隧道工程施工中濕噴機械手應用技術要點

王慧敏

（中鐵十七局集團第五工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國目前中西部地區鐵路大規模建設，因為高原地形因素，長、大隧道在新建鐵路中頻繁出現，為克服高原隧道缺氧環境，推廣機械化快速安全施工，同時對隧道的初期支護提出更高要求。目前隧道初支干噴技術已經嚴禁使用，全面采用濕噴工藝。濕噴工藝通常有2種：一種采用普通臥式濕噴機；一種采用大型濕噴機械手。在當金山隧道2#斜井工區使用機械手，具有施工效率更快、穩定性更強、施工周期較短以及混凝土噴射范圍更廣等多方面優勢，目前機械手在各大隧道工程項目建設施工中應用非常普遍，并且取得了良好的施工效果，提高了隧道工程項目整體施工進度和質量。

1 工程概況

當金山隧道位于甘肅省阿克塞縣境內，北側為阿克塞盆地，南側為柴達木盆地，其中南側屬于高原地區，常年干燥少雨，風力強盛，地表巖石裸露，植被稀少，缺氧嚴重。中鐵十七局集團有限公司敦格項目經理部二分部負責2#斜井工區施工，施工駐地位于當金山南側，海拔3300m。主要施工內容為2#斜井XK0+000～XK2+624，長度2624m；平行導坑PDK202+618～PDK207+500，長度4882m；正洞DK202+618～DK209+293段，長度6675m；2#豎井442m。施工中全部采用濕噴機械手進行初期支護，通過2015年10個月的施工，在初期支護施工質量、施工效率、回彈量等方面效果明顯，大大加快了施工速度。

2 濕噴機械手工藝設備選擇和材料制備

2.1 濕噴機械手設備選型

在本次當金山隧道2#斜井工區的施工過程中，初期濕噴過程中采用的是小型濕噴機械設備進行混凝土噴射施工，但是在實際施工中發現，這種小型的濕噴機設備對周圍的環境影響相對較大、工作人員的工作強度較高，同時工作人員容易缺氧，外加劑材料的使用量控制不精確，濕噴工作進度比較緩慢，無法滿足本次隧道工程項目施工要求。隨后工程施工單位引進湖南五新濕噴機械手（CHP20B車載式混凝土噴漿車），最高的混凝土噴射速率可以達到25m3/h，這種機械手主要是由混凝土泵、噴射臂、液壓系統、空氣-水-添加系統、空壓機、高壓清洗水泵、電纜盤以及底盤等多個部分構成，如圖1。

圖1 濕噴機械手

2.2 混凝土配合比

噴射混凝土配合比和混凝土的實際噴射速度、回彈率、混凝土材料的初噴厚度大小之間有著直接的關聯。基于標準的設計工作強度，對水灰比進行有效設計和優化，在配合比設計時，需要將重點放在混凝土材料的和易性以及速凝劑材料的選擇方面，需要保證混凝土材料的坍落度控制在9cm～13cm之間，同時要保證具有更高的粘聚性效果，將混凝土的回彈率大小控制在15%范圍之內，當金山隧道2#斜井工區噴射混凝土的配合比見表1。

表1 高原當金山隧道機械手噴射混凝土配合比

濕噴混凝土施工過程中，所使用的原材料主要包含水、泥沙、碎石以及水泥，本次項目工程施工中，水泥選用的是42.5水泥，在正式開始使用之前需要有效做好強度實驗工作。砂材料細度模數需要超過2.5以上，碎石材料選用的是質地比較堅硬的，同時顆粒直徑不超過15mm進行壓制，要保證材料的級配符合混凝土的噴射施工要求和標準，需要對混凝土原材料的噴射施工質量進行有效控制，有效降低混凝土材料的基礎回彈量，同時避免大量粉塵對其產生嚴重的影響。但是因為噴射混凝土的施工工藝特點，對不同的混凝土噴射部位以及噴射環境條件都有要求，需要對混凝土原材料的配比參數進行適當地調整，以此使混凝土材料符合實際施工條件。

2.3 速凝劑添加

在隧道工程項目正式開始施工之前，需要在濕噴混凝土材料中加入一定量的速凝劑，然后再使用機械手將材料均勻地噴射到隧道工程項目的內表面，以此來有效提高對隧道表面的保護效果。濕噴混凝土施工原理和普通的混凝土施工原理存在很大的差異性，其不但具有施工效率更快、穩定性更強以及成本更低等多方面施工優勢，同時還可以省略一些復雜的模板支設工作環節，噴射完成之后材料的密實程度更強、穩定性更高[1-2]。

3 機械手濕噴工藝流程

3.1 前期準備工作

在混凝土濕噴工作正式開始之前，相關施工人員需要有效檢查巖體表面的濕潤程度，需要保證噴射面部存在嚴重的開裂以及材料破損等情況，然后才能進行后續的混凝土濕噴工作。如果混凝土材料表面出現比較嚴重的破損問題，必須要對表面進行徹底清理，需要保證巖體表面的廢渣和浮石完全被清理之后，才可以充分保證混凝土材料和被噴射的巖體結構表面形成更強更穩定的粘接[3-4]。

3.2 濕噴工藝流程作業要點

濕噴機械手在噴射施工過程中需要保證混凝土材料顆粒直徑不超過1cm，同時混凝土材料的坍落度需要控制在9cm～13cm范圍之內。在混凝土噴射工作中，需要有效控制工作風壓外接工作，風壓需要控制在0.4～0.6MPa之間，與此同時，在工作過程中風壓大小與實際混凝土材料的和易性有著直接的關聯，混凝土材料的和易性越高則所需要的工作風壓強度越小。在混凝土噴射施工之前，需要保證在機械手達到作業區域之后，通過使用自帶的高壓風對巖體表面進行充分清理，通過清理受噴表面的浮渣、碎石，有效保證混凝土噴射完成之后和巖體結構表面充分粘接，以此來全面提高混凝土材料的附著效果。在混凝土噴射施工過程中，要求機械手操作人員必須要具有足夠的工作經驗保證整個操作更加嫻熟，要保證機械手的噴頭和巖體表面之間形成垂直狀態。

噴射過程中的距離控制在0.8m～1.2m范圍之內，混凝土噴射施工過程中需要保證分層分段由下而上進行噴射，先進行第1次噴射厚度大小為3cm～5cm，然后再進行第2次噴射。直到達到標準的混凝土噴射施工厚度。相關操作人員需要根據不同的噴射位置，合理調整混凝土的噴射速率以及速凝劑的使用量，邊墻位置噴射混凝土速率控制在18m3/h～20m3/h，拱部位置混凝土噴射速率為15m3/h，邊墻噴射混凝土速凝劑的實際摻入量范圍在3%～5%之間，鞏固混凝土噴射速凝劑的實際摻入量為7%。混凝土的供應需要保證連續不間斷，如果在混凝土噴射工作中經常產生停機問題，很容易出現噴頭位置產生堵管情況，后續的清理工作比較困難，會直接影響到整個作業效率，混凝土噴射完成之后需要對機械手進行及時清理，同時要有效做好外部保養處理工作。濕噴機械手工作原理見圖2。

圖2 濕噴機械手工作原理

在對本次隧道工程項目內部混凝土噴射過程中，要求成型之后的混凝土厚度范圍控制在5cm以上，并且需要分為兩次進行噴射。首次噴射工作結束之后，需要對被噴射面部位進行徹底沖洗，然后再進行后續的二次噴射施工作業。其次，必須要有效控制噴射工作過程中的分體壓力、水體壓力以及混凝土的實際回彈量大小，噴射完成之后需要經過2h以上的終凝時間，然后對其進行有效養護處理，養護工作時間需要達到7d以上。如果在混凝土噴射過程中，被噴射邊結構的表面存在比較嚴重的凹凸不平問題，或者是不符合風壓和水壓的工作要求，必須要對其進行及時補充噴射，如果需要開挖已經完成噴射的混凝土，需要將實際開挖工作時間控制在噴射工作結束后4h左右[5]。

4 濕噴機械手施工質量控制要點

4.1 噴射混凝土平整度控制

因為濕噴混凝土施工過程中，采用的是分層噴射施工方法，混凝土自身的附著效果相對較強，混凝土噴射完成之后表面的平整程度以及材料的密實程度可以得到有效保證，達到混凝土表面充分平順，同時密實程度符合施工標準。通過實踐工作分析得出，濕噴機械手在使用過程中，通過動大臂與小臂的操作方法，需要有效做到大小臂相互之間的協調旋轉，同時還需要有效控制小臂的位移速度，有效保證混凝土材料噴射的平整程度。濕噴機械手現場作業見圖3。

圖3 濕噴機械手現場作業

4.2 混凝土強度與厚度

在混凝土噴射工作過程中，噴射混凝土的強度需要從材料的配比設計、水灰比控制以及速凝劑的選擇等方面著手，有效保證混凝土的使用質量。在混凝土噴射工作過程中，噴射機械手需要通過混凝土泵以及外加劑添加設備，將預先制備完成之后的混凝土在噴頭位置進行速凝劑的準確添加，保證不同位置混凝土噴射速度和速凝工作時間相符合，有效提高噴射完成之后混凝土的成型強度和穩定性。通過現場的驗證，保證混凝土的抗壓強度達到標準的設計工作要求，在混凝土噴射工作過程中，可以通過采取現場預埋鋼筋頭分層噴射方法，保證混凝土的噴射使用厚度。混凝土噴射結束之后需要進行后續的養護處理工作，在實際養護工作中需要滿足以下要求：（1）需要保證混凝土噴射凝固2h之后，通過使用養護臺架對表面進行充分濕潤處理，并且實際養護工作時間不能小于14d。（2）當隧道工程項目內部的氣溫低于15℃的情況下，禁止進行噴水養護處理。

5 結束語

綜上所述，在本次項目工程施工過程中，工程施工單位通過采用濕噴機械手進行混凝土噴射，在整體的施工效率、施工質量以及成型之后的穩定性等方面都得到了全面提升，有效控制不必要的施工原材料浪費問題，整體的施工經濟效益和社會效益相對較高，因此該項技術在后續的發展過程中，將會得到更加廣泛的應用，從而推動我國鐵路交通事業不斷朝著更高目標和方向發展。