術

陳慶飛

（中鐵建大橋工程局集團第三工程有限公司，遼寧 沈陽 312452）

1 工程概述

張裕1#隧道為單洞雙線濕陷性黃土隧道，全長596m，隧道主要采用三臺階臨時仰拱法施工，初期支護采用60cm間距格柵拱架，噴射30cm厚的C25砼進行支護。初期支護是隧道的主要承載結構，是施工安全最關鍵、最重要的保障。通過采取初期支護及時封閉成環、仰拱緊跟下臺階施工的措施，確保了隧道施工安全，取消了傳統的隧道施工安全步距之說。隧道初期支護施工引進了濕噴機械手，即HPS3016S混凝土噴射臺車，采用濕噴工藝，更好地確保了初支的密實度、強度等，同時縮短了初支砼噴射的時間，提升了整體施工效率。

2 濕噴機械手初期支護施工特點

（1）濕噴機械手集行走、泵送和噴射三大功能為一體。主要特點如下：①生產效率高。單位時間內噴射方量可在10～30m2/h范圍調整，有利于現場快速施工。②回彈率低。干噴作業回彈率在40%左右、小濕噴機作業回彈率在35%左右、噴射機械手作業回彈率在15%左右，大幅度減小了材料浪費。③噴射效果好。濕噴機械手作業的砼由拌和站集中拌和罐車運輸至現場，水灰比在控制范圍內，保證了使用的砼質量，近而保證了初期支護結構質量，確保形成的初支混凝土的強度和密度。④污染小。濕噴機械手作業使用的是拌和好的砼，顯著降低了作業環境的粉塵密度，減小了因空氣污染對人體呼吸系統的危害。⑤操作簡單。機械手將行走、泵送、噴射三大功能集為一體，明顯減少了操作工人的勞動程度，并且擁有精確的速凝劑跟隨系統和自動噴射功能，操作起來簡單方便。

（2）隧道采用三臺階開挖，上臺階預留給機械手的操作空間有限，機械手伸縮旋轉方式需要熟練地操作。

（3）采用機械噴射砼，隧道初期支護平整度是質量控制難點也是重點。

（4）噴射砼性能的好壞直接影響機械手的噴射質量，保證噴射砼的質量是做好初期支護質量控制的關鍵。

（5）黃土隧道初期支護快速封閉成環，采用三臺階開挖、仰拱緊跟下臺階施工的措施，確保了隧道施工安全，對濕噴機的工作效率和濕噴砼的質量要求較高。

3 隧道濕噴機械手在初期支護中的應用

3.1 濕噴機械的選用

隧道施工中初期支護噴射混凝土采用HPS3016S混凝土噴射臺車進行噴砼作業，該機械手是活塞式濕噴機。HPS3016S混凝土噴射臺車如圖1所示。

圖1 HPS3016S混凝土噴射臺車

3.2 原材選用及施工配合比優化

混凝土原材中細骨料粗砂級配合理且細度模數在2.5～3.2，粗骨料碎石直徑為5～10mm，選用的水泥要與混凝土設計標號相適應，且符合技術指標規定，一般采用普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）。根據現場噴射作業經驗，混凝土坍落度低于160mm時，容易出現堵管現象；混凝土坍落度高于200mm時，形成的初支混凝土自穩性能差，容易脫落或滑塌，檢測的混凝土強度也偏低。對于HPS3016S混凝土噴射臺車，該機械手是活塞式濕噴機，砼的噴送成功與否與砼的質量有著密切的關系。保持砼的可泵送性、砼適中的坍落度（可塑性、流動性）和良好的和易性等有著密切的關系，因此砼生產時必須明確責任人，隨時檢測新進倉即將使用的砂石料含水率，及時調整噴射砼施工配合比，確保生產的砼性能良好。實踐證明噴射砼性能良好，初支的各項質量指標也越好，噴射操作更加順利，每個循環只需要2.5h，相比前期每個循環可節省0.5h。

3.3 機械手噴射要點

濕噴機械手的操作要點，噴射時盡量使三臂平行于拱架，噴嘴垂直于噴射面。首先通過四臂伸縮來實現縱向噴射混凝土作業，然后通過垂直回轉和一臂的展開和伸縮來實現環向噴射混凝土作業，最后通過縱向及環向作業同時配合噴嘴的上下左右擺動進行找點即可實現隧道初支噴射施工。機械手濕噴工藝是一個動態施工過程，應該根據現場情況及時調整噴射角度、噴射距離、風壓及混凝土坍落度等，因此要對操作人員提前培訓，使其熟練掌握濕噴機的性能和操作要領。初期支護時要先整體噴射打底，然后自下而上逐段噴平（堆噴），最后減小風壓補噴凹陷位置，切記局部噴射要控制好風壓，切勿因噴量過大造成噴射面突出，高于設計面。

（1）噴嘴角度及噴射面距離。操作濕噴機械手時，起拱線以上一般將噴嘴垂直于噴射面進行作業。邊墻噴射噴嘴下俯10°左右，自下而上形成堆噴作業，可有效減小垂直或角度過小造成的回彈現象，也能避免初支面受混凝土束影響產生波形噴面。噴嘴到噴射面的距離應根據機械手的單位時間噴射方量來確定，一般控制噴嘴至受噴面距離在1～1.5m為宜，主要以正常作業回彈量最小為宜。

（2）初期支護噴射方法。初期支護采用分層逐步噴射的方法，每次形成的初支控制在5～8cm厚度左右；開始噴射混凝土前在巖面埋設厚度量測組件，確保噴射厚度，不出現侵限或厚度不足現象；噴射后移動噴嘴至其他段待前一層硬化達到一定強度后方可噴射下層，確保兩層之間不出現脫落現象；噴射作業應避免一次過薄回彈量大或一次過厚下墜流淌。

（3）初期支護的噴射順序及時間間隔。隧道初期支護噴射順序從下而上，分段、分片進行。噴射時按環向4～6m一段，分片寬度控制在1～1.2m，每段均應自下部起水平方向平移旋轉往返數次噴射完成后方可向上移行，噴射最初要先找平坑凹處（坑洼處較大時要提前掛網），之后將噴頭成螺旋形或“S”形緩慢均勻移動，每圈壓前面半圈，現場隨機調整噴射范圍，主要根據混凝土速凝效果來確定，最終保證混凝土面平順光滑；底層砼達到速凝效果后進行下一層噴射作業，兩層砼間隔宜控制在10～15min。

（4）調整混凝土回彈量。噴射過程中由于巖面、鋼筋或骨料相互碰撞而從受噴面上彈落下來的拌和物被稱為初期支護回彈量，回彈量的多少反映了噴射作業砼的浪費程度，取決于很多因素，主要包括兩類：一是操作原因如噴射位置、噴嘴角度、空氣壓力等；二是混凝土本身速凝劑參量、水泥標號及用量、原材級配及質量情況等。巖面初噴時回彈量較大，巖面反彈較多，因此在初期要盡量減小風壓，當初期支護形成砼塑性層后可加大風壓使砼束快速噴出，粗骨料也易嵌入底層砼從而減少回彈量。

（5）整平。隧道初支平整度直接影響外觀質量，平整度超標會給防水板鋪設等后續作業帶來質量隱患，因此保證初支平整度良好是初支施工質量控制的重要環節。HPS3016S混凝土噴射臺車原設置噴射能力在13～30m2/h，工作效率較高，但初支收面時難以控制，手柄最低只能將噴射能力調到13m2/h，收面時操作不當將會出現堆噴鼓包現象，導致初支表面平整度超標。經過廠家對風壓的調整，將最小噴射能力調至9m2/h。補噴掃面后將不會再出現初期支護上堆噴塊狀砼的現象，調整前后現場左右兩側初支平整度效果對比如圖2所示。

圖2 調整噴射量前后補噴效果對比圖

3.4 速凝劑的使用和參量調節

液體速凝劑參量的多少直接影響砼的硬化時間，液體速凝劑的敏感性和差異性每一批次均不相同，因此在噴射作業之前要根據試驗結果來確定基本的參量值，考慮到成本控制，只要能達到速凝的效果，參量越少越好。機械手的速凝劑泵送系統是可以調整的，實際操作時要同風壓一起確定計量泵流量。

3.5 特殊部位處理

（1）上臺階初期支護噴射砼施工。隧道起拱線以上因為噴射面下垂的原因，初噴時砼與巖面通常難以黏結，噴射時要循序漸進地掃面堆噴。同時因隧道為單洞雙線濕陷性黃土隧道，進洞施工時為確保安全，上臺階預留核心土，核心土與拱頂間距離要大于1.4m，留給機械手操作空間，以便機械手可正常進行平移旋轉操作，進行濕噴作業。機械手上臺階噴漿作業如圖3所示。

圖3 機械手上臺階噴漿作業

（2）格柵主骨架處混凝土噴射。黃土隧道Ⅴ類圍巖設計采用“230”格柵拱架進行支護，鋼架間距為0.6m。格柵背后設置20mm×20mm鋼筋網片。主骨架間砼噴射較為容易，但拱架內部的初支砼層質量不宜控制。噴射到拱架內部時，要近距離（貼近）低風壓、上下左右變換噴射角度去噴。噴射混凝土量宜控制在10～15m2/h，噴嘴距拱架控制在0.5m左右。拱架的背后以同樣的方式進行操作，然后再充填鋼筋網背后，最后采取正常濕噴方法噴實拱架之間段落。

4 結論

（1）工程實例中鐵建大橋工程局集團第三工程有限公司蒙華項目張裕1#隧道初期支護前期濕噴施工過程中的經驗表明，混凝土坍落度控制在160～200mm時，HPS3016S混凝土噴射臺車噴射速度和噴射效果較好。

（2）HPS3016S混凝土噴射臺車進行隧道初期支護噴射砼施工具有提高效率、降低回彈率、減少污染、操作簡單等優點。

（3）HPS3016S混凝土噴射臺車進行隧道初期支護噴射砼施工噴射效果好，保證了初支的質量，但作業過程中要提供足夠的操作空間，把握好噴射角度及噴漿速度。