濕噴混凝土施工技術在鐵路隧道工程中的應用

摘要：通過對石屋山隧道工程現有概況的闡述，得出適用于該工程的濕噴混凝土施工技術方法，即對該隧道的濕噴法施工機具、材料選用、施工要點、注意事項、勞力組織和施工效果進行了詳細闡述，通過分析濕噴試驗的技術經濟效果，認為濕噴技術有著干噴技術不可替代的優勢，具有施工機械化程度高、工作效率高、回彈量少、作業環境好、綠色環保、混凝土強度大、經濟效益和社會效益顯著等諸多優點。為今后相關的工程項目提供借鑒。

關鍵詞：鐵路隧道；濕噴混凝土；施工技術

中圖分類號：U455.4 """""""" 文獻標志碼：A" """""""" 文章編號：

Application of Wet Shotcrete Construction Technology in Railway Tunnel Engineering

Abstract：Through the description of the current situation of Shiwushan tunnel project，the wet shotcrete construction technology and method suitable for the project are obtained，that is，the construction machinery， material selection，construction points，precautions，labor organization and construction effect of the wet shotcrete construction method of the tunnel are elaborated，it is considered that wet spraying technology has the irreplaceable advantages of dry spraying technology，and has many advantages such as high degree of construction mechanization，high working efficiency，less rebound，good working environment，green environmental protection，high concrete strength， significant economic and social benefits.It provides reference for the future related engineering projects.

Keywords： railway tunnel;wet shotcrete;construction technology

0 引言

隧道工程作為一種特殊的工程類型，對于材料和技術的要求都較高。其中混凝土濕噴技術是一種被廣泛應用的隧道建設技術，它不僅可以提高隧道工程施工效率，同時還可以提高工程質量。本文將圍繞混凝土濕噴技術在隧道工程中的應用進行詳細研究。

1 工程概況

石屋山隧道的中段DK20+777.5 m，入口段DK20+180 m，出口段DK21+375 m，全長1 195 m，包括700 m的Ⅳ級和495 m的Ⅴ級。全隧道除了進隧道DK20+180～DK20+198和出隧道DK21+357～DK21+375為明洞外，其他隧道全部為地下開挖，并配有組合襯砌。該隧道從入口進洞，單向掘進，方向由小里程向大里程，入口使用偏壓式洞門，出口使用偏壓式明洞和單壓式洞門。

隧道為雙線隧道，最大埋深87 m，線路縱坡為4.6‰/1 195 m的單面坡。其中505.027 m隧道在入口端的直線上，689.973 m隧道在出口端的R=4 500 m左側曲線上。設計運行速度200 km/h（基礎設施運行速度250 km/h），線距4.6 m。隧道斷面見圖1。

2 機具設備、原材料選擇

為了防止噴射層變形后侵入二次襯砌的凈空，開挖時即加大預留變形量，采取了不均衡預留變形量技術。上臺階開挖時，每個周期的支護量不能超過V等級的1個鋼框架之間的距離，而IV等級的巖石不能超過2個框架之間的距離。每個周期的側壁支護進尺不超過2個鋼框架的間距。仰拱開挖前，需先進行鋼框架鎖足（錨管）錨固，單循環掘進進尺不超過3 m。

2.1 機具設備

在進行濕噴混凝土施工時，主要使用的機械設備有：2臺強制式攪拌機、1臺ZIAOB裝載機、1臺濕噴機、2臺混凝土運輸車輛（濕噴混凝土從攪拌站運出至隧道現場）。當腔體旋轉時，9個活塞圍繞著凸輪進行往復運動，將水泥源源不斷地注入到攪拌室中，混入壓縮空氣，流入傳輸管，形成稀薄流，再與噴孔出口計量泵送來的液態加速劑進行混合，最終形成一個料束，噴射到受噴表面。濕式噴射的主要特征為：流動性好；在傳輸管線上進行延伸，可以進行首次噴射作業；噴嘴可以與機械手相連，重新噴淋全斷面；該裝置具有簡易構造、易于清洗、保養的特征；本機對骨料級配，坍落度等有較高的要求，且施工簡便[1]。

2.2 原材料的選擇

根據噴漿混凝土的特性要求，選擇了以下幾種原材料。

1） 水泥材料為425號普通硅酸鹽水泥。

2） 砂粒選用當地河砂，粒徑為2.5 mm，粒徑為中等，砂顆粒級配見表1。所用的石料均為在碎石場過篩后的石料，碎石粒徑級配見表2。

3） 外加劑由以下物質組成：①減水劑：由于對坍落度指標有一定需求，所以在噴射混凝土過程中會出現大水灰比。當水泥與混凝土結合時，剩余水分將會被蒸發，從而造成噴射混凝土的干燥開裂，導致噴射混凝土的承載能力下降。在相同的坍落度下，摻入茶基超塑化劑的混凝土的減水率超過12%。減水劑的加入量可由試驗確定，一般在0.4%～1.0%之間。②速凝劑：在噴射混凝土技術中，當混凝土束與噴射面結合時，一定要快速固化。一方面，其能夠阻止混凝土材料的堆積，并使其呈現出塊狀脫落，構成一個墊層，降低回彈，增加噴射層的厚度。另一方面混凝土必須快速硬化，達到一定的強度后才能起到支撐作用。在濕法噴霧中，通常使用液體速凝劑[2]。

在濕式噴射機身上設有一個流量可調的定量泵和一個速凝劑儲罐。定量泵將從儲罐中導入的速凝劑，通過橡皮管輸送到噴嘴中，利用噴嘴中的壓縮氣體將速凝劑霧化，然后與物料一同輸送到被噴涂物表面，通過與物料發生化學反應而迅速凝固。

通過試驗，得出該速凝劑的初凝時間在1 min～4 min之間，終凝時間為2 min～10 min。其后期強度保持在90%以上。速凝劑的用量≤5%。液體速凝劑是堿性的。在進行噴射混凝土施工時，做好個人保護工作，在噴射混凝土施工初期，會有一股刺鼻的味道，使施工人員的鼻腔和口腔粘膜感到不適，需15 min才能適應。

4） 混凝土拌合料的和易性是一個綜合的技術特性，反映了混合料的流動性、黏結性、持水性等特性，直接影響到噴射混凝土的施工和質量。混凝土拌合物的和易性是用混凝土的坍落度來表示的。濕式噴射機的適用范圍為3 cm～20 cm，后盤混合料之塌落度在8cm至16cm之間。由于在攪拌過程中加入了減水劑，因此（每隔十幾分鐘，甚至超過30 min）將物料輸送到濕噴機的上料盤上，盡管會延遲，坍落度會減小3 cm～8 cm，但是物料仍然可以順利地從濕噴機中噴出。

3 濕噴混凝土施工技術

在標段范圍內，施工單位采用C25級細石混凝土進行施工。為降低回彈、提高施工質量，對噴射混凝土進行了機械濕式噴漿，并進行了手工濕式噴漿試驗。混凝土按照設計配比進行稱量，砂石料用強力拌合機拌合均勻后進行拌合。濕噴工藝流程圖見圖2。

在噴射混凝土之前，首先要清除表面，堅硬的表面要用高壓水槍清洗，柔軟的表面要用高壓風把上面的塵土吹掉，對于松散的小塊石頭，要人工打掉，對于超長的桿體要進行切割，保證受噴面的清潔平整。

分層噴漿時，應在上一層混凝土終凝后，再安排下一層噴漿。噴嘴應與被噴表面垂直，當被噴表面覆蓋有格柵或鋼筋網時，應適當傾斜，但不應低于70°。噴槍做連續的圓周運動，呈螺旋形，后一次比前一次高出1/3。射流由上而下，形成一個“S”型的軌跡。

噴砼表面應平整，無空鼓、開裂現象，表面平整度允許偏差在50 mm以內，噴漿混凝土回彈量：邊墻不能超過15%，拱部不能超過25%。

在軟巖、淋水地段，為了確保洞體穩定，噴射作業緊跟開挖作業面，混凝土終凝到下一循環爆破作業時間≥3h[3]。

3.1？混凝土攪拌和運輸

在拌和過程中，應遵循“砂→碎石→水泥→水”的順序，添加 SG粘度劑后，攪拌30 s，再添加DEL穩定劑，連續攪拌2 min～4 min。現場測試結果顯示，固化劑摻量在2 min之內是不均勻的。超過4 min，膠凝材料的性能就會發生變化，對混合料的質量產生一定影響。

在運輸過程中，經常需要轉動罐體，以防止混凝土進入初凝狀態。加入穩定劑后，如果在2h內澆筑混凝土，就不需要重新攪拌，否則會使穩定劑失去效果。

在拌合站取樣，將其置于運輸車上。如因機械原因導致混凝土無法及時噴漿，則應檢驗試樣，并確保其坍落度為14 cm～18 cm，如果樣品不能用，罐中的水泥也就不能用了。

3.2 施工準備

1） 速凝劑：在濕法噴霧中，使用液體速凝劑，選用初凝時間不超過6 min、凝結時間不超過10 min的速凝劑。

2） 現場試驗：在正式噴注之前，通過原位噴注試驗，確定其實際初、終凝時間，并通過試樣制備和強度測試，篩選出最佳配合比，并對施工過程進行驗證。

3） 濕噴前用高壓水或高壓風清洗巖面，射流口距巖面1 m左右，射流垂直于巖面，自下而上，以螺旋形沿橫向往復運動，一圈壓半圈。在噴射的巖石面上埋入鋼筋頭，利用預埋的鋼筋頭來控制并檢測噴漿厚度，如有漏漿，應立即進行補漿。噴漿砼在終凝2h后即開始噴水養護，一般為7 d以上。做好安全工作，防止意外發生。

4）混凝土和易性的控制：因為濕噴機對混凝土的坍落度有8 cm～15 cm的要求，因此，在攪拌過程中，混凝土中需添加減水劑，使得出倉的坍落度高達18 cm，運送到現場后，坍落度損失在3 cm～8 cm之間，這樣才能確保混凝土的坍落度符合噴射需要，并能順利噴出。

5）添加凝固劑：在濕噴設備上安裝一個可調流速的計量泵。計量泵將來自儲罐的速凝劑通過橡皮管送入噴嘴，利用噴嘴內部的壓縮空氣將速凝劑霧化，并與物料混合，隨著物料一同噴射在被噴涂物上，通過與物料發生化學反應而迅速固化。

3.3 混凝土噴射工藝

在進行噴射前，先對巖石表面進行高壓風水沖洗。沖刷時，自下而上，自上而下，一直到兩側墻底為止。試驗結果表明，經過清潔和濕潤處理過的巖石表面與混凝土具有較好的黏結性[4]。

為防止回彈材料對已經沖洗過的巖石表面造成污染，影響噴射質量，在施工過程中應先從最底部進行自下而上噴射。

噴頭與被噴表面的間距：噴頭距巖石表面0.8 m～1.2 m較為合適。因設備的工作壓力較大，需2人作業，或使用簡單的托架。風壓：濕式噴漿機要求的工作氣壓為0.2 MPa～0.5 MPa，系統的氣壓為0.5 MPa以上，風量為9 m？/min，若沒有得到很好的控制，就會引起回彈。通過對噴管工作氣壓的測試，確定最優穩定工作氣壓，從而獲得最好的噴嘴效果。噴射角度：噴頭應與噴淋表面垂直，噴淋表面被網格或鋼筋網覆蓋，可略有傾斜，但不得小于70°。若噴嘴與噴漿面夾角太小，則會引起混凝土物料的翻卷，形成波浪狀噴面，使回彈量增加，對噴漿質量產生不利影響。噴嘴運動方式：噴嘴連續旋轉，產生螺旋運動，后一輪與第一輪1/3重疊。射流軌跡從上往下，呈“S”形。噴層設計厚度gt;20cm，分2次～3次進行噴射。

在進行噴射混凝土施工時，要依據不同的圍巖類型和不同的水文地質條件，選擇合適的初始噴射層厚度。初始噴射層的厚度太薄，粗集料間的黏結力不強，回彈大；初始噴射層厚度過厚，由于混凝土的自重作用而超出了它的內聚力，或者由于混凝土與巖石表面的黏附力過大而導致初始噴射層的下落，亦或出現空洞。根據設計參數及現場實際情況，確定初期噴層厚度為4-5cm，并于第一次噴淋10-15min后，連續噴涂至設計要求的厚度。

3.4 特殊條件下的噴射技術

在掛鋼網的區域，噴出后的混凝土表面有時會出現波紋，而當噴嘴與巖石表面垂直噴出時，可以保證混凝土的均勻分布，防止出現波紋。

在設置了全圓形鋼拱的場地，由于巖體破碎，所以在施工過程中必須進行噴射混凝土作業。噴漿應先填充巖面孔洞的空隙和裂縫。噴頭成直線狀沿拱架從拱底向拱頂移動，注意不能轉動噴頭。在鋼拱和周圍巖石間的縫隙處，應采用噴射混凝土進行填充，然后用噴砂混凝土對鋼拱進行包覆，形成整體受力系統。

混凝土掉落部位的補噴，必須在10 min～15 min后再澆注，如果立刻澆注，只會造成更大的塌落。在噴灑過程中，噴嘴不能轉動，否則會產生凸起。

3.5 施工中應注意的事項

1） 在施工過程中，必須加強對原材料的檢驗，并對攪拌質量進行控制，避免影響混凝土的攪拌質量和噴涂效果。

2） 在噴注前，要用漿液對輸送泵及輸送管進行潤滑，噴注完畢后，用清水將管道中的殘渣沖洗掉。

3） 噴射工長應注意積累不同地質條件下濕噴混凝土施工經驗，持續提升操作技能和技術水平； 噴射工長還應注意施工位置，做好施工防護，避免出現混凝土倒灌，威脅人員安全。

4 結語

在鐵路隧道建設中，濕噴機器人得到了廣泛的使用，它可以為實現機械化施工方式提供重要的支撐，對確保施工的安全性、質量和減少員工的工作壓力都有很大幫助。要使濕式噴涂機器人的使用優勢得到最大程度的發揮，就需要不斷地探索，掌握其技術要點，對其進行科學操作。文章對濕噴式混凝土機械臂在施工過程中的一些關鍵問題進行了討論，以期對相關人員有一定借鑒作用。

參考文獻

[1]董寶生.高速鐵路隧道混凝土濕噴技術介紹[J].工程建設與設計，2018（12）：155-156.

[2]李雙將.鄭萬高鐵隧道濕噴混凝土施工技術研究[J].鐵道建筑技術.2020（z1）：177-179，184.

[3]李維華，懷平生.噴錨襯砌在無二襯支護的大斷面軟弱圍巖隧道中的應用研究[J].鐵道建筑技術，2017（8）：63-66，72.

[4]楊凱，鄧宗剛.濕噴機械手在秦嶺天華山隧道中的應用[J].鐵道建筑技術，2015（7）：20-23.