混凝土濕噴機(jī)械手技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用探索

郝光輝/中鐵航空港集團(tuán)第一工程有限公司

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混凝土濕噴機(jī)械手技術(shù)在隧道施工中的應(yīng)用探索

郝光輝/中鐵航空港集團(tuán)第一工程有限公司

【摘 要】濕噴工藝取代干噴工藝，以及混凝土濕噴機(jī)械手的出現(xiàn)，大大改善了隧道施工人員的工作環(huán)境，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了工作效率，節(jié)省了施工成本，促進(jìn)了隧道施工機(jī)械化的進(jìn)程。本文以混凝土濕噴機(jī)械手在蒙華鐵路桐木隧道施工中的應(yīng)用為例，從CHP25B車(chē)載式混凝土濕噴機(jī)械手的機(jī)械特性、噴射工藝技術(shù)、與傳統(tǒng)小型濕噴機(jī)作業(yè)效果對(duì)比分析等方面對(duì)混凝土濕噴機(jī)械手技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行闡述，總結(jié)分析混凝土濕噴機(jī)械手技術(shù)具有的良好發(fā)展前景，為普及和推廣使用機(jī)械手噴射混凝土提供了良好的經(jīng)驗(yàn)借鑒。

【關(guān)鍵詞】混凝土；機(jī)械手；濕噴；隧道

1.引言

隨著國(guó)家經(jīng)濟(jì)迅猛發(fā)展，高科技隨之運(yùn)用，隧道工程在新建鐵路、公路中所占比例越來(lái)越大，隧道施工也越來(lái)越機(jī)械化、國(guó)際化。為了能夠快速安全有效地進(jìn)行隧道掘進(jìn)，對(duì)初期支護(hù)的混凝土噴射技術(shù)提出了更高的要求。前些年，我國(guó)噴射作業(yè)還處于手工小作坊時(shí)代，例如人工攪拌、人工上料、單機(jī)攪拌、小型干噴機(jī)、小型濕噴機(jī)等，作業(yè)環(huán)境差、質(zhì)量控制水平低、材料消耗率高、施工速度低下，對(duì)施工人員的身體健康產(chǎn)生嚴(yán)重的危害，與當(dāng)今的社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展水平極不適應(yīng)。與傳統(tǒng)的干噴機(jī)及小型濕噴機(jī)施工技術(shù)相比，混凝土濕噴機(jī)械手技術(shù)具有作業(yè)靈活性、快速性、方便性、經(jīng)濟(jì)性、安全性，既能克服傳統(tǒng)施工技術(shù)的缺點(diǎn)，又能節(jié)能減排，實(shí)現(xiàn)生態(tài)文明的機(jī)械化施工，使噴射作業(yè)向前邁進(jìn)了一大步。選擇噴射速度快、機(jī)械化程度高、回彈率低的大型噴射混凝土機(jī)械手已成為公路和鐵路隧道施工的主流工藝。同時(shí)，結(jié)合國(guó)內(nèi)機(jī)械技術(shù)的逐漸成熟及進(jìn)步，此項(xiàng)新技術(shù)正向著高效、安全、節(jié)能環(huán)保、實(shí)用和全自動(dòng)化方向發(fā)展。

2.工程概況

桐木隧道是新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道土建工程MHTJ-31標(biāo)段的一項(xiàng)工程，隧道進(jìn)口位于江西省宜豐縣黃崗鎮(zhèn)，隧道出口位于宜豐縣芳溪鎮(zhèn)，起止里程為DK1702+771～DK1708+144，隧道全長(zhǎng)5373m，為單洞單線隧道，隧道最大埋設(shè)282m。地質(zhì)條件復(fù)雜，主要不良地質(zhì)有斷層破碎帶（本隧道共穿越斷裂構(gòu)造5條，節(jié)理密集帶4條，巖性接觸帶1條），不均勻分化可能發(fā)生突水、突泥災(zāi)害，高應(yīng)力區(qū)，巖爆等。其中Ⅱ級(jí)圍巖968m，Ⅲ級(jí)圍巖3116m，Ⅳ級(jí)圍巖698m，Ⅴ級(jí)圍巖591m。本隧道設(shè)置斜井一座，位于線路右側(cè)，斜井與正洞相交與DK1705+480處，與線路大里程夾角123.5°，斜井為雙車(chē)道，長(zhǎng)度757m，斜井Ⅲ級(jí)圍巖640m，Ⅳ級(jí)圍巖60m，Ⅴ級(jí)圍巖57m。由此可見(jiàn)，桐木隧道存在反坡施工、長(zhǎng)距離通風(fēng)等困難，施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)高、施工技術(shù)復(fù)雜，對(duì)超前地質(zhì)預(yù)報(bào)、監(jiān)控量測(cè)及施工過(guò)程控制要求高。

3.設(shè)備選型

桐木隧道施工選用2臺(tái)湖南五新隧道智能裝備股份有限公司自主研發(fā)生產(chǎn)的CHP25B車(chē)載式混凝土濕噴機(jī)械手。該設(shè)備采用福田底盤(pán)，總質(zhì)量16T，最大爬坡度不大于20%，最高車(chē)速90km/h，方便工地調(diào)配；臂架回轉(zhuǎn)角度、噴頭軸向旋轉(zhuǎn)角度、噴頭刷動(dòng)角度均為360度，噴頭垂直軸向擺角240度，最大噴射高度16m，最大噴射寬度24m；泵送系統(tǒng)工作驅(qū)動(dòng)方式為55kw電動(dòng)機(jī)，混凝土排量25m3/h，最大泵送壓力7.3Mpa，輸送缸內(nèi)徑/行程為φ160mm/1000mm，輸送管徑φ80mm～φ125mm變徑，噴嘴嘴口直徑φ50mm；其他組成還有水泵總成、速凝劑箱、抽液泵總成、潤(rùn)滑泵及分配閥、各類(lèi)電纜線卷筒等；風(fēng)壓系統(tǒng)采用洞外螺桿空壓機(jī)外接供風(fēng)。其他配套設(shè)施主要有中鐵科工HZS-120混凝土攪拌站一套，3～5輛混凝土攪拌運(yùn)輸車(chē)。CHP25B車(chē)載式混凝土濕噴機(jī)械手與早高強(qiáng)噴射混凝土技術(shù)相結(jié)合，可以形成軟弱圍巖隧道快速機(jī)械化施工成套技術(shù)，通過(guò)噴射混凝土施工的及時(shí)特性和早強(qiáng)特性，提高初期支護(hù)控制圍巖變形能力，提高施工速度，降低成本。

4.機(jī)械手濕噴工藝技術(shù)

4.1混凝土配合比

噴射混凝土配合比與混凝土強(qiáng)度、回彈率、初噴層厚度有密切相關(guān)，設(shè)計(jì)重點(diǎn)為混凝土和易性和速凝劑的選擇。根據(jù)TB10424-2010《鐵路混凝土工程施工質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)》規(guī)定，噴射混凝土水膠比不大于0.50，膠凝材料用量不小于400kg/m3，粗骨料最大料徑不大于16mm，細(xì)骨料細(xì)度模數(shù)應(yīng)大于2.5。根據(jù)此要求，項(xiàng)目部設(shè)計(jì)混凝土標(biāo)號(hào)為C25的混凝土配合比詳見(jiàn)表1：

表1

按此配合比，施工中噴射混凝土性能一直很穩(wěn)定，滿足設(shè)計(jì)強(qiáng)度的同時(shí)坍落度始終控制在160～200mm內(nèi)，混凝土具有良好的保水性，流動(dòng)性和黏聚性。

4.2機(jī)械手操作要點(diǎn)

機(jī)械手噴射混凝土施工時(shí)，影響噴射混凝土質(zhì)量、效率、回彈等方面的因素主要有：混凝土的和易性、機(jī)械手風(fēng)壓大小、一次噴射厚度、骨料最大粒徑、巖層平整度、速凝劑摻量、操作手熟練程度、噴射距離、角度、噴射順序、噴頭移動(dòng)等。根據(jù)各種影響因素我們通過(guò)幾項(xiàng)措施進(jìn)行要點(diǎn)說(shuō)明如下：

（1）混凝土坍落度要求骨料最大粒徑應(yīng)小于16mm，否則會(huì)因阻力過(guò)大而無(wú)法順利噴出，混凝土坍落度應(yīng)控制在160～200mm。

（2）噴射前，在機(jī)械手和操作人員到達(dá)施工區(qū)域后，利用高壓風(fēng)對(duì)巖面進(jìn)行一次清理，保證初噴混凝土與巖面的有效粘結(jié)，以提高噴射混凝土的附著力。

（3）要求機(jī)械手操作人員具有一定的經(jīng)驗(yàn)和熟練程度，噴混凝土過(guò)程中，保證風(fēng)壓在0.2～0.4Mpa比較適宜。工作風(fēng)壓選擇和混凝土的和易性有關(guān)，和易性越好，工作風(fēng)壓越小，反之越大。實(shí)際施工中應(yīng)根據(jù)混凝土的和易性、風(fēng)壓穩(wěn)定性影響進(jìn)行調(diào)整，以保證噴射混凝土在噴射口的速度和連續(xù)性。并要求機(jī)械手的噴頭與巖面垂直，距離在0.8～1.2m范圍內(nèi)。垂直噴射時(shí)，連續(xù)的混凝土“稀薄流”對(duì)反彈物有二次嵌入的作用，可以降低回彈率，增加一次噴射厚度，如果噴頭距受?chē)娒嫣?，高壓風(fēng)會(huì)將剛噴上的混凝土吹掉，使回彈量增大。

（4）噴射順序應(yīng)先從兩側(cè)邊墻底部自下而上開(kāi)始噴射，最后閉合于拱頂中心線位置，噴射混凝土回彈在剛剛噴射時(shí)最大，但巖面噴厚達(dá)到20～30mm時(shí)，回彈最小且穩(wěn)定，完成一次環(huán)形試噴，要求厚度在30～50mm，如果在噴射過(guò)程中出現(xiàn)混凝土滑落或流淌時(shí)，一次噴射厚度已達(dá)到上限，此時(shí)已經(jīng)不能再對(duì)同一地方噴射，應(yīng)等混凝土初凝后在回過(guò)來(lái)復(fù)噴至設(shè)計(jì)厚度。

（5）速凝劑摻量過(guò)大導(dǎo)致回彈增大，混凝土噴層密實(shí)性變差，摻量過(guò)小導(dǎo)致噴層流淌下墜形成微裂紋或掉塊。因此，必須在噴射混凝土作業(yè)時(shí)嚴(yán)格控制速凝劑摻量，以達(dá)到質(zhì)量控制和節(jié)約成本的目的。一般來(lái)說(shuō)，拱部周?chē)倌齽搅勘冗厜Ω浇源?，且噴射速度也相?duì)較慢。經(jīng)過(guò)操作人員實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)而談，邊墻噴射混凝土速率為11～20m3/h，最高可達(dá)27m3/h；拱部噴射混凝土速率約為15m3/h；邊墻噴射混凝土速凝劑的摻加量為3%～5%；拱部噴射混凝土速凝劑的摻加量為6%。

（6）混凝土的供料要連續(xù)，噴射過(guò)程中經(jīng)常停機(jī)，容易造成噴頭處賭管現(xiàn)象，清除堵管非常麻煩，且耽誤作業(yè)時(shí)間。造成堵管的因素如下：輸料管太干燥或潤(rùn)滑不夠、S擺管閥漏漿、輸料管泄漏、在輸料管和擺管閥里存留未洗干凈的混凝土、混凝土配比或骨料級(jí)配不合理、混凝土離析、混凝土已經(jīng)開(kāi)始初凝等。如果出現(xiàn)堵管，應(yīng)立即關(guān)閉機(jī)械手及計(jì)量泵，關(guān)掉輸送風(fēng)，拍打軟管，并倒掉管內(nèi)存留的混凝土，堵管處理完成后應(yīng)先加水噴射洗管，確保管路暢通后才能進(jìn)行再次噴射施工。

（7）噴射結(jié)束后，混凝土濕噴機(jī)械手駛離作業(yè)區(qū)域，在洞外不影響隧道正常施工的情況下，嚴(yán)格遵循規(guī)章制度和安全操作規(guī)程，對(duì)混凝土噴射機(jī)械手進(jìn)行日常維護(hù)和保養(yǎng)，并對(duì)其進(jìn)行定期檢查。放入速凝劑時(shí)候要注意它的腐蝕性，防止在放入的時(shí)候速凝劑泄漏?；炷羾娚錂C(jī)械手施工時(shí)，要帶有安全帽和其他防護(hù)裝置，防止意外發(fā)生。

5.機(jī)械手濕噴作業(yè)效果對(duì)比分析

5.1快速性

在同級(jí)圍巖條件下，把CHP25B混凝土濕噴機(jī)械手和傳統(tǒng)的小型TK600濕噴機(jī)做一對(duì)比。在正常施工條件下，機(jī)械手噴射速度快，效率高，機(jī)械手的噴射量為0～25m3/h，平均噴射量為12.5m3/h；而TK600濕噴機(jī)噴射量為0～6m3/h，平均噴射量為4m3/h。對(duì)比可知，一臺(tái)機(jī)械手的施工效率相當(dāng)于3臺(tái)TK600濕噴機(jī)同時(shí)施工的工作量。機(jī)械手采用汽車(chē)底盤(pán)，行走方面，設(shè)備到達(dá)工作面后只需將電纜線放開(kāi)接到配電箱內(nèi)，前后支腿撐起，使用遙控器將大臂和小臂移至帶噴位置，整個(gè)過(guò)程大約只需15min即可。如果使用TK600濕噴機(jī)，則需要用裝載機(jī)分別將2臺(tái)設(shè)備及配套設(shè)施放到帶噴地點(diǎn)附近，然后依次連接電機(jī)電纜線、高壓風(fēng)管、速凝劑管等，整個(gè)準(zhǔn)備過(guò)程大約需要60min。與利用噴漿臺(tái)架?chē)娚浠炷料啾容^，機(jī)械手的移動(dòng)更方便且噴射范圍廣，很好的提高了作業(yè)循環(huán)的速度。

5.2經(jīng)濟(jì)效益及安全性分析

對(duì)于噴射混凝土回彈方面，如果采用小型濕噴機(jī)施工，噴射混凝土的回彈率可超過(guò)25%，而機(jī)械手的回彈率則可控制在15%以內(nèi)，大大降低了初期支護(hù)噴射混凝土的消耗成本；對(duì)于人員配置方面，采用用小型濕噴機(jī)施工，一臺(tái)設(shè)備至少配備4人（上料人員、添加速凝劑人員、噴射操作人員和輔助人員），一般需配2臺(tái)設(shè)備同時(shí)施工，而濕噴機(jī)械手作業(yè)只需3人（設(shè)備操作手、放料人員、維修工人兼輔助人員）便可控制整個(gè)施工過(guò)程。這樣一來(lái)就節(jié)省了5名勞動(dòng)力；對(duì)于施工效率方面，兩臺(tái)小型濕噴機(jī)的噴射混凝土量大約是9m3/h，一臺(tái)CHP25B濕噴機(jī)械手的噴射混凝土量平均是12.5m3/h，是2臺(tái)小型濕噴機(jī)的1.39倍；對(duì)于職業(yè)健康方面，粉塵濃度大，可見(jiàn)度差，而使用機(jī)械手時(shí)，操作人員可站在噴射面5～10m的位置遙控作業(yè)，粉塵少、噪音小，通過(guò)佩戴防塵裝置，可基本避免對(duì)操作人員的傷害。

6.結(jié)束語(yǔ)

機(jī)械手具有施工機(jī)械化程度高、工作效率高、回彈量少、施工安全性強(qiáng)、作業(yè)環(huán)境好、總的經(jīng)濟(jì)效益顯著等優(yōu)點(diǎn)。但是操作手的熟練程度及技術(shù)水平的高低嚴(yán)重影響到了施工平整度和回彈量問(wèn)題，也是使用機(jī)械手施工的問(wèn)題所在，所以目前通過(guò)實(shí)戰(zhàn)操作及廠家人員現(xiàn)場(chǎng)指導(dǎo)對(duì)操作手技術(shù)的提高將作為重中之重。

總而言之，混凝土濕噴機(jī)械手是現(xiàn)代隧道初期支護(hù)施工中不可缺少的一部分，因此也把混凝土濕噴機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行論述，對(duì)隧道施工更具有實(shí)用價(jià)值和安全價(jià)值。隨著我國(guó)科學(xué)技術(shù)的持續(xù)發(fā)展，隧道施工質(zhì)量也在不斷提高，所以混凝土濕噴機(jī)械手技術(shù)在隧道施工中的廣泛應(yīng)用也是現(xiàn)代城市建筑中的必然，其能提高整個(gè)建筑施工的質(zhì)量，也能保證施工人員的安全性，同時(shí)也能滿足項(xiàng)目對(duì)隧道施工的各種需求。因此混凝土濕噴機(jī)械手技術(shù)的日益完善及在隧道施工中的廣泛使用，將促進(jìn)隧道建筑工程的進(jìn)一步發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

［1］宋曉輝，徐飛萍，方耀卿，等.公路隧道濕噴工藝一體化施工方案研究［J］.山東交通科技，2008（2）

［2］張碩.談隧道濕噴混凝土施工工藝［J］.山西建筑，2009（3）

［3］徐家炎.公路隧道濕噴混凝土施工技術(shù)與研究［J］.西部探礦工程，2006（ 增刊）

［4］鄭朝保，羅朝廷.噴漿機(jī)械手在支護(hù)工程中的應(yīng)用［J］.鐵道建筑，2005（ 11）

［5］董翔宇，韓曉剛.淺談隧道初期支護(hù)噴射混凝土濕噴施工［J］.北方交通，2009（10）