TKJ—20型混凝土濕噴機(jī)械手在大中山隧道的應(yīng)用

摘要：在鐵路基建中，隧道建設(shè)是搞好鐵路建設(shè)的核心問(wèn)題之一，而隧道初期支護(hù)中的混凝土噴射又是搞好隧道施工的關(guān)鍵工序之一。文章以大中山隧道采用的噴射混凝土機(jī)械化作業(yè)設(shè)備為例，分析了影響機(jī)械化噴射混凝土作業(yè)/實(shí)效的關(guān)鍵影響因素，并為今后鐵路隧道工程的機(jī)械化配套提供了借鑒和參考。

關(guān)鍵詞：濕噴機(jī)械手；隧道工程；機(jī)械化；鐵路基建；混凝土噴射 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類(lèi)號(hào)：U49 文章編號(hào)：1009-2374（2017）05-0167-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.081

噴射混凝土廣泛應(yīng)用于鐵路、公路、水利水電、市政、礦山、軍事等行業(yè)隧道及地下工程領(lǐng)域，是對(duì)隧道及地下工程進(jìn)行圍巖支護(hù)，確保圍巖穩(wěn)定的主要手段之一。近年來(lái)，濕噴工藝取代了原干噴工藝，成為公路、鐵路、水工隧道施工主要噴射工藝?，F(xiàn)存濕噴作業(yè)主要模式（小型濕噴機(jī)，手持噴嘴作業(yè)）雖然解決了質(zhì)量控制和改善環(huán)境（降低粉塵）問(wèn)題，但噴射作業(yè)的危險(xiǎn)性、高強(qiáng)度勞動(dòng)、效率低等問(wèn)題沒(méi)有得到解決。小型濕噴機(jī)的主要特點(diǎn)是：設(shè)備采購(gòu)成本低，比較靈活，對(duì)隧道斷面適應(yīng)性強(qiáng)。隨著我國(guó)隧道施工技術(shù)的發(fā)展和人力成本的上升，現(xiàn)有的小型混凝土噴射機(jī)已經(jīng)不能滿(mǎn)足長(zhǎng)大隧道快速機(jī)械化施工的要求，而且小型濕噴機(jī)的自動(dòng)化程度低，勞動(dòng)強(qiáng)度大、人員安全性保障弱、需要操作的人員多，因此使用成本越來(lái)越高，國(guó)內(nèi)現(xiàn)有的濕噴設(shè)備，大多結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、功能單一、生產(chǎn)效率低，施工時(shí)需要人工手持噴槍進(jìn)行噴射，工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，骨料的反彈及噴射產(chǎn)生的粉塵對(duì)施噴人員健康有極大的危害，且工人的噴射技術(shù)決定了混凝土噴射的質(zhì)量，不確定性太大，容易造成比較大的浪費(fèi)。目前，由于人工費(fèi)用不斷的增長(zhǎng)以及機(jī)械化水平的不斷提高，未來(lái)必然會(huì)在公路、鐵路、水工隧道施工中選擇噴射效率高，機(jī)械化程度高的大型噴射混凝土機(jī)械手。

本文就大中山隧道采用的TKJ-20型混凝土噴射機(jī)械手（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)械手”）濕噴工藝施工技術(shù)成功應(yīng)用進(jìn)行介紹。

1 概況

中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“中鐵上海局”）承建的大中山隧道，位于河南省三門(mén)峽市盧氏縣五里川鎮(zhèn)及瓦窯溝鄉(xiāng)境內(nèi)，是蒙西至華中地區(qū)鐵路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“蒙華鐵路”）全線(xiàn)重點(diǎn)控制性工程。該隧道為雙線(xiàn)單洞隧道，隧道長(zhǎng)度14533m，隧道進(jìn)口里程DK789+556，出口里程為DK804+089。隧道埋深一般為80～500m，最大埋深710m，縱坡為人字坡。3#橫洞：位于線(xiàn)路左側(cè)，交于線(xiàn)路DK802+360處，與線(xiàn)路小里程夾角115.25°，斜井綜合坡度為-0.3%，長(zhǎng)336m。

大中山隧道位于豫西秦嶺東段，構(gòu)造水文地質(zhì)條件較復(fù)雜，場(chǎng)區(qū)以侵蝕構(gòu)造中低山為主，地形陡峭，溝谷狹長(zhǎng)，多呈“V”字型。隧道穿越砂礫巖、云母石英片巖、片麻巖、大理巖等弱風(fēng)化地層，局部淺埋段，構(gòu)造段位于強(qiáng)風(fēng)化破碎基巖，可溶巖表面可見(jiàn)溶蝕現(xiàn)象，花崗巖地段可見(jiàn)不均勻風(fēng)化現(xiàn)象；山坡自然坡度一般為40°～70°。區(qū)內(nèi)標(biāo)高700～1500m，最高標(biāo)高點(diǎn)為1492.3m。山坡植被發(fā)育，田地及村舍一般沿溝谷分部。

區(qū)內(nèi)溪溝十分發(fā)育，屬長(zhǎng)江水系。南部少量溪溝匯入五里川河，后匯入老灌河，過(guò)西峽至淅川縣匯入點(diǎn)丹江口水庫(kù)；大部分溪溝匯入瓦窯溝河，后匯入淇河，經(jīng)西峽匯入丹江。河谷的特點(diǎn)是落差大，水流急，彎曲度大，峽谷河段長(zhǎng)，支流多，水量分部不均，旱季溝谷水流小甚至斷流，洪水季節(jié)水量大，甚至出現(xiàn)山洪。

2 設(shè)備選型

2.1 TKJ-20型混凝土噴射機(jī)械手性能匹配

在隧道機(jī)械化施工中，混凝土濕噴機(jī)械手是非常重要的設(shè)備?；炷翙C(jī)械化的作業(yè)線(xiàn)由三部分組成，分別是機(jī)械手、混凝土攪拌站、攪拌運(yùn)輸車(chē)。隧道開(kāi)挖后采用中鐵巖鋒TKJ-20型混凝土噴射機(jī)械手（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)械手”）進(jìn)行初期支護(hù)混凝土噴射，該機(jī)械手和早高強(qiáng)噴射混凝土技術(shù)配合使用，就形成了軟弱圍巖隧道快速機(jī)械化施工成套技術(shù)，在采用隧道臺(tái)階法施工時(shí)，通過(guò)噴射混凝土，作業(yè)無(wú)死角；地盤(pán)選用輪式裝載機(jī)時(shí)，具備機(jī)動(dòng)靈活、性能優(yōu)良、通過(guò)性能高以及便于維修等優(yōu)點(diǎn)；采用電機(jī)和柴油機(jī)兩個(gè)動(dòng)力系統(tǒng)，能夠根據(jù)需求進(jìn)行更換，適應(yīng)性強(qiáng)。

主要性能參數(shù)見(jiàn)表1，設(shè)備外觀見(jiàn)圖1：

2.2 TKJ-20型混凝土噴射機(jī)械手特性

2.2.1 獨(dú)特噴射機(jī)械手結(jié)構(gòu)。該機(jī)組使用的機(jī)械手是一種具有移動(dòng)式回轉(zhuǎn)支柱的兩級(jí)臂架結(jié)構(gòu)，在我國(guó)的軟弱圍巖臺(tái)階法施工時(shí)，非常適用，能夠在三臺(tái)階環(huán)形開(kāi)挖留核心土功法噴射作業(yè)進(jìn)行全面覆蓋。

2.2.2 均勻稀薄流濕噴技術(shù)。國(guó)外機(jī)組（國(guó)內(nèi)仿制機(jī)型）均采用泵送稠密流濕噴技術(shù)，機(jī)械、液壓、電控系統(tǒng)復(fù)雜，對(duì)混凝土拌合物和易性要求高，膠凝材料用量大，難以普及推廣。中鐵巖鋒長(zhǎng)期致力于均勻稀薄流濕噴技術(shù)研究，在本領(lǐng)域處于國(guó)際領(lǐng)先水平。

2.2.3 底盤(pán)結(jié)構(gòu)。采用專(zhuān)用底盤(pán)，其技術(shù)特征為四輪驅(qū)動(dòng)，鉸接轉(zhuǎn)向，大型越野輪胎，具有機(jī)動(dòng)靈活、維護(hù)簡(jiǎn)便等特點(diǎn)，適應(yīng)隧道作業(yè)路面工況，噴射作業(yè)時(shí)無(wú)需底盤(pán)支撐，可最大程度實(shí)現(xiàn)快速進(jìn)退場(chǎng)要求。

上述三個(gè)技術(shù)特點(diǎn)，使TKJ-20型混凝土噴射機(jī)組實(shí)現(xiàn)了液壓系統(tǒng)的極致簡(jiǎn)化，這種簡(jiǎn)單化使該設(shè)備具備良好的普及推廣前景。同時(shí)，該機(jī)組在作業(yè)期間該機(jī)械手完成單循環(huán)4.2m的初噴用時(shí)約40分鐘，作業(yè)效率較高。

3 施工工藝關(guān)鍵管控要點(diǎn)

混凝土噴射施工作業(yè)實(shí)效與混凝土拌合物性能（設(shè)計(jì)強(qiáng)度、和易性、流動(dòng)性等）、混凝土噴射設(shè)備作業(yè)效率、作業(yè)人員操作技能水平、施工工序組織及銜接等諸多因素息息相關(guān)，任一方面的短板都會(huì)影響整體工序的工效，其中需要重點(diǎn)關(guān)注的包含以下方面：

3.1 混凝土物料配合比設(shè)計(jì)

噴射混凝土與模筑混凝土用途不一，但對(duì)拌合物配合比設(shè)計(jì)要求提出了更高的要求，工程建設(shè)管理人員在進(jìn)行配合比設(shè)計(jì)時(shí)一定要非常注意，應(yīng)該預(yù)先建立一個(gè)混凝土拌合物“工作度”的概念。配合比設(shè)計(jì)必須對(duì)強(qiáng)度、工作度、耐久性等多個(gè)指標(biāo)進(jìn)行控制。應(yīng)該首先考慮速凝劑和射流密實(shí)等因素，然后再確定基準(zhǔn)配制強(qiáng)度。

噴射混凝土的強(qiáng)度、回彈率以及初噴層的厚度都會(huì)影響到噴射混凝土配合比。根據(jù)設(shè)計(jì)的強(qiáng)度確定水和灰的配比后，應(yīng)該注重選擇混凝土和速凝劑，要控制坍落度在14～18cm之間，并且應(yīng)該有很好的黏聚性，將混凝土的綜合回彈率（含拱部、邊墻）控制在15%以?xún)?nèi)。

計(jì)算以后，調(diào)整試拌，然后確定基準(zhǔn)配合比，混凝土坍落度為185mm，混凝土粘聚性良好，工作性能滿(mǎn)足施工需要。確定為基準(zhǔn)配合比，見(jiàn)表2：

3.2 混凝土原材料選擇

3.2.1 泥：商洛堯柏龍橋水泥有限公司P.O42.5水泥。

3.2.2 粗骨料：莫家溝碎石場(chǎng)，5～10mm碎石。

3.2.3 細(xì)骨料：盧氏縣軍鵬砂場(chǎng)，中砂。

3.2.4 速凝劑：安徽中鐵工程材料科技有限公司ZTC-S1001。

3.2.5 減水劑：安徽中鐵工程材料科技有限公司RAWY101標(biāo)準(zhǔn)型。

3.2.6 水：攪拌混凝土用水。

3.3 機(jī)械手操作要點(diǎn)

在機(jī)械手進(jìn)行混凝土噴射工作時(shí)，各個(gè)方面都會(huì)影響到混凝土噴射的質(zhì)量，比如噴射的角度、噴射距離、噴射順序以及噴頭的移動(dòng)軌跡。

3.3.1 噴射順序。在噴射混凝土?xí)r，應(yīng)該首先噴射墻面，然后再?lài)娚涔傲?，并且從下向上進(jìn)行噴射，移動(dòng)軌跡要以S曲線(xiàn)進(jìn)行移動(dòng)噴射。在對(duì)隧道進(jìn)行混凝土噴射時(shí)，應(yīng)該首先噴射隧道兩側(cè)邊墻的底部，噴射到拱頂中心線(xiàn)位置時(shí)閉合機(jī)械手，完成了一環(huán)的混凝土噴射工作。

3.3.2 噴射角度。在噴射混凝土?xí)r，噴頭應(yīng)該和被噴射的墻面垂直。在噴頭和受?chē)娒嬷g的夾角較小時(shí)，混凝土更加容易回彈，降低了混凝土噴射的密實(shí)度；在噴頭和受?chē)娒娲怪睍r(shí)進(jìn)行噴射，連續(xù)噴射的混凝土?xí)⒎磸椀幕炷晾^續(xù)噴射到受?chē)娒嫔?，可以有效降低回彈率，增加了一次噴射厚度?/p>

3.3.3 噴射距離。在進(jìn)行濕噴時(shí)，需要的風(fēng)壓較大，當(dāng)噴頭和受?chē)娒嬷g的距離較近時(shí)，高壓風(fēng)會(huì)將受?chē)娒嫔腺N附不太緊實(shí)的混凝土吹掉，增加了混凝土的回彈率。在噴射機(jī)械手進(jìn)行濕噴工作時(shí)，噴頭和受?chē)娒嬷g的距離應(yīng)該在0.8～1.2m之間。

3.3.4 噴頭移動(dòng)。在進(jìn)行混凝土噴射時(shí)，在最初的階段，混凝土的回彈率是最高的，當(dāng)受?chē)娒娴暮穸冗_(dá)到2～3cm后，混凝土的回彈率是最小的，并且非常穩(wěn)定，當(dāng)噴射在受?chē)娒嫔系幕炷粱?、流淌時(shí)，一次噴厚達(dá)到最大，這個(gè)時(shí)候不能再繼續(xù)進(jìn)行噴射了，等到噴射的混凝土初步凝固后再進(jìn)行第二次噴射。

在進(jìn)行混凝土噴射時(shí)，首先伸展機(jī)械手的大臂，調(diào)整噴頭在邊墻底部施噴的位置，通過(guò)機(jī)械手小臂上的自動(dòng)平行功能調(diào)整小臂和地面之間的水平位置，應(yīng)和隧道邊墻相平行，最后調(diào)整噴頭距離、角度，然后進(jìn)行噴射，在進(jìn)行混凝土噴射的過(guò)程中，不要再調(diào)整噴頭的距離和角度以及機(jī)械手的大小臂，只需通過(guò)使用自動(dòng)伸縮功能調(diào)整噴頭在小臂上的位置，即從一端緩慢運(yùn)行到另一端來(lái)回2～3次可完成一遍噴射；然后伸展大臂30cm左右（在拱部根據(jù)隧道輪廓小臂做適當(dāng)翻轉(zhuǎn)），大臂做垂直、水平移動(dòng)，調(diào)整噴頭和受?chē)娒嬷g的角度和距離，按上述順序噴射下一部位，如此循環(huán)完成需噴混凝土的噴面。

4 施工效果總結(jié)及探討

4.1 作業(yè)功效對(duì)比

4.1.1 機(jī)械手施工作業(yè)效率高。

4.1.2 機(jī)械手噴射效率與施工組織匹配度高?；緹o(wú)待料窩工。

4.1.3 進(jìn)退作業(yè)場(chǎng)所時(shí)間短。

4.1.4 該臂架結(jié)合與臺(tái)階法施工適合度強(qiáng)。

4.1.5 該機(jī)械手使用期間配件成本費(fèi)用較為穩(wěn)定，且費(fèi)率較低。截至2016年8月，該隧道已完成噴射混凝土31352.92m3，據(jù)統(tǒng)計(jì)，折算到每m3混凝土，配件及耗材綜合成本為10.40元/m3。

4.1.6 作業(yè)人員安全性保障強(qiáng)。

4.2 經(jīng)濟(jì)效益成本簡(jiǎn)析

經(jīng)測(cè)算，在濕噴工藝條件下，以該設(shè)備為主構(gòu)建的初期支護(hù)機(jī)械化作業(yè)模式相對(duì)于傳統(tǒng)的小型濕噴機(jī)半機(jī)械化作業(yè)模式，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益：

4.2.1 節(jié)省人工成本。噴射混凝土機(jī)械化作業(yè)工班僅需3名作業(yè)人員，相對(duì)于傳統(tǒng)模式的6～10人，預(yù)計(jì)每年可節(jié)省人工成本20萬(wàn)元以上。

4.2.2 節(jié)省材料成本。機(jī)械化作業(yè)模式由于可以準(zhǔn)確控制噴嘴角度和距離，可以降低回彈5%～10%，預(yù)計(jì)年度效益在30萬(wàn)元以上。

4.2.3 時(shí)間效益。機(jī)械化作業(yè)模式可以提高作業(yè)效率，減少?lài)娚浠炷磷鳂I(yè)循環(huán)時(shí)間。綜合分析，該機(jī)械手可通過(guò)降低成本在1年內(nèi)收回購(gòu)置成本。

5 結(jié)語(yǔ)

在大中山隧道施工時(shí)，采用的是TKJ-20型混凝土濕噴機(jī)械手，在實(shí)際的工作中，更加容易了解、學(xué)習(xí)相關(guān)的知識(shí)，能夠更好地掌握大型噴射混凝土設(shè)備的濕噴施工技術(shù)，不僅能夠提高噴涂施工的質(zhì)量，還提高了工作的效率，也減少了施工的成本，改善了工作周?chē)沫h(huán)境，同時(shí)對(duì)于施工人員的身體健康有了進(jìn)一步的保障。在鐵路隧道施工中，濕噴噴射機(jī)械手相較于干噴噴射機(jī)械手而言，能夠更好地解決回彈、粉塵等問(wèn)題。并且和半機(jī)械化（人工抱噴頭）作業(yè)濕噴工藝相比較，有很大的優(yōu)越性，在隧道初期支護(hù)中使用噴射機(jī)械手，具有很強(qiáng)的生命力和很好的發(fā)展前景。

參考文獻(xiàn)

[1] 中鐵巖鋒成都科技有限公司.TKJ-20型混凝土噴射機(jī)組操作使用說(shuō)明書(shū)[S].2016.

[2] 杜海若.工程機(jī)械概論[M].成都：西南交通大學(xué)出版社，2009.

[3] 禹躍云.鐵路隧道機(jī)械化施工探討[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014，（4）.

[4] 羅朝廷，鄭朝保.噴漿機(jī)械手在支護(hù)工程中的應(yīng)用[J].鐵道建筑，2015，（11）.

[5] 陳生.機(jī)械手濕噴技術(shù)在高天隧道中的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械，2014，（11）.

作者簡(jiǎn)介：汪小?。?984-），男，湖北武漢人，中鐵上海工程局集團(tuán)有限公司工程師，研究方向：施工設(shè)備管理。

（責(zé)任編輯：小 燕）