濕噴機(jī)械手在鐵路隧道初期支護(hù)施工中的應(yīng)用

李海濤

（中鐵二十二局集團(tuán)市政工程有限公司，廣東 廣州 510800）

0 引言

高鐵隧道施工作業(yè)復(fù)雜、難度系數(shù)大，而濕噴混凝土工藝的出現(xiàn)，有效優(yōu)化了隧道開(kāi)挖支護(hù)階段的施工難度，為其后續(xù)作業(yè)推進(jìn)提供了適宜、便利的基礎(chǔ)條件，從根源上強(qiáng)化了隧道作業(yè)的質(zhì)量以及整體安全性能。但結(jié)合實(shí)況來(lái)看，影響隧道初支施工效果的主要原因除了難度系數(shù)過(guò)高以外，還和其極易受到外界因素干擾有所關(guān)聯(lián)。鑒于此，為了整體強(qiáng)化隧道施工作業(yè)的效果，就應(yīng)準(zhǔn)確把控工程使用工藝的特征優(yōu)勢(shì)，做好技術(shù)要點(diǎn)控制工作，通過(guò)切實(shí)可行的策略手段，確保高鐵隧道作業(yè)的質(zhì)量與標(biāo)準(zhǔn)要求相契合。

1 工程概況

長(zhǎng)株潭城際軌道交通地處長(zhǎng)沙、株洲、湘潭城市群中心地帶，是長(zhǎng)株潭城市群鐵路交通網(wǎng)的核心部分。該標(biāo)段施工段為長(zhǎng)株潭城際鐵路綜合Ⅱ標(biāo)段正線(xiàn)DK23+417.79～DK36+025，繞行線(xiàn)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?jīng)_隧道、陳家灣隧道等，共長(zhǎng)1999.24 延長(zhǎng)米，多屬于淺埋暗挖隧道，地質(zhì)較差、巖層破碎。

2 施工指導(dǎo)原則

突出施工重點(diǎn)，主攻陳家灣隧道、礦山法隧道施工，強(qiáng)化錨噴支護(hù)強(qiáng)度，控制防水襯砌質(zhì)量。以“安全生產(chǎn)”為核心，強(qiáng)化配置“超前地質(zhì)預(yù)報(bào)”“開(kāi)挖爆破”“通風(fēng)排煙”“裝砟運(yùn)輸”“錨噴支護(hù)”“防水襯砌”幾條機(jī)械化作業(yè)線(xiàn)。以先進(jìn)的大型機(jī)械設(shè)備配套和技術(shù)手段為基礎(chǔ)；以科學(xué)管理、合理組織為手段，在Ⅳ、Ⅴ級(jí)圍巖及斷層、涌水、淺埋段、巖溶等不良地質(zhì)情況施工地段，做到一個(gè)“穩(wěn)”字，確保工期、質(zhì)量、安全、效率各項(xiàng)目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。

該標(biāo)段隧道所屬地段原始地貌單元屬湘江Ⅱ級(jí)沖擊階地，階地主要由第四系中更新統(tǒng)粉質(zhì)黏土、砂卵石層組成，主要以丘陵低中山區(qū)為主，地形起伏不大。工程開(kāi)展區(qū)段具備圍巖成因繁雜、類(lèi)別多樣化的特點(diǎn)，涵蓋了板巖、砂質(zhì)板巖、泥質(zhì)板巖以及泥質(zhì)粉砂巖等多種巖層。這就決定了圍巖類(lèi)別對(duì)機(jī)械設(shè)備性能、噴射混凝土工作性能提出了更高的要求。為節(jié)約人工、材料成本，縮短工期、增大效益奠定基礎(chǔ)。因此，經(jīng)過(guò)比對(duì)優(yōu)選，特以混凝土濕噴機(jī)械手應(yīng)用到隧道初期支護(hù)中。

3 噴射設(shè)備選擇

混凝土濕噴機(jī)械手是地下隧道工程中一種大型混凝土噴射設(shè)備。濕噴混凝土配合比易于控制，施工時(shí)，混凝土在拌和站生產(chǎn)后運(yùn)至濕噴機(jī)，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?chē)娒嫔稀Ｔ谶@一過(guò)程中可以全面保證其配合比處于可控狀態(tài)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(jī)旁和噴嘴外的粉塵實(shí)際濃度系數(shù)、強(qiáng)化生產(chǎn)率、降低回彈度、削減人工使用數(shù)量?jī)?yōu)勢(shì)，同時(shí)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(shè)備Potenza 噴射機(jī)和TK-961 濕噴機(jī)作業(yè)其具備安全環(huán)保、噴射質(zhì)量?jī)?yōu)、回彈概率低、適應(yīng)性佳、操作便捷的特點(diǎn)。Potenza 噴射機(jī)運(yùn)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(diǎn)

4.1 施工前準(zhǔn)備

濕噴混凝土施工之前，應(yīng)根據(jù)有關(guān)規(guī)定，圍繞施工場(chǎng)地的具體情況，做好相應(yīng)的前期準(zhǔn)備工作。首先，施工人員需要借助專(zhuān)業(yè)手段檢測(cè)風(fēng)壓系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確保其與實(shí)際要求相契合，在正式開(kāi)展噴濕作業(yè)前，還應(yīng)通過(guò)空轉(zhuǎn)的方式對(duì)進(jìn)料口的安全性和穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)；其次，需要借助測(cè)量設(shè)備獲取準(zhǔn)確無(wú)誤的圍巖尺寸信息，保證隧道外部輪廓平滑，對(duì)于開(kāi)挖不足的部分應(yīng)立即修補(bǔ)，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(zhì)；最后，應(yīng)針對(duì)隧道墻體有無(wú)滲漏現(xiàn)象進(jìn)行全面仔細(xì)的檢測(cè)，如果有滲漏部位，在第一時(shí)間采取防水防護(hù)措施對(duì)其進(jìn)行維護(hù)，對(duì)于水分不足的區(qū)域，應(yīng)在噴射作業(yè)之前進(jìn)行適當(dāng)噴灑水工作，以確保其水分含量充分，強(qiáng)化巖體的黏附性。

4.2 配合比設(shè)計(jì)

4.2.1 配合比設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范

根據(jù)《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》（TB10424—2010）規(guī)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(yáng)南方牌普通硅酸鹽水泥。

（2）細(xì)骨料：湘江湘陰天然河砂，細(xì)度模數(shù)≥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(jí)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(lèi)減水劑。

（6）水：日常飲用水。

4.2.3 確定試配強(qiáng)度

該工程強(qiáng)度等級(jí)采用C25；坍落度為140～180mm。根據(jù)《普通混凝土配合比設(shè)計(jì)規(guī)程》（JGJ55—2000），配制強(qiáng)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(jì)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(jù)外加劑性能并考慮混凝土耐久性要求，同時(shí)聚羧酸高效減水劑摻量取1.0%，而減水率為30%，根據(jù)配合比設(shè)計(jì)規(guī)程規(guī)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(shè)計(jì)坍落度為160～200mm，碎石單粒級(jí)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(xì)集料用量

β= 50.0%(根據(jù)前期混凝土和易性調(diào)試后取值)

設(shè)m= 2350kg/m

解二聯(lián)式得：m=858kg/m

m=858kg/m

4.2.9 確定配合比

在通過(guò)科學(xué)計(jì)算方式獲得配合比的前提下，應(yīng)開(kāi)展合理的試拌作業(yè)，在完成該環(huán)節(jié)作業(yè)后，應(yīng)進(jìn)行噴射實(shí)驗(yàn)，明確其效果良好度后，便可明確其基準(zhǔn)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(jìn)行拌制，混凝土坍落度為165mm，混凝土流動(dòng)性、黏聚性、保水性良好，混凝土拌和物性能符合施工要求。對(duì)明確的試拌配合比例方案，開(kāi)展三種不同水膠比的強(qiáng)度測(cè)試，測(cè)試期限為28d，結(jié)果表明，混凝土的混合比例符合工程的設(shè)計(jì)和建造需要，并且經(jīng)濟(jì)上比較合理。

4.3 高壓空氣壓強(qiáng)調(diào)整

為保證濕噴機(jī)械手的混凝土正常噴射，必須對(duì)高壓空氣壓值進(jìn)行嚴(yán)密監(jiān)控，確保其初始階段的壓力值大于等于0.5MPa。在實(shí)施噴射作業(yè)時(shí)，必須對(duì)噴管的高壓空氣壓力值進(jìn)行測(cè)試，確保檢測(cè)數(shù)值大于0.2MPa，以此全面規(guī)避混凝土回彈問(wèn)題。除此之外，在噴射邊墻、拱頂部位不斷變化的同時(shí)，高壓空氣的傳輸間距也發(fā)生了轉(zhuǎn)變，鑒于此，應(yīng)第一時(shí)間對(duì)噴嘴出料的實(shí)際狀況進(jìn)行檢測(cè)查看，并優(yōu)化高壓空氣壓力值，以此強(qiáng)化濕噴混凝土作業(yè)的最終效果。

4.4 噴射劑量及液體速凝劑調(diào)整

在電動(dòng)機(jī)連續(xù)運(yùn)行時(shí)，應(yīng)通過(guò)手輪調(diào)節(jié)速凝劑的噴射劑量，并通過(guò)顯示屏檢測(cè)查看其數(shù)值是否符合標(biāo)準(zhǔn)；尤其是當(dāng)遇到巖面滲水時(shí)，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(yè)操作要點(diǎn)

4.5.1 在使用濕噴混凝土工藝之前，應(yīng)先進(jìn)行試機(jī)、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(kāi)始，有規(guī)律地向拱頂進(jìn)行噴掃，并在邊墻到達(dá)拱頂后，繼續(xù)噴射過(guò)程中可稍微增加1.0%的速凝劑，使混凝土加快凝結(jié)速度?；炷羾娚渥鳂I(yè)過(guò)程中應(yīng)分層、分段、分片作業(yè)，且各分段的施工間距不得超過(guò)6m。

4.5.3 綜合分析各類(lèi)噴射路線(xiàn)，考慮往復(fù)噴射、上下噴射、S 型噴射等多樣途徑與工程實(shí)況的適配度，最終挑選出恰當(dāng)適宜的噴射軌跡。

4.5.4 濕噴機(jī)械手噴射鋼拱架段順序：鋼架底端和基礎(chǔ)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(jié)束噴射工作之后，需要及時(shí)關(guān)閉泵送系統(tǒng)，此外，還應(yīng)關(guān)閉速凝劑運(yùn)輸以及高壓風(fēng)系統(tǒng)，并全面仔細(xì)地清理、清洗輸料管路內(nèi)壁。

4.6 噴射作業(yè)實(shí)際應(yīng)用效果總結(jié)

結(jié)合長(zhǎng)株潭城際鐵路陳家灣隧道實(shí)際噴射效果來(lái)看，噴射初期階段混凝土的回彈度最高，而當(dāng)噴射厚度累計(jì)至2～3cm 之后，其回彈率便會(huì)降至最低，且逐步穩(wěn)定；在噴射作業(yè)開(kāi)展過(guò)程中，若依附在巖層之上的混凝土出現(xiàn)滑落狀況，且一次性噴射的實(shí)際過(guò)度為最大值時(shí)，應(yīng)及時(shí)終止噴射作業(yè)，待混凝土初凝之后，繼續(xù)推進(jìn)噴射工作。在實(shí)際開(kāi)展噴射作業(yè)的過(guò)程中，應(yīng)確保機(jī)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(dòng)平行功能，將其調(diào)整至與地面水平狀態(tài)，同時(shí)也應(yīng)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(diào)整工作，待所有調(diào)整環(huán)節(jié)結(jié)束之后，便可正式開(kāi)展噴射作用，在實(shí)際噴射時(shí)，應(yīng)時(shí)刻把控噴頭距噴面的距離、角度，并控制機(jī)械手的大臂，只需借助具備自動(dòng)化功能的小臂完成伸縮工作，通過(guò)其2～3 次的緩慢、平行來(lái)回運(yùn)行完成噴射作業(yè)；在這一工作完成后，可以調(diào)整大臂的位置，應(yīng)注意其大臂的伸展距離應(yīng)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(huán)往復(fù)中便可結(jié)束圍巖的噴射混凝土初支作業(yè)。

軟弱圍巖的基底黏結(jié)能力優(yōu)于硬巖，所以在噴射硬巖部位時(shí)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(guò)大而產(chǎn)生滑落、掉塊；軟弱圍巖部位在噴射時(shí)，底層噴射可適當(dāng)增加初噴厚度。

5 質(zhì)量保證

結(jié)合長(zhǎng)株潭城際鐵路十條鐵路隧道實(shí)際應(yīng)用效果分析可知，混凝土拌和物在工程開(kāi)展中性能的發(fā)揮效果、機(jī)械設(shè)備的運(yùn)用效果、負(fù)責(zé)操作的工作人員自身水平、速凝劑的實(shí)際添加量、原材料的質(zhì)量合格與否、混凝土配合比的科學(xué)與否都與噴層的實(shí)際效果有較大關(guān)聯(lián)，總結(jié)經(jīng)驗(yàn)如下：

其一，濕噴機(jī)械手噴射作業(yè)的過(guò)程中，采用分層噴射、“動(dòng)大臂、移小臂”的操作要點(diǎn)，確保移動(dòng)噴射點(diǎn)由點(diǎn)-線(xiàn)-面保證噴射混凝土的平整度。

其二，優(yōu)化施工配合比，選擇質(zhì)量穩(wěn)定的液體速凝劑，嚴(yán)格控制水膠比和速凝劑摻量，保證噴射混凝土強(qiáng)度。

其三，在噴射作業(yè)開(kāi)展之前，必須對(duì)巖石表面進(jìn)行預(yù)處理，對(duì)于軟巖石，可以用高壓風(fēng)吹掃，對(duì)于硬巖，可以進(jìn)行水沖洗，以改善其與巖石的黏結(jié)強(qiáng)度。

其四，在噴射作業(yè)開(kāi)展時(shí)，應(yīng)按照施工規(guī)范，通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴到巖石表面的角度、距離、工作風(fēng)壓、速凝劑用量，使其達(dá)到最優(yōu)，從而減少?lài)娚涞幕貜椓俊?/p>

其五，在一次濕噴結(jié)束后，間隔5～10min 再?lài)娙嗡?，以避免因混凝土重量過(guò)大而產(chǎn)生的初凝受阻情況。

6 實(shí)施效果

6.1 工期方面

濕噴混凝土工序時(shí)間對(duì)隧道整體循環(huán)的影響較大，長(zhǎng)株潭城際鐵路陳家灣隧道為例，圍巖斷面上臺(tái)階，如采用兩臺(tái)小型濕噴機(jī)同時(shí)作業(yè)需要10～14h，而采用一臺(tái)濕噴機(jī)械手則只需3～4h，綜合比較采用濕噴機(jī)械手對(duì)隧道提升開(kāi)挖進(jìn)度，節(jié)省工序循環(huán)時(shí)間有明顯的優(yōu)勢(shì)。

6.2 質(zhì)量方面

濕噴機(jī)械手的應(yīng)用，可以對(duì)噴射混凝土質(zhì)量實(shí)施有效的控制；更能促進(jìn)單層襯砌的發(fā)展。在施工時(shí)，混凝土的配合比已于控制，另外，由于風(fēng)壓的不同，濕噴機(jī)械手濕噴的混凝土附著力較好，密實(shí)度較高，強(qiáng)度遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)小型濕噴機(jī)20%以上，這也符合噴混凝土要求早期強(qiáng)度高的要求。

6.3 安全方面

在隧道工程中，圍巖越復(fù)雜，安全管理的需求越迫切，從危險(xiǎn)區(qū)域劃分來(lái)說(shuō)，濕噴工序是在各工序中的危險(xiǎn)區(qū)域，因此在施工中要求：其一，在危險(xiǎn)區(qū)域，工作時(shí)間越短越好；其二，在危險(xiǎn)區(qū)域，工作人數(shù)越少越好。針對(duì)這兩個(gè)客觀(guān)要求，小型濕噴機(jī)是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，濕噴機(jī)械手可以較好滿(mǎn)足。越是危險(xiǎn)區(qū)域，越要早高強(qiáng)。狹小區(qū)域、不安全地帶，對(duì)機(jī)械手而言才是發(fā)揮的舞臺(tái)。

6.4 成本方面

濕噴機(jī)械手回彈率較低，能有效控制成本，干噴回彈率達(dá)35%～50%，普通濕噴機(jī)回彈率為20%左右，而濕噴機(jī)械手的回彈率可控制在15%以?xún)?nèi)，所以濕噴的生產(chǎn)成本低，效益高。

7 結(jié)語(yǔ)

總而言之，在高鐵隧道工程中使用濕噴工藝時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格依循實(shí)際情況，挑選恰當(dāng)科學(xué)的方式推進(jìn)工程進(jìn)度，以此確保施工效果的同時(shí)，采用濕噴機(jī)械手施工，提高了初支的機(jī)械化程度，尤其是隧道初支大面積施工時(shí)，有效改善了噴射混凝土的施工環(huán)境、提高了施工進(jìn)度，確保了施工過(guò)程的安全及質(zhì)量，節(jié)約時(shí)間成本與人工成本，實(shí)現(xiàn)最大化的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。