濕噴機械手在鐵路隧道初期支護施工中的應用

李海濤

（中鐵二十二局集團市政工程有限公司，廣東 廣州 510800）

0 引言

高鐵隧道施工作業復雜、難度系數大，而濕噴混凝土工藝的出現，有效優化了隧道開挖支護階段的施工難度，為其后續作業推進提供了適宜、便利的基礎條件，從根源上強化了隧道作業的質量以及整體安全性能。但結合實況來看，影響隧道初支施工效果的主要原因除了難度系數過高以外，還和其極易受到外界因素干擾有所關聯。鑒于此，為了整體強化隧道施工作業的效果，就應準確把控工程使用工藝的特征優勢，做好技術要點控制工作，通過切實可行的策略手段，確保高鐵隧道作業的質量與標準要求相契合。

1 工程概況

長株潭城際軌道交通地處長沙、株洲、湘潭城市群中心地帶，是長株潭城市群鐵路交通網的核心部分。該標段施工段為長株潭城際鐵路綜合Ⅱ標段正線DK23+417.79～DK36+025，繞行線XDK24+750～XDK29+900，該管段隧道多，共有10 座，有羅家壩隧道、趕竹坡隧道、地山沖隧道、陳家灣隧道等，共長1999.24 延長米，多屬于淺埋暗挖隧道，地質較差、巖層破碎。

2 施工指導原則

突出施工重點，主攻陳家灣隧道、礦山法隧道施工，強化錨噴支護強度，控制防水襯砌質量。以“安全生產”為核心，強化配置“超前地質預報”“開挖爆破”“通風排煙”“裝砟運輸”“錨噴支護”“防水襯砌”幾條機械化作業線。以先進的大型機械設備配套和技術手段為基礎；以科學管理、合理組織為手段，在Ⅳ、Ⅴ級圍巖及斷層、涌水、淺埋段、巖溶等不良地質情況施工地段，做到一個“穩”字，確保工期、質量、安全、效率各項目標的實現。

該標段隧道所屬地段原始地貌單元屬湘江Ⅱ級沖擊階地，階地主要由第四系中更新統粉質黏土、砂卵石層組成，主要以丘陵低中山區為主，地形起伏不大。工程開展區段具備圍巖成因繁雜、類別多樣化的特點，涵蓋了板巖、砂質板巖、泥質板巖以及泥質粉砂巖等多種巖層。這就決定了圍巖類別對機械設備性能、噴射混凝土工作性能提出了更高的要求。為節約人工、材料成本，縮短工期、增大效益奠定基礎。因此，經過比對優選，特以混凝土濕噴機械手應用到隧道初期支護中。

3 噴射設備選擇

混凝土濕噴機械手是地下隧道工程中一種大型混凝土噴射設備。濕噴混凝土配合比易于控制，施工時，混凝土在拌和站生產后運至濕噴機，利用壓縮氣流的作用，將攪拌材料與快速固化材料混合在一起，之后噴灑在受噴面上。在這一過程中可以全面保證其配合比處于可控狀態中，以此才能為混凝土噴射的效果提供全面保障，此外其還具備大幅度降低機旁和噴嘴外的粉塵實際濃度系數、強化生產率、降低回彈度、削減人工使用數量優勢，同時也有著行走、泵送以及噴射功能，是隧道混凝土初支的重要裝置。而該工程選擇使用的噴射設備Potenza 噴射機和TK-961 濕噴機作業其具備安全環保、噴射質量優、回彈概率低、適應性佳、操作便捷的特點。Potenza 噴射機運輸方式如圖1 所示。

圖1 噴射混凝土一體化配置方案圖

4 操作控制要點

4.1 施工前準備

濕噴混凝土施工之前，應根據有關規定，圍繞施工場地的具體情況，做好相應的前期準備工作。首先，施工人員需要借助專業手段檢測風壓系統的穩定性，確保其與實際要求相契合，在正式開展噴濕作業前，還應通過空轉的方式對進料口的安全性和穩定性進行檢測；其次，需要借助測量設備獲取準確無誤的圍巖尺寸信息，保證隧道外部輪廓平滑，對于開挖不足的部分應立即修補，并將漂浮的砂石除去，然后使用高壓水流沖洗待噴表面的雜質；最后，應針對隧道墻體有無滲漏現象進行全面仔細的檢測，如果有滲漏部位，在第一時間采取防水防護措施對其進行維護，對于水分不足的區域，應在噴射作業之前進行適當噴灑水工作，以確保其水分含量充分，強化巖體的黏附性。

4.2 配合比設計

4.2.1 配合比設計技術規范

根據《鐵路混凝土工程施工質量驗收標準》（TB10424—2010）規定，混凝土水膠比為0.4～0.5，砂率宜為45%～55%，水泥用量不宜小于400kg/m。

4.2.2 原材料的選用

（1）水泥：PO42.5 瀏陽南方牌普通硅酸鹽水泥。

（2）細骨料：湘江湘陰天然河砂，細度模數≥2.5，含泥量≤3.0%；泥塊含量≤0.5%。

（3）粗集料：粒徑在5～10mm 的碎石，分級均勻，含泥量在1.0%以下，泥粒含量在0.2%以下。

（4）速凝劑：北京金盾JD-12 型液體速凝劑。

（5）減水劑：山東華偉銀凱新型高效聚羧酸類減水劑。

（6）水：日常飲用水。

4.2.3 確定試配強度

該工程強度等級采用C25；坍落度為140～180mm。根據《普通混凝土配合比設計規程》（JGJ55—2000），配制強度采用下式確定：

f= f+ 1.645= 25 + 1.645×5.0 = 33.2MPa

4.2.4 確定水膠比

因計算水膠比不符合最大水膠比的限制要求，故W/B=0.41

4.2.5 確定單位用水量

根據外加劑性能并考慮混凝土耐久性要求，同時聚羧酸高效減水劑摻量取1.0%，而減水率為30%，根據配合比設計規程規定，故用水量為

m= Mwo×(1 -)= 264×(1 - 30%)= 185kg

4.2.6 確定膠凝材料（水泥）用量

m= m/(/)= 185/0.41 = 450kg

4.2.7 確定外加劑用量

已知設計坍落度為160～200mm，碎石單粒級配采用5～10mm，m=450kg，摻加聚羧酸高性能減水劑，減水率為30%，摻量為1.0%；速凝劑摻量為4.0%。

= m×= 450×1.0% = 4.50kg

= m×= 450×4.0% = 18.0kg

4.2.8 確定砂率、粗細集料用量

β= 50.0%(根據前期混凝土和易性調試后取值)

設m= 2350kg/m

解二聯式得：m=858kg/m

m=858kg/m

4.2.9 確定配合比

在通過科學計算方式獲得配合比的前提下，應開展合理的試拌作業，在完成該環節作業后，應進行噴射實驗，明確其效果良好度后，便可明確其基準配合比：

C∶S∶G∶W∶減水劑∶速凝劑=450∶858∶858∶185∶4.5∶18

按此配合比進行拌制，混凝土坍落度為165mm，混凝土流動性、黏聚性、保水性良好，混凝土拌和物性能符合施工要求。對明確的試拌配合比例方案，開展三種不同水膠比的強度測試，測試期限為28d，結果表明，混凝土的混合比例符合工程的設計和建造需要，并且經濟上比較合理。

4.3 高壓空氣壓強調整

為保證濕噴機械手的混凝土正常噴射，必須對高壓空氣壓值進行嚴密監控，確保其初始階段的壓力值大于等于0.5MPa。在實施噴射作業時，必須對噴管的高壓空氣壓力值進行測試，確保檢測數值大于0.2MPa，以此全面規避混凝土回彈問題。除此之外，在噴射邊墻、拱頂部位不斷變化的同時，高壓空氣的傳輸間距也發生了轉變，鑒于此，應第一時間對噴嘴出料的實際狀況進行檢測查看，并優化高壓空氣壓力值，以此強化濕噴混凝土作業的最終效果。

4.4 噴射劑量及液體速凝劑調整

在電動機連續運行時，應通過手輪調節速凝劑的噴射劑量，并通過顯示屏檢測查看其數值是否符合標準；尤其是當遇到巖面滲水時，可先噴砂漿，并加大速凝劑摻量，保證初噴后，再按原配合比噴射施工。除此之外，借助顯示面板還可以注入液體速凝劑。

4.5 噴射作業操作要點

4.5.1 在使用濕噴混凝土工藝之前，應先進行試機、基面吹洗及試噴工作。

4.5.2 采用自下而上、先填后掃的方式自下部邊墻開始，有規律地向拱頂進行噴掃，并在邊墻到達拱頂后，繼續噴射過程中可稍微增加1.0%的速凝劑，使混凝土加快凝結速度。混凝土噴射作業過程中應分層、分段、分片作業，且各分段的施工間距不得超過6m。

4.5.3 綜合分析各類噴射路線，考慮往復噴射、上下噴射、S 型噴射等多樣途徑與工程實況的適配度，最終挑選出恰當適宜的噴射軌跡。

4.5.4 濕噴機械手噴射鋼拱架段順序：鋼架底端和基礎表面連接部分的混凝土—鋼架底板的混凝土—鋼筋與墻體之間的混凝土—鋼架之間的混凝土。

4.5.5 在結束噴射工作之后，需要及時關閉泵送系統，此外，還應關閉速凝劑運輸以及高壓風系統，并全面仔細地清理、清洗輸料管路內壁。

4.6 噴射作業實際應用效果總結

結合長株潭城際鐵路陳家灣隧道實際噴射效果來看，噴射初期階段混凝土的回彈度最高，而當噴射厚度累計至2～3cm 之后，其回彈率便會降至最低，且逐步穩定；在噴射作業開展過程中，若依附在巖層之上的混凝土出現滑落狀況，且一次性噴射的實際過度為最大值時，應及時終止噴射作業，待混凝土初凝之后，繼續推進噴射工作。在實際開展噴射作業的過程中，應確保機械手的大臂噴頭處于墻體底部的施噴位置，之后利用小臂的自動平行功能，將其調整至與地面水平狀態，同時也應確保其與隧道的邊墻處于平行狀況，之后再行噴頭距離、角度調整工作，待所有調整環節結束之后，便可正式開展噴射作用，在實際噴射時，應時刻把控噴頭距噴面的距離、角度，并控制機械手的大臂，只需借助具備自動化功能的小臂完成伸縮工作，通過其2～3 次的緩慢、平行來回運行完成噴射作業；在這一工作完成后，可以調整大臂的位置，應注意其大臂的伸展距離應在30cm 左右，借助其完成垂直以及水平面的噴射工作，按照上述部分中提到的順序完成下一部位的噴射工作，在循環往復中便可結束圍巖的噴射混凝土初支作業。

軟弱圍巖的基底黏結能力優于硬巖，所以在噴射硬巖部位時底層厚度一定要薄，硬巖部位先用噴射混凝土掃底，然后再逐層增加噴層厚度，防止一次噴厚過大而產生滑落、掉塊；軟弱圍巖部位在噴射時，底層噴射可適當增加初噴厚度。

5 質量保證

結合長株潭城際鐵路十條鐵路隧道實際應用效果分析可知，混凝土拌和物在工程開展中性能的發揮效果、機械設備的運用效果、負責操作的工作人員自身水平、速凝劑的實際添加量、原材料的質量合格與否、混凝土配合比的科學與否都與噴層的實際效果有較大關聯，總結經驗如下：

其一，濕噴機械手噴射作業的過程中，采用分層噴射、“動大臂、移小臂”的操作要點，確保移動噴射點由點-線-面保證噴射混凝土的平整度。

其二，優化施工配合比，選擇質量穩定的液體速凝劑，嚴格控制水膠比和速凝劑摻量，保證噴射混凝土強度。

其三，在噴射作業開展之前，必須對巖石表面進行預處理，對于軟巖石，可以用高壓風吹掃，對于硬巖，可以進行水沖洗，以改善其與巖石的黏結強度。

其四，在噴射作業開展時，應按照施工規范，通過調節噴嘴到巖石表面的角度、距離、工作風壓、速凝劑用量，使其達到最優，從而減少噴射的回彈量。

其五，在一次濕噴結束后，間隔5～10min 再噴三次水，以避免因混凝土重量過大而產生的初凝受阻情況。

6 實施效果

6.1 工期方面

濕噴混凝土工序時間對隧道整體循環的影響較大，長株潭城際鐵路陳家灣隧道為例，圍巖斷面上臺階，如采用兩臺小型濕噴機同時作業需要10～14h，而采用一臺濕噴機械手則只需3～4h，綜合比較采用濕噴機械手對隧道提升開挖進度，節省工序循環時間有明顯的優勢。

6.2 質量方面

濕噴機械手的應用，可以對噴射混凝土質量實施有效的控制；更能促進單層襯砌的發展。在施工時，混凝土的配合比已于控制，另外，由于風壓的不同，濕噴機械手濕噴的混凝土附著力較好，密實度較高，強度遠高于傳統小型濕噴機20%以上，這也符合噴混凝土要求早期強度高的要求。

6.3 安全方面

在隧道工程中，圍巖越復雜，安全管理的需求越迫切，從危險區域劃分來說，濕噴工序是在各工序中的危險區域，因此在施工中要求：其一，在危險區域，工作時間越短越好；其二，在危險區域，工作人數越少越好。針對這兩個客觀要求，小型濕噴機是無法實現的，濕噴機械手可以較好滿足。越是危險區域，越要早高強。狹小區域、不安全地帶，對機械手而言才是發揮的舞臺。

6.4 成本方面

濕噴機械手回彈率較低，能有效控制成本，干噴回彈率達35%～50%，普通濕噴機回彈率為20%左右，而濕噴機械手的回彈率可控制在15%以內，所以濕噴的生產成本低，效益高。

7 結語

總而言之，在高鐵隧道工程中使用濕噴工藝時，應嚴格依循實際情況，挑選恰當科學的方式推進工程進度，以此確保施工效果的同時，采用濕噴機械手施工，提高了初支的機械化程度，尤其是隧道初支大面積施工時，有效改善了噴射混凝土的施工環境、提高了施工進度，確保了施工過程的安全及質量，節約時間成本與人工成本，實現最大化的經濟和社會效益。