濕噴機械手在隧道初期支護(hù)中的應(yīng)用

■林兆新

（寧德沈海復(fù)線雙福高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352000）

0 引言

噴射混凝土施工是高速公路隧道初期支護(hù)的主要施工工藝，噴射混凝土施工又分為干噴和濕噴兩種工藝。干噴因施工質(zhì)量差、回彈率高、粉塵多，嚴(yán)重危害施工人員身體健康，近年來已基本被淘汰，目前的噴射混凝土施工主要是采用普通小型濕噴機進(jìn)行濕噴作業(yè)，但其施工時粉塵仍然遠(yuǎn)超規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，回彈率也很高，噴射質(zhì)量較差，因此濕噴機械手以其獨特的優(yōu)勢應(yīng)運而生。本文通過工程實例分析濕噴機械手的優(yōu)缺點，建議改進(jìn)設(shè)備并推廣應(yīng)用。

1 濕噴機械手工作原理及工藝流程

1.1 濕噴機械手工作原理

大型噴射混凝土機械手工作原理[1]是利用壓縮空氣將按設(shè)計配合比拌制的噴射混凝土沿著機械臂輸送至噴頭處，同時通過電腦控制摻量添加液體速凝劑與之混合，再用壓縮空氣高速噴射到隧道巖面上，形成初期支護(hù)層，如圖1。

1.2 濕噴機械手工藝流程

整個濕噴機械手的工藝流程包括：施工準(zhǔn)備（配合比設(shè)計、噴射混凝土拌制運輸、受噴面處理、機械手就位）、正式噴射施工（上料、添加速凝劑、操作噴射巖面）、質(zhì)量檢查（補噴）、結(jié)束（清洗保養(yǎng)），流程圖如圖2。

2 濕噴機械手的工程實際應(yīng)用

2.1 工程概況

圖1 大型噴射混凝土機械手工作基本原理

圖2 大型噴射混凝土機械手濕噴工藝流程

沈海復(fù)線福安至蕉城漳灣段高速公路起于福建省寧德福安市康厝鄉(xiāng)，終于寧德蕉城區(qū)漳灣鎮(zhèn)，路線全長32.31km，橋隧比45.6，采用設(shè)計時速80km/h，雙向四車道的高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。高山隧道是項目控制性工程，位于福安市溪潭鄉(xiāng)，屬于低山丘陵地貌，地表植被較發(fā)育，地形起伏變化較大，自然坡體的坡度約20～45°，局部達(dá)60°。洞口側(cè)自然坡體坡度10～20°，圍巖以強風(fēng)化凝灰熔巖為主，最大埋深為485m，深部圍巖為微風(fēng)化凝灰熔巖。隧道采用分離式雙洞型式布置，屬特長隧道，左洞4526m，右洞 4540m。

2.2 高山隧道濕噴機械手施工

2.2.1 機械設(shè)備的選擇

項目選用HPS3016S型混凝土噴射臺車，該設(shè)備理論噴射能力為30m3/h，噴射骨料最大粒徑為15mm，混凝土出口壓力為8bar，噴射最大高度17.5m，噴射寬度31.4m。該設(shè)備具有操作簡單，性能穩(wěn)定，噴射效果較好等優(yōu)點。

2.2.2 噴射混凝土配合比設(shè)計

（1）設(shè)計要求

設(shè)計強度為C25；設(shè)計塌落度為100±20mm。

（2）確定基準(zhǔn)配合比

通過混凝土配合比計算并試拌開展噴射試驗，經(jīng)多次調(diào)整摻量，最終確定基準(zhǔn)配合比如表1。

表1 噴射混凝土基準(zhǔn)配合比

（3）確定試驗室標(biāo)準(zhǔn)配合比

按基準(zhǔn)配合比進(jìn)行拌制，現(xiàn)場混凝土坍落度為105mm，混凝土粘聚性良好，拌合物性能符合施工要求。開展不同水膠比試驗驗證，基準(zhǔn)配合比水膠比為0.39，另外兩個水膠比分別增減0.03，砂率分別為βs=50%、βs=51%、βs=52%；用水量 W=182kg，分別稱料，試拌 40L，各材料用量如表2，試驗結(jié)果如表3。

試驗表明所選的配合比能滿足設(shè)計及施工要求，根據(jù)試驗結(jié)果，選定A組為試驗室標(biāo)準(zhǔn)配合比。

2.2.3 濕噴機械手現(xiàn)場施工

（1）材料準(zhǔn)備

噴射混凝土按配合比由拌合站集中拌制并利用混凝土罐車運輸至施工現(xiàn)場；液體速凝劑運至現(xiàn)場。

表2 三組驗證試驗材料用量

表3 三組混凝土各項性能指標(biāo)和強度

（2）人員準(zhǔn)備

1名操作手（兼司機）和2名輔工。其中操作手經(jīng)設(shè)備廠家專業(yè)培訓(xùn)，具備一定操作經(jīng)驗及熟練程度；2名輔工分別負(fù)責(zé)攪拌車下料和篩網(wǎng)上石子的清除工作，防止大粒徑骨料進(jìn)入輸送泵堵塞管路，后者同時負(fù)責(zé)觀察整機的工作情況，隨時與操作手溝通。

（3）環(huán)境準(zhǔn)備

Ⅲ級圍巖；濕噴機械手到位并使用正常；工作風(fēng)壓0.3MPa左右；隧道巖面清理完成；局部超挖預(yù)埋鋼筋網(wǎng)片完成。

（4）噴射施工

噴射順序采取先邊墻后拱部，從下到上，以S曲線進(jìn)行移動噴射。噴頭按要求與受噴面保持垂直，并距離巖面0.8～1.2m，如圖3。初次噴射完成間隔5～10min后進(jìn)行第二次噴射。如此重復(fù)噴射，直至厚度滿足設(shè)計要求。

圖3 噴射施工

2.2.4 濕噴機械手施工成效

（1）生產(chǎn)率

受工人操作及其他現(xiàn)場因素影響，濕噴機械手實際最高噴射能力約為27m3/h，平均噴射能力約為20m3/h。

（2）回彈率

根據(jù)現(xiàn)場實測數(shù)據(jù)，平均混凝土回彈率為9.20%（見表4），其中理論混凝土用量是根據(jù)激光斷面儀測量施工前后斷面尺寸計算所得。

表4 機械手施工回彈實測數(shù)據(jù)

圖4 施工效果

（3）噴射混凝土施工質(zhì)量

噴射混凝土外觀輪廓圓順，表面平整，噴射混凝土均勻密實，無干斑或流滑現(xiàn)象，表面未見滲水，如圖4。經(jīng)檢測，噴射混凝土24h強度均滿足設(shè)計及規(guī)范要求，平均達(dá)到12.3MPa。

（4）費用對比

高山隧道C25噴射混凝土綜合單價為395.71元/m3，在濕噴機械手投入使用時，高山隧道剩余噴射混凝土設(shè)計量約5000m3，工期6個月。如表5所示，使用濕噴機械手比使用小型濕噴機 （以HBTS15-6-22S泵送式濕噴機為例）費用節(jié)省約37.44元/m3。

表5 濕噴機械手與普通小型濕噴機費用對比表

3 濕噴機械手噴射施工注意事項

（1）噴射材料質(zhì)量控制

優(yōu)化配合比，混凝土最大粒徑不超過15mm，坍落度控制在100mm左右，同時所選擇的速凝劑要求質(zhì)量穩(wěn)定可靠，水膠比和速凝劑摻量也要嚴(yán)格控制，確保混凝土強度滿足設(shè)計要求。

（2）施工作業(yè)面清理

噴射前應(yīng)先對施工巖面進(jìn)行清理 （軟巖采用機械手自帶高壓風(fēng)吹洗、硬巖可采用水洗），清除巖面上的粉塵、碎石，保證巖面清潔，以提高噴射混凝土與巖面的附著力和黏結(jié)強度。

（3）穩(wěn)定工作環(huán)境

確保機械手工作風(fēng)壓穩(wěn)定，混凝土供應(yīng)連續(xù)，避免出現(xiàn)因噴射中斷造成噴頭處堵管，堵管清理困難且耗時，影響施工進(jìn)度。

（4）人員培訓(xùn)及技術(shù)交底

要求操作手具有一定操作經(jīng)驗和熟練程度，能夠有效控制單次噴射厚度和噴射范圍。操作員應(yīng)充分掌握“動大臂、移小臂”的操作要點，通過大小臂之間的協(xié)調(diào)，掌控小臂移動速度，確保噴射點的移動由點到線再到面，保證噴射混凝土的平整度[2]。同時按照噴射部位的不同需及時調(diào)整噴射速率和速凝劑摻量，邊墻噴射速率為18～20m3/h，速凝劑摻量為3%～5%，拱部噴射速率為15m3/h，速凝劑摻量為7%。

（5）分層噴射及厚度控制

一次初噴周期完成后，需間隙5～10min后方可復(fù)噴，同時通過預(yù)埋鋼筋以及分層噴射來保證噴射混凝土厚度。

4 濕噴機械手優(yōu)缺點

4.1 對比優(yōu)勢

與傳統(tǒng)的濕噴工藝相比，濕噴機械手施工具有生產(chǎn)率高、回彈率低、人員配置少、污染小、費用低、施工質(zhì)量好、操作簡單等優(yōu)點。

（1）生產(chǎn)率高

1臺傳統(tǒng)的小型濕噴機實際噴射混凝土量一般不超過6m3/h[3]，而一臺大型濕噴機械手（以HPS3016S濕噴機械手為例）理論噴射能力可達(dá)30m3/h，實際噴射能力也可達(dá)到27m3/h，生產(chǎn)效率是小型濕噴機4～5倍。

（2）回彈率低

傳統(tǒng)的泵送式濕噴機噴射混凝土回彈率平均達(dá)到25%，而大型濕噴機械手噴射混凝土回彈率可控制在10%以內(nèi)（本項目平均9.20%），大大降低材料損耗。

（3）人員配置少

1臺傳統(tǒng)的泵送式濕噴機需配備5名作業(yè)人員 （混凝土上料人員1人，速凝劑添加人員1人，噴槍操作人員1人，輔助人員2人），2個洞口正常需配備3臺濕噴機才能滿足施工要求，共需作業(yè)人員15人，而使用機械手噴射時僅需要3～4名作業(yè)人員（操作手1人，輔助工2人，修理工1人）即可完成整個噴射混凝土施工任務(wù)，其中修理工可由具備維修保養(yǎng)能力的操作手或輔助工兼任。

（4）污染較小

傳統(tǒng)的泵送式濕噴機作業(yè)工作環(huán)境極差，粉塵濃度普遍在40mg/m3以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2mg/m3的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。而濕噴機械手作業(yè)時粉塵很少，噪音也小，操作手在駕駛室進(jìn)行遙控操作，其他人員可站在噴射臺車后面，由于機械臂較長，人員所處位置距噴射面較遠(yuǎn)，工作環(huán)境較為舒適，同時通過佩戴面罩等防塵裝置，可進(jìn)一步降低對作業(yè)人員身體健康的影響。

（5）費用較低

在同等條件下，HPS3016S濕噴機械手噴射施工平均使用費用為589.16元/m3，傳統(tǒng)的HBTS15-6-22S泵送式濕噴機平均使用費用為626.60元/m3，每噴射1m3混凝土可節(jié)省費用約37.44元，高山隧道5000m3噴射混凝土，使用濕噴機械手合計可節(jié)省18.72萬元。沈海復(fù)線福安至蕉城漳灣段全線10座隧道，噴射混凝土設(shè)計量約8.4萬方，在不考慮其他因素的情況下，如若均采用濕噴機械手施工，僅在噴射混凝土施工方面合計可節(jié)省約300萬元。

（6）操作簡單，質(zhì)量好

精準(zhǔn)的速凝劑跟隨系統(tǒng)和自動噴射功能，無需人工時時操作，鍵盤操作更是簡單方便。同時濕噴作業(yè)由于水灰比人為影響小，易于控制，可極大改善噴射混凝土的質(zhì)量，使噴射混凝土均勻性好、強度高。

4.2 對比劣勢

與傳統(tǒng)濕噴機相比，濕噴機械手具有很大優(yōu)勢，但同時也存在很明顯的不足，如設(shè)備售價高、維修成本高、不夠靈活等。

（1）濕噴機械手售價高，如項目選用HPS3016S型混凝土噴射臺車售價達(dá)300萬元，而且設(shè)備零配件國產(chǎn)化程度低，很多要從國外進(jìn)口，修理成本較高，周期較長。普通小型濕噴機售價僅20余萬元，設(shè)備維修方便。

（2）濕噴機械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且較為精細(xì)，要求操作手具有一定的專業(yè)技術(shù)水平，維修保養(yǎng)人員需經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)，且設(shè)備需經(jīng)常性檢查清潔保養(yǎng)。

（3）設(shè)備尺寸較大，靈活性較差。HPS3016S型混凝土噴射臺車整機尺寸 11234×2500×3200（mm），而高山隧道人行橫洞設(shè)計開挖斷面尺寸僅2700×4000（mm），難以靈活展開施工。

（4）因濕噴機械手設(shè)備故障維修周期長、局部洞室無法使用，導(dǎo)致施工方必須另外配套普通濕噴機，以補充使用，人員設(shè)備費用將相應(yīng)增加。

5 結(jié)束語

近年來，全國工程領(lǐng)域都在推行標(biāo)準(zhǔn)化及機械化施工，2017年福建省高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化管理提出了再提升要求，在此背景下，本項目先后投入了8臺濕噴機械手用于全線長隧道初期支護(hù)施工，取得了良好效果。隨著務(wù)工人員工費不斷上漲和施工機械化要求的不斷提高，以及濕噴機械手設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，適用性和實用性不斷增強，憑借其能提高初期支護(hù)施工質(zhì)量、提高施工效率、降低施工成本、改善施工環(huán)境等優(yōu)勢，濕噴機械手不僅在隧道等地下工程領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，在基坑施工、邊坡防護(hù)等方面也可廣泛應(yīng)用。

[1]劉生華.新型混凝土噴射機械手在隧道工程中的應(yīng)用[J].建筑機械技術(shù)與管理，2011（02）：86-89.

[2]王俊，琚元元，周洋.混凝土濕噴機械手在長大隧道中的應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2015（15）：181-182.

[3]陳大琪.混凝土噴射機械手的應(yīng)用及構(gòu)思[J].中國水運，2014（07）：181-182.