隧道濕噴混凝土設(shè)備選型及應(yīng)用研究

謝江勝 廖太昌 賈林鵬 申運(yùn)濤

（中鐵二十局集團(tuán)有限公司 陜西西安 710016）

1 工程概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運(yùn)通道線(xiàn)路全長(zhǎng)1 814.41 km，從南至北跨越內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、湖北、湖南、江西等七個(gè)省級(jí)行政區(qū)［1］。

蒙華鐵路MHTJ-7標(biāo)段位于陜西省延安市，正線(xiàn)全長(zhǎng)為35.688 km，本標(biāo)段隧道總長(zhǎng)31.863 km，占標(biāo)段線(xiàn)路長(zhǎng)度的89.28%。隧道長(zhǎng)度及數(shù)量見(jiàn)表1。

表1 蒙華鐵路MHTJ-7標(biāo)段隧道統(tǒng)計(jì)

2 噴射混凝土施工設(shè)備選型基本要求

（1）安全可靠：結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，安全度高。

（2）噴射混凝土質(zhì)量好：速凝劑和混凝土高效混合，回彈率低。

（3）適用范圍廣：適應(yīng)不同路況及不同斷面噴射作業(yè)［2-3］。

（4）經(jīng)濟(jì)環(huán)保：日常維修費(fèi)用低、設(shè)備損壞率低、污染小。

（5）施工效率高：宜采用噴射量不小于15 m3/h濕噴機(jī)械手。

本項(xiàng)目累計(jì)使用噴射混凝土機(jī)械手25臺(tái)，其中鐵建重工HPS3016S型混凝土噴射機(jī)械手（臺(tái)車(chē)）15臺(tái)、成都巖峰TKJ-15型混凝土噴射機(jī)械手（機(jī)組）10臺(tái)。

3 噴射混凝土原材料及配合比

3.1 噴射混凝土原材料

水泥、細(xì)骨料、粗骨料、速凝劑、減水劑、拌和用水等原材料要符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.2 噴射混凝土配合比

3.2.1 設(shè)計(jì)參數(shù)基本要求

（1）噴射混凝土設(shè)計(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25，1 d強(qiáng)度不小于10 MPa；

（2）坍落度設(shè)計(jì)為100～120 mm；

（3）水膠比不大于0.50；

（4）膠凝材料用量不小于 400 kg/m3；

（5）減水劑摻量0.5%～1.0%；

（6）速凝劑摻量4%～5%；

（7）砂子細(xì)度模數(shù)2.6～3.2，砂率45%～60%；

（8）粗骨料最大公稱(chēng)粒徑5～10 mm，連續(xù)級(jí)配；

（9）粗灰比宜為 1∶4～1∶5。

3.2.2 其他注意事項(xiàng)

除考慮上述基本參數(shù)以外，還需考慮濕噴臺(tái)車(chē)的各項(xiàng)性能指標(biāo)，混凝土坍落度、骨料最大粒徑對(duì)不同型號(hào)機(jī)械手噴射的混凝土效果不同。因此，根據(jù)本工程具體情況，采用HPS3016S型（鐵建重工）、TKJ-15型（成都巖峰）噴射機(jī)械手，分別設(shè)計(jì)了兩組不同參數(shù)的混凝土配合比（C25）進(jìn)行隧道初支噴射試驗(yàn)［9-10］，見(jiàn)表2～表 3。

表2 隧道噴射混凝土理論配合比選定（HPS3016S型）

表3 隧道噴射混凝土理論配合比選定（TKJ-15型）

4 機(jī)械手噴射混凝土施工工藝

為了保證機(jī)械手操作空間，將上臺(tái)階高度調(diào)整為4 m。對(duì)于臺(tái)階預(yù)留的核心土，在噴射混凝土前進(jìn)行挖除或局部修整，以確保機(jī)械手有足夠正常作業(yè)空間。機(jī)械手噴射工藝流程［11］見(jiàn)圖1。

圖1 濕噴混凝土機(jī)械手噴射工藝流程

4.1 施工準(zhǔn)備

（1）復(fù)核開(kāi)挖斷面：檢查開(kāi)挖斷面凈空尺寸是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

（2）設(shè)置厚度控制標(biāo)：埋設(shè)控制噴混凝土厚度的標(biāo)志（見(jiàn)圖2），現(xiàn)場(chǎng)利用設(shè)計(jì)的定位鋼筋頭作為控制噴射混凝土厚度的標(biāo)志。

圖2 埋設(shè)噴射混凝土厚度標(biāo)志

（3）平整場(chǎng)地：采用挖機(jī)對(duì)初支仰拱臨時(shí)回填面進(jìn)行平整，確保混凝土噴射臺(tái)車(chē)在穩(wěn)定、平整的場(chǎng)地上完成支腿工作。

（4）通風(fēng)及照明：保證作業(yè)區(qū)內(nèi)具有良好通風(fēng)和照明條件。

（5）電源接入：機(jī)械手使用外界接入電源為380 V，并檢查相關(guān)設(shè)備及接入的電力線(xiàn)路。

（6）設(shè)備調(diào)試：檢查設(shè)備電力線(xiàn)路、液壓、氣壓系統(tǒng)等正常后，啟動(dòng)設(shè)備。先少量打入速凝劑試噴，確認(rèn)液體速凝劑管路暢通。

（7）噴射基面處理：采用機(jī)械手高壓風(fēng)沖洗受?chē)娒嫔系母m、巖屑。如果受?chē)娒嬗行」伤蛄严稘B漏水，采用土工布包裹φ90盲管引排至排水溝；如有大量積水時(shí)采用積水坑集中匯水后用潛水泵排至排水溝；如開(kāi)挖面有大量滲水應(yīng)在施工前進(jìn)行超前注漿堵水處理。

（8）環(huán)境溫度保證：現(xiàn)場(chǎng)保證噴射混凝土作業(yè)的環(huán)境溫度不得低于5℃，必要時(shí)采用暖風(fēng)機(jī)或搭設(shè)暖棚進(jìn)行保溫。

4.2 機(jī)械手噴射混凝土作業(yè)

圖3 混凝土噴射作業(yè)

（1）初噴

沿隧道開(kāi)挖斷面從一側(cè)拱腳開(kāi)始噴射經(jīng)過(guò)拱部直至另一側(cè)拱腳結(jié)束（見(jiàn)圖3）。邊墻首次噴射時(shí)噴射厚度應(yīng)控制在10～15 cm，拱部首次噴射應(yīng)控制在5～10 cm。待混凝土初凝后再自下而上進(jìn)行復(fù)噴。仰拱在噴射時(shí)應(yīng)先噴射中間再?lài)娚鋬蛇?，中間噴射厚度應(yīng)大于兩邊厚度。

（2）復(fù)噴

邊墻復(fù)噴時(shí)在第一次初噴基礎(chǔ)上直接噴射至設(shè)計(jì)厚度。拱部每次噴射厚度應(yīng)控制在4～5 cm，每次噴射間隔5～10 min，這樣可以大量減少回彈量。噴射過(guò)程中噴嘴與受?chē)娒骈g距宜為1.0～1.5 m，噴嘴噴射過(guò)程中連續(xù)、緩慢做橫向或環(huán)向移動(dòng)。若受?chē)娒姹讳摷?、鋼筋網(wǎng)遮擋時(shí)，根據(jù)具體情況變換噴嘴的噴射角度和與受?chē)娒娴木嚯x，將鋼架、鋼筋網(wǎng)背后噴填密實(shí)。

在噴邊墻下部（臺(tái)階法施工上半斷面拱腳）及仰拱時(shí)，需將上半斷面噴射時(shí)的回彈物清理干凈，防止將回彈物卷入下部噴層中形成“蜂窩”，造成初支混凝土強(qiáng)度降低。

噴射過(guò)程中如遇到受?chē)娒嬗辛严稘B漏水時(shí)，應(yīng)先噴射無(wú)水處再逐漸噴射覆蓋至有滲水處。在噴射滲水處時(shí)速凝劑使用量可在標(biāo)準(zhǔn)摻量的基礎(chǔ)上增加0.5%～2.0%的用量，總的摻量不得超過(guò)水泥用量的6.0%。

（3）混凝土的養(yǎng)護(hù)

噴射混凝土后應(yīng)立即進(jìn)行潮濕性養(yǎng)護(hù)，一般養(yǎng)護(hù)不少于14 d或養(yǎng)護(hù)至隧道二襯混凝土施工。噴射混凝土作業(yè)的環(huán)境溫度不得低于5℃。

4.3 異常情況處理措施

（1）超挖過(guò)大處理

當(dāng)出現(xiàn)局部超挖（≤50 cm）時(shí)應(yīng)在噴射過(guò)程中分層布設(shè)鋼筋網(wǎng)片分層噴射混凝土回填；當(dāng)出現(xiàn)局部超挖（＞50 cm）時(shí)應(yīng)埋設(shè)注漿管，待噴射混凝土達(dá)到10 MPa后及時(shí)注漿填充或C20泵送混凝土填充。

（2）常見(jiàn)設(shè)備故障

常見(jiàn)的設(shè)備故障有高壓油管爆裂、噴頭爆裂及堵管等，可通過(guò)及時(shí)更換備用易損件快速處理，施工作業(yè)前應(yīng)加強(qiáng)檢查。出現(xiàn)堵管的主要原因有混凝土坍落度偏小、原材料中混入了其它粒徑的石料、噴射待料時(shí)間間隔過(guò)長(zhǎng)（大于40 min）、設(shè)備出現(xiàn)故障等。

出現(xiàn)混凝土堵管時(shí)應(yīng)通過(guò)目測(cè)和敲擊檢查確定堵管部位。一般情況下四臂處的軟管和底盤(pán)處軟管容易堵塞，根據(jù)檢查結(jié)果快速處理。

應(yīng)在出廠(chǎng)前和到達(dá)施工現(xiàn)場(chǎng)后分別檢查混凝土坍落度，不滿(mǎn)足規(guī)定嚴(yán)禁出廠(chǎng)。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)坍落度小于規(guī)定要求時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)人員可通過(guò)配置好的減水劑調(diào)整坍落度。

5 質(zhì)量檢測(cè)

5.1 噴射混凝土厚度檢測(cè)

施工過(guò)程中隨時(shí)采集斷面數(shù)據(jù)，通過(guò)噴射混凝土前及噴射混凝土結(jié)束后掃描斷面對(duì)比以及鉆芯取樣檢測(cè)噴射厚度（見(jiàn)圖4）。噴混凝土的厚度應(yīng)符合以下規(guī)定：平均厚度大于設(shè)計(jì)厚度；檢查點(diǎn)數(shù)的80%及以上大于設(shè)計(jì)厚度；最小厚度不小于設(shè)計(jì)厚度的2/3。

圖4 現(xiàn)場(chǎng)初支取芯檢查

5.2 噴射混凝土密實(shí)度檢測(cè)

初支噴射混凝土背后與圍巖之間存在空洞時(shí)會(huì)導(dǎo)致圍巖松弛致使支護(hù)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，從而損傷支護(hù)結(jié)構(gòu)的功能，降低其承載力，極大地影響隧道的安全使用。由于初支內(nèi)部和背后從表面觀(guān)察難以發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)踐中采用方便快捷的地質(zhì)雷達(dá)連續(xù)檢測(cè)法和效果直觀(guān)的局部鉆芯取樣法對(duì)初支噴射混凝土進(jìn)行密實(shí)度缺陷檢測(cè)，隨時(shí)掌握初支噴射混凝土質(zhì)量，以便施工過(guò)程中隨時(shí)調(diào)整施工參數(shù)、采取處理措施及時(shí)改進(jìn)施工質(zhì)量（見(jiàn)圖5）。

5.3 噴射混凝土強(qiáng)度檢測(cè)

采用射釘法檢測(cè)噴射混凝土1 d（24 h）抗壓強(qiáng)度（見(jiàn)圖6），檢測(cè)方法為每一作業(yè)循環(huán)或每工班檢測(cè)一次，每次應(yīng)檢測(cè)3個(gè)測(cè)區(qū)。

圖5 初支斷面地質(zhì)雷達(dá)掃描檢測(cè)

圖6 射釘法檢測(cè)1 d強(qiáng)度

6 濕噴機(jī)械手與小型噴射設(shè)備綜合分析

6.1 混凝土噴射機(jī)械手優(yōu)點(diǎn)

（1）作業(yè)效率大幅提高

濕噴機(jī)械手設(shè)備功能齊全，無(wú)需外接高壓風(fēng)，減少了施工準(zhǔn)備時(shí)間。噴射作業(yè)實(shí)現(xiàn)了大功率機(jī)械化，噴射速度快，大大節(jié)省施工時(shí)間，加快了施工速度。以拱部為例，小型濕噴機(jī)作業(yè)時(shí)間需8.5 h，機(jī)械手作業(yè)時(shí)間為2.5 h，機(jī)械手工效為小型濕噴機(jī)的3.4倍。

（2）作業(yè)環(huán)境明顯改善

濕噴機(jī)械手作業(yè)過(guò)程中可達(dá)到對(duì)混凝土和速凝劑流量及頻率的同步程序控制，在實(shí)現(xiàn)對(duì)速凝劑精確添加、保證速凝劑最優(yōu)摻量的同時(shí)，有效降低了因煙塵和速凝劑揮發(fā)而造成的空氣污染。采用機(jī)械手濕噴工藝，作業(yè)人員可站在距噴射面約10 m以外的安全位置，通過(guò)操作“遙控器”來(lái)控制噴射臂手進(jìn)行噴砼作業(yè)。與小型濕噴機(jī)需人工手持噴槍短距離噴射方式相比，作業(yè)環(huán)境有很大改善，更環(huán)保、更利于作業(yè)人員職業(yè)健康。

（3）實(shí)體質(zhì)量更加穩(wěn)定

普通濕噴機(jī)添加速凝劑為人工操作方式，誤差相對(duì)較大，同時(shí)常規(guī)小型濕噴機(jī)需采用人工手持噴槍近距離噴射（約1.2～1.5 m），回彈石子、作業(yè)粉塵、圍巖軟弱破碎部位的掉塊風(fēng)險(xiǎn)及上下作業(yè)臺(tái)架不便等都會(huì)對(duì)手持噴槍工人產(chǎn)生影響，造成噴射距離、角度不能?chē)?yán)格執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)而帶來(lái)噴射砼質(zhì)量不穩(wěn)定。

濕噴機(jī)械手配備液態(tài)添加劑自動(dòng)計(jì)量輸送裝置，能夠精確地添加速凝劑，能自動(dòng)對(duì)混凝土和速凝劑流量同步控制，保證速凝劑的最優(yōu)摻量；機(jī)械手噴砼可以保證噴射角度、距離，再加上機(jī)械手噴射的流量穩(wěn)定、速度均勻，并能實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)連續(xù)濕噴，濕噴混凝土表面平整度較好，初期支護(hù)混凝土強(qiáng)度高、整體性強(qiáng)、密實(shí)度好；濕噴混凝土機(jī)械手的大臂和小臂通過(guò)油缸行程，在噴射機(jī)組不移動(dòng)的情況下，噴射高度可達(dá)16 m，噴射寬度可達(dá)28 m，具有較高的方便快捷性，可以噴射到人工無(wú)法噴射的死角部位。

（4）作業(yè)安全性更高

普通濕噴機(jī)進(jìn)行施工時(shí)，作業(yè)人員需在尚未進(jìn)行支護(hù)的圍巖下面進(jìn)行作業(yè)，人員作業(yè)安全難以保證。采用機(jī)械手施工，濕噴機(jī)械手處于已經(jīng)完成初期支護(hù)的位置，操控作業(yè)人員可在遠(yuǎn)離支護(hù)作業(yè)面（10 m左右）對(duì)濕噴機(jī)臂手進(jìn)行遙控操作，避免了掌子面塌方對(duì)作業(yè)人員和機(jī)械設(shè)備的安全威脅，作業(yè)安全性大大提高。

6.2 混凝土噴射機(jī)械手不足之處

（1）一次性投入設(shè)備購(gòu)置費(fèi)用較高。

（2）設(shè)備電壓穩(wěn)定性要求較高（通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，設(shè)備接入電壓低于360 V時(shí)設(shè)備將無(wú)法啟動(dòng)；接入電壓低于400 V時(shí)，設(shè)備工作狀態(tài)不穩(wěn)定）。

（3）設(shè)備體積較大，需占用較大作業(yè)空間。

（4）設(shè)備高度智能化，需要配備專(zhuān)業(yè)的操作和檢修人員（經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，專(zhuān)業(yè)人員達(dá)到熟練操作需要90 d）。

6.3 設(shè)備經(jīng)濟(jì)性分析

由表4可知［12］，HPS3016S型與 GWSP-9型濕噴機(jī)相比，1 m3噴射混凝土綜合費(fèi)用節(jié)省約25.4元。

表4 設(shè)備經(jīng)濟(jì)性分析（1 m3噴射混凝土）

7 結(jié)論

全標(biāo)段共采用了25臺(tái)機(jī)械手經(jīng)過(guò)兩年的濕噴工藝施工表明，與小型噴射機(jī)相比，作業(yè)效率提高3倍以上，噴射混凝土332 155.42 m3，節(jié)約成本約843.7萬(wàn)元。經(jīng)實(shí)體質(zhì)量檢測(cè)全部達(dá)到設(shè)計(jì)要求，噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵含量大大減少，作業(yè)環(huán)境明顯改善，作業(yè)人員職業(yè)健康得到保障；操控人員可遠(yuǎn)離支護(hù)面作業(yè)，安全性大大提高。