隧道施工中濕噴機械手的應用要點

葛俊海

（中鐵十八局集團市政工程有限公司，天津 300350）

1 工程概況

某隧道正洞長1.862 km，平導長1.860 km，洞身位于巖溶高原向盆地巖溶斜坡帶，正洞和平導噴射C25 混凝土和C20 混凝土。該隧道屬于分離式隧道，隧道洞口段結合地形地質及排水、道路交叉情況均設置不同長度的明洞結構段，明洞均采用鋼筋混凝土整體式襯砌結構。原施工方案中主要采用TK-500型濕噴機施工，出于施工進度、施工成本等方面的考慮，最終決定采用自動化程度更高、人工費、材料費、機械使用費更低且噴射效率更高的SPRITE SYSTEM CSS-3 移動式噴射系統。

2 設備選型及配合比

2.1 施工設備

結合本隧道工程實際并以進口區圍巖段為考核段進行了濕噴機械及混凝土噴射工藝的比選，并決定整個施工選用SPRITE SYSTEM CSS-3 移動式噴射系統（圖1），包括外加劑摻量、混凝土輸出量、送料補償修正值等設備各項數據主要通過PLC 控制系統控制，可以實現人機對話及工作狀態的實時檢測。

圖1 SPRITE SYSTEM CSS-3 移動式噴射系統

該設備整機尺寸200 cm×2500 cm×3400 cm，水平、垂直噴射高度分別為30 m 和16.8 m，整機重量15 500 kg，電機功率55 kW，混凝土輸送量5～30 m3/h，出口噴射壓力7～13 MPa，速凝劑箱容積1000 L，混凝土缸直徑×行程為20 cm×100 cm，料斗容積0.6 m3，泵送次數16 次/min。布料臂架型號為CSS-3，轉臺豎直轉角設計值為±180°，一臂、二臂和三壁長度分別為4.2 m、2.5 m 和3.5 m，各自舉升角度分別為±90°、180°和270°。噴嘴軸向轉角180°，徑向轉角±45°，臂架縱向滑移行程4.2 m。

2.2 原材料及配合比

2.2.1 原材料

該隧道混凝土濕噴主要使用水泥、粗細集料、減水劑、速凝劑等原材料：①水泥主要采用普通硅酸鹽水泥，并按照設計要求進行現場檢驗；②粗集料主要為粒徑≤15 mm 的洞砟自產花崗巖碎石，骨料采用連續級配，且含泥量控制在1%以內，泥塊含量控制在0.25%以內；細骨料主要為細度模數2.5～3.0、含水率5%～7%的河砂中砂，其中粒徑≤0.075 mm 的顆粒含量在20%以內，含泥量和泥塊含量不超過3%和1%；③本隧道濕噴混凝土混合料采用聚羧酸高效減水劑，按照試驗和試噴結果所確定的摻加量為水泥重量的0.8%；④采用AC-Ⅲ型速凝劑，按照水泥重量的5%控制其摻量，結合試驗和試噴結果，混凝土中摻假速凝劑后初凝時間和終凝時間分別為1～5 min 和5～10 min，混合料后期強度保存率超過90%。此外，還需要準備一般飲用水用于混凝土混合料拌和。

2.2.2 配合比設計

結合工程實際、現場試驗及試噴施工效果，若按照C20 配合比濕噴施工，泵送壓力會在施工開始后4～5 min 內快速升高，高出200 bar（20 MPa）并引發堵管[1]，而改用C25 混凝土配合比后堵管現象不再出現。C25 混凝土配合比為：水泥∶粗骨料∶細骨料∶減水劑∶粉煤灰∶速凝劑=410∶550∶1150∶5.1∶100∶20.4。

水灰比是影響混凝土混合料強度的主要因素，外加劑摻量是影響凝結時間的主要因素，根據設計強度，并綜合考慮混凝土回彈率、生產率、噴射厚度及和易性等要求，如果水灰比過大，回彈量會增大，速凝效果變差，混合料強度降低；如果水灰比過小，則水泥不充分水化，混合料強度降低，增大噴射施工困難[2]。施工中必須根據工況的改變和施工要求而不斷調整混凝土配合比，在確保設計強度的基礎上將塌落度控制在120 mm±20 mm 范圍內。本工程采用HZ-90 型拌合站進行混凝土拌和，拌合時間控制在60 s/次，制備好的混合料運輸時間控制在2 h 內并隨拌隨用。

3 機械手濕噴工藝

制備好的濕噴混凝土主要借助噴射設備壓縮空氣和其他動力的推動而通過專用管道輸送至噴射管道內，并對待噴面高速噴射，使混凝土充分凝結，以實現隧道洞身初期支護和永久性支護的目的。濕噴混凝土施工質量主要與原材料質量、性能、配合比以及施工方法、施工條件等有關。

3.1 待噴面準備

為確保混凝土濕噴施工質量，應在噴射開始前加強噴射巖面處理，具體包括去除危石，噴水并充分清洗巖面等，以避免巖面存在異物影響混凝土和巖面的黏實度，對于滲水較大的巖面，還應事先做好引排水工作。

3.2 濕噴機械手操作

濕噴機風壓控制在0.6～1.2 MPa，并嚴格控制噴頭與待噴面的距離，若距離過近，則壓縮空氣會吹走待噴面所粘結的混凝土材料，增大粗集料回彈量，相反則會影響噴射粘結效果，增大混凝土混合料損耗。本隧道洞身混凝土濕噴噴頭與受噴面距離控制在0.5～1.2 m。噴射施工過程中，應始終保持噴頭垂直于待噴面，如果待噴面覆蓋有鋼筋網、格柵等材料時，則應略微傾斜噴頭但不能超出30°。一旦噴頭和待噴面之間的角度過小，因噴射速度和強度較大，混合料必然會在待噴面發生滾動，增大粗集料回彈，影響噴射質量和平整度。

濕噴機械手活動范圍大，其分段、分部噴射長度應控制在6 m以內，并從左右邊墻開始向拱部分層噴射，噴頭應以螺旋狀圓周形式運動，運動直徑控制在20～30 m，且后圈與前圈應重合1/3。濕噴機械手對隧道洞身墻部及拱部的一次噴射厚度可達10 cm和7 cm 以上，混凝土塌落度是影響噴射厚度的主要因素，為控制塌落度，必須嚴格控制速凝劑摻量。

4 施工效果評價

本隧道洞身所采用的SPRITE SYSTEM CSS-3 移動式噴射系統比原施工方案中選用的TK-500 型濕噴機在施工工效、施工安全、施工成本等方面均具有顯著的優越性。

4.1 快速性

在正常工況下，該移動式噴射系統噴射量在7.0～25.2 m3/h，比原方案所使用的TK-500 型濕噴機3～4 m3/h 的噴射量高出4倍左右；其移動式噴射系統行走和噴射臂均以內燃發動機為主動力，行走速度快，驅動靈活，從開機至其大小臂移動至待噴射部位僅需10 min 左右[3]，而TK-500 型濕噴機需要通過裝載機將所有機械和放料盤均運輸至待噴部位，再依次連接電纜、風管及速凝劑管，準備過程至少需要30 min。

4.2 安全性

TK-500 型濕噴機噴漿時，操作手必須手持噴頭和噴漿管，近距離施工，很容易因掌子面圍巖差而發生落石傷人、噴射反彈傷人、粉塵危害等事故。而移動式噴射系統噴漿支護過程中，操作手可站立于安全位置通過長度15 m 的控制線遙控操作噴射臂，安全性大大提升。

4.3 經濟性

以該隧道進口平導段35 m 噴射施工長度為例，進行了移動式噴射系統和TK-500 型濕噴機施工數據的統計和比較分析（表1）。SPRITE SYSTEM CSS-3 移動式噴射系統和TK-500 型濕噴機實際施工方量均為63 m3，前者噴射時間6.4 min/m3，綜合回彈量13.5%，人工費、材料費和機械使用費共335.54 元/m3；后者噴射時間10.99 min/m3，綜合回彈量29.5%，人工費、材料費和機械使用費共346.7 元/m3。前者經濟性顯著，回彈率低，工效高。

表1 SPRITE SYSTEM CSS-3 移動式噴射系統經濟性比較

5 結論

綜上所述，本隧道工程施工所使用的SPRITE SYSTEM CSS-3 移動式噴射系統，施工機械化程度高，回彈量小，作業環境好，安全性高，經濟效益和社會效益十分顯著，但是由于人工技術水平高低及噴射手熟練程度使得施工平整度問題仍未得到較好控制。另外，必須通過高效科學的組織，提升施工速度，并采取噴頭處安裝距離傳感器、加強噴施距離動態控制、噴施軌跡合理設計、增強人機對話等措施進一步提升機械施工效率和施工質量。