探討濕噴機械手噴射混凝土厚度對回彈率的影響

楊偉華

(中鐵二十二局集團第五工程有限公司,重慶 400700)

近年來,我國工程建設行業的迅猛發展,濕噴法逐漸取代干噴法,在公路、鐵路隧道施工中得到較為廣泛應用,伴隨著機械化程度的日益成熟,濕噴機械手也被應用在越來越多的工程建設當中取得了良好的效益。如某鐵路工程[1]引進鐵建重工HPS3016S 型混凝土濕噴臺車,整機機動性好、自動化程度高、臂架噴射范圍大、性能穩定、操作簡單。田克昭[2]以CIFA CSS-3 型型混凝土濕噴機械手為例提出了機械手操作的噴射角度、噴射距離、噴射順序以及機械手噴頭的移動均對噴射效果造成一定影響,明確了機械手的噴頭與受噴面之間的最佳保持距離為1.0～1.5m。曾磊[3]通過對一年中氣溫差異較大的夏冬兩季水泥成份含量變化的檢測與分析結合速凝劑與水泥的作用機理,研究了液體速凝劑在水泥成份含量變化后對凝結時間的影響。卜小龍[4]在鷓鴣山隧道通過現場試驗研究引用了增粘速凝劑,結果表明,增粘速凝劑相對于目前市場通用的速凝劑,其摻量更低,反應速度更快,使用范圍更廣泛,可使混凝土與圍巖的粘結更強。肖軍等人[5]在已有室內基準配合比上進行深入研究,在某隧道現場進行了現場濕噴混凝土試驗試驗,得到了現場濕噴混凝土配比參數建議值。趙華鋒[6]針對PM500PC 型機械手噴射所作業參數,混凝土坍落度等進行了設計。

國內在整裝機械化、機械手噴射工藝、噴射混凝土用速凝劑的研究和工程實踐已取得了一定的成果和經驗。但仍然存在濕噴機械手在富水、材料性能、機械手作業方法等復雜條件的影響下回彈率過大的問題。降低濕噴機械手回彈率,有效保障作業人員職業健康,提升生產效率,降低施工成本,仍然是濕噴機械手應用需要繼續解決的問題之一。本文以銀西高鐵大斷面黃土弱富水隧道的工程實踐,應用現場測試方法,重點以濕噴機械手“一次噴射厚度”的這一影響因素為研究對象,分析不同部位及工序環節的一次噴射厚度對濕噴回彈率的變化規律,以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣境內,是銀西高鐵的控制性工程之一,西安端進口位于黃家溝左岸斜坡,銀川端出口下穿焦村鄉,位于街上村黃土塬頂。起訖里程:DK207+517.55～DK214+300,全長6782.45m,隧道拱部、洞身呈軟塑狀態黏質黃土,圍巖穩定性差。

按照新奧法原理進行設計,采用復合式襯砌,Ⅴe 復合式襯砌,初期支護采用I25a 型鋼鋼架,間距0.6m/榀,網噴C25混凝土,厚度35cm。

2 濕噴機械手基準工藝參數選取

2.1 機械配置

選用1 臺鐵建重工集團研制的HPS3016S 車載式混凝土濕噴機械手。該設備采用的是四輪驅動、四輪轉向系統,總質量19.5T,最大爬坡度不大于58%,最高車速20Km/h,方便工地調配,濕噴機械手設備參數如表1。

表1 鐵建HPS3016S 型設備參數

2.2 人員配置

濕噴機械手配備操作手1 人,加裝速凝劑工人1 人,安裝管及掌子面清理普工2 人。

2.3 濕噴機械手作業參數

結合現場實際情況,考慮本隧道機械手回彈率多因素影響研究,擬定采用濕噴機械手施工作業參數:

2.3.1 濕噴機械手工作適宜的水膠比為0.4～0.5,砂率55%,坍落度100～130mm。

2.3.2 噴射角度采用垂直噴射方法,噴射順序為分片、分段自下而上,先找平坑凹處,之后將噴頭呈螺旋形或S 形緩慢均勻移動,每圈要壓半圈,旋轉直徑＜30cm,噴嘴噴射過程中連續、緩慢做橫向或環向移動。

保水劑稱高吸水劑、超強吸水樹脂(superabsorbent polymer，SAP)，是一種能夠吸收自身原來尺寸和重量數倍水分的化合物。保水劑吸水后形成的水凝膠可緩慢釋放水分供作物利用，同時又能增強土壤保水性，改良土壤結構，影響土壤理化性質、作物根系生長發育等，進而影響水分和溶質在土壤中的運移規律和作物生理機能，提高化肥的利用率（見圖1、圖2、圖3）。

2.3.3 噴頭和受噴面之間的距離設定0.8～1.2m 之間。環向分片4～6m 一段,分片寬度1～1.2m,邊墻首次噴射厚度應控制在10～15cm,拱部首次噴射應控制在5～10cm,復噴時拱部噴射厚度4～5cm,每次噴射間隔5～10min[7]。

2.3.4 工作風壓設定在0.2～0.4 MPa,噴射過程中,邊墻噴射混凝土速率一般為10～20m3/h,拱部噴射混凝土速率約為10m3/h。

3 回彈率測定方法

傳統回彈率檢測方法是采用在現場鋪墊塑料收集噴射混凝土,以收集的回彈物質量除以噴出總質量計算回彈率,受場地、收集方法等不確定因素影響較大。考慮濕噴料配比中主要骨料為5～10mm 瓜米石,因此由此單一因素進行計算回彈率,遵循如下公式[8]進行計算:

式中,K- 混凝土濕噴回彈率,%；q- 罐車出料口取定量樣品篩洗碎石烘干質量百分比；q1- 噴砼面已粘結料取相同定量樣品篩洗碎石烘干質量百分比；q2- 回彈料中取相同定量樣品篩洗碎石烘干質量百分比。

3.1 測試用具

3.1.1 量程為50Kg 電子秤1 臺。

3.1.2 篩網:網孔一般采用4.75mm 篩孔,無破裂、無松弛。

3.1.3 取樣袋若干,以裝3Kg 樣品重量為宜。

3.2 測定方法

3.2.1 從罐車出料口取攪拌好的濕噴混凝土樣本3 份,每份重2Kg,稱重求樣本平均值,記作Q。然后用篩網立即篩洗去掉全部細骨料及膠凝材料,篩分后骨料烘干測定粗骨料重量,然后求三次稱重平均值,記作Q'。

在回彈料中取試樣3 份,每份重約2Kg；在噴砼面已粘結料取樣3 份,每份約重2Kg；同樣方法以公式(2)測出q1、q2。

3.2.3 用公式(1)計算回彈率K。

需要注意取樣要有代表性,取料位置應均勻分布。回彈物中取料時,盡量選取回彈料偏多的部位,以免摻入過多雜物影響計算誤差；噴砼面已粘結料中取樣時,位置應分散,不宜過于集中；罐車出料口取料時應在混凝土漿體比穩定時取樣。

4 噴射厚度回彈率影響規律分析

機械手進行混凝土噴射作業時,按照先邊墻,后拱腳,再拱頂的順序,分層分段進行,過程中,要控制好各層厚度,保證其均勻性。實踐中發現噴射厚度薄則容易產生回彈量較大[9],噴射厚度較厚則易出現成片滑落或流淌,而且因前后分層噴射時間長短的影響,噴射混凝土質量常常不穩定,噴射回彈量不易控制。為此,考慮拱部、邊墻的初噴、復噴工作程序,并針對噴射厚度2cm、3cm、5cm、6cm、8cm、10cm 六種工況條件,同時結合前后兩層噴射間隔時間按5min、8min、10min 時程條件對噴射混凝土回彈率進行實測分析。

由表2 結果分析可知,拱部初噴過程中不同層厚表現噴射混凝土回彈率不同,且呈現出越薄或者約厚均出現回彈率較大的情況,且隨著厚度增加噴射混泥土回彈率降低,但增加到一定程度就會出現回彈率逐漸增大的情形,分析為在最初的階段,混凝土的回彈率是最高的,隨著受噴面的厚度達到3cm 后,混凝土的回彈率逐漸降低,說明:噴射時,連續的噴射混凝土在射速穩定條件下對反彈物有二次嵌入的作用,可以降低回彈率。但是隨著一次噴射厚度增加,骨料粘結作用因堆積和擾動作用,實粘體不足以承擔后噴混凝土重力而出現混凝土滑落、流淌,導致噴射混凝土落物增大。

表2 拱部初噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

另一方面,前后兩層噴射間隔時間也對噴射回彈量影響較大,一般情況下隨著間隔時間增大而噴射回彈率增加,這是由于隨著時間推移,前一層混凝土硬化粘結效果越來越明顯,從而后層混凝土在噴射時的反彈作用大,噴射骨料堆噴嵌入作用下降,而引起回彈量增加。

通過對表2 數據分析得到:拱部初噴適宜的每次噴層厚度5～6cm,前后兩層噴射間隔時間宜控制5min。

由表3 結果分析可知,拱部復噴時,隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,拱部復噴適宜的每次噴層厚度2～5cm。前后兩層噴射間隔時間宜控制5～8min。

表3 拱部復噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

由表4 結果分析可知,邊墻初噴時,隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,邊墻初噴適宜的每次噴層厚度4～6cm。前后兩層噴射間隔時間宜控制在5min。

表4 邊墻初噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

由表5 結果分析可知,邊墻復噴時,也會隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,邊墻復噴適宜的每次噴層厚度4～5cm。前后兩層噴射間隔時間宜控制在5min。

5 結論

5.1 通過對比表2～表5 分析可知,隧道分拱部及邊墻兩部分,噴射過程中,初噴時回彈率＞復噴回彈率＞邊墻回彈率,這是由于拱部為曲面,實粘體不足以承擔后噴混凝土重力而出現混凝土滑落、流淌,導致噴射混凝土落物增大。

表5 邊墻復噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

5.2 當初噴噴層厚度5～6cm 時,噴射砼受風壓、堆噴作用,連續的噴射混凝土在射速穩定條件下對反彈物有二次嵌入的作用,可以降低回彈率,但厚度進一步增加后噴射混凝土回彈量反而增加。因此,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,轉換下一段進行噴射,應等混凝土初凝后在回過來復噴,復噴應按照2～5cm 為宜分層噴射并直至設計厚度。

5.3 噴射作業環向分片宜4～6m 一段,寬度宜1～1.2m。噴射作業應避免一次過薄回彈量大或一次過厚下墜流淌,邊墻初噴時一次噴射厚度應控制在4～6cm,拱部初噴時一次噴射厚度應控制在5～6cm,復噴時拱部噴射厚度4～5cm,每次噴射間隔5～8min。