機(jī)械手噴射混凝土在黃土隧道施工中的應(yīng)用

張淮洲

(中鐵十八局集團(tuán)有限公司經(jīng)濟(jì)管理部 天津 300222)

1 引言

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展及鐵路等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的日益完善，我國(guó)隧道修建技術(shù)取得了豐富的經(jīng)驗(yàn)及研究成果，其中噴射混凝土支護(hù)方法在我國(guó)水利、水電和地鐵等大斷面地下工程中得到了廣泛的應(yīng)用[1]，噴射混凝土工藝主要有干式噴射混凝土、潮式噴射混凝土、濕式噴射混凝土等方法[2]。由于濕式噴射混凝土具有效率高、回彈率低、工程質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，成為重要的支護(hù)作業(yè)方法。其中，李文湛[3]采用雙螺旋全液壓濕式混凝土噴射機(jī)實(shí)現(xiàn)了濕式混凝土噴漿作業(yè)，胡廣正[4]采用防爆柴油機(jī)濕式混凝土噴射車載巷道施工中進(jìn)行作業(yè)，極大地改善了作業(yè)環(huán)境，提高施工效率，闞江[5]研制了JPS型濕式混凝土噴射機(jī)并進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，該設(shè)備能夠改善噴射混凝土的品質(zhì)，提高混凝土的均質(zhì)性。

本文對(duì)濕噴混凝土機(jī)械手在蒙華鐵路黃土隧道施工中的應(yīng)用進(jìn)行研究，以期對(duì)隧道支護(hù)施工具有借鑒意義。

2 工程概況

新建蒙華鐵路運(yùn)煤通道土建MHTJ-5標(biāo)，標(biāo)段全長(zhǎng)35.96 km，其中隧道14座，長(zhǎng)度27.359 km。隧道地處中朝古臺(tái)地鄂爾多斯盆地伊陜斜坡區(qū)，區(qū)內(nèi)地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，地勢(shì)東高西低。隧道穿越地層從新至老依次為:第四系砂質(zhì)新黃土、黏質(zhì)老黃土、白堊系砂巖等。黃土地層在天然含水量狀態(tài)下，具有較高的強(qiáng)度，較小壓縮性。但當(dāng)黃土隧道受開挖擾動(dòng)后，使其喪失水分，造成顆粒間聯(lián)結(jié)強(qiáng)度降低，在上部荷重作用下，大孔隙結(jié)構(gòu)破壞，孔隙體積減小，黃土變形體的穩(wěn)定性更差，更容易導(dǎo)致拱部掉塊垮塌。

黃土隧道的工程性質(zhì)決定了加快初期支護(hù)施工對(duì)隧道穩(wěn)定起著至關(guān)重要的作用，同時(shí)隧道拱部掉塊對(duì)于噴射混凝土作業(yè)人員存在安全隱患。

3 濕噴混凝土機(jī)械手性能特點(diǎn)及其施工工藝流程

3.1 HPS3016S濕噴混凝土機(jī)械手

HPS3016混凝土噴射臺(tái)車集行走、泵送和噴射三大功能于一體，整機(jī)性能穩(wěn)定，操作簡(jiǎn)單，具有生產(chǎn)率高、回彈度低、施工質(zhì)量高的特點(diǎn)。濕噴機(jī)械手工作效率遠(yuǎn)超小型濕噴機(jī)。根據(jù)風(fēng)壓控制情況，每小時(shí)噴射混凝土的數(shù)量介于8～20 m3之間；且濕噴機(jī)械手的作業(yè)范圍比小型濕噴機(jī)大，其最大噴射高度可達(dá)17.5 m，噴射寬度可達(dá)31.4 m，一次定位后其噴射的移動(dòng)距離可達(dá)15.3 m。HPS3016S濕噴混凝土機(jī)械手基本參數(shù)見表1。

表1 HPS3016S濕噴混凝土機(jī)械手基本參數(shù)

3.2 噴混工藝流程

HPS3016S濕噴混凝土機(jī)械手噴混工藝流程見圖1。

圖1 噴混工藝流程

3.2.1 施工準(zhǔn)備

(1)受噴基面處理

在鋼架安裝作業(yè)前，應(yīng)對(duì)中、下臺(tái)階的連接板以及前一循環(huán)的噴混面，通過人工清理渣土及松散噴混料等措施，增加混凝土和鋼架的連接力。噴混作業(yè)前，黃土圍巖基面應(yīng)采用濕噴機(jī)械手控制高壓風(fēng)吹凈巖面；對(duì)于圍巖表面的超挖部分，可在該區(qū)域通過增設(shè)錨桿掛網(wǎng)等措施使其密貼受噴面。

(2)噴混厚度標(biāo)記

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況，可采用鋼架焊接鋼筋頭來做厚度標(biāo)記，也可由操作人員根據(jù)操作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行噴混凝土厚度的控制。

(3)濕噴機(jī)械手準(zhǔn)備

①選用的變壓器需滿足濕噴機(jī)械手工作時(shí)的電壓要求，其工作電壓不得小于360 V。

②濕噴混凝土需滿足設(shè)計(jì)要求，并需保證濕噴機(jī)械手對(duì)混凝土的坍落度、和易性要求。

③濕噴混凝土機(jī)械手的作業(yè)區(qū)域內(nèi)，需要有良好的照明及通風(fēng)等條件。

④噴射混凝土作業(yè)的溫度要求，工作環(huán)境溫度不得低于5℃，速凝劑的溫度不得低于15℃。

3.2.2 噴射作業(yè)

濕噴混凝土的粗骨料要求，粒徑要小于15 mm，混凝土的坍落度嚴(yán)格控制在160～200 mm為宜[6－7]。濕噴混凝土拌和采用全自動(dòng)計(jì)量強(qiáng)制式攪拌機(jī)，混凝土的攪拌時(shí)間應(yīng)大于180 s；濕噴混凝土作業(yè)時(shí)，速凝劑通過濕噴機(jī)械手電腦控制系統(tǒng)中輸入摻量數(shù)據(jù)后由機(jī)械自動(dòng)添加。

采用混凝土輸送車運(yùn)輸混凝土。噴射混凝土應(yīng)根據(jù)每循環(huán)混凝土噴射作業(yè)工程量及運(yùn)輸距離來配備混凝土運(yùn)輸罐車，通常配備2～4臺(tái)10 m3罐車便可滿足現(xiàn)場(chǎng)施工需要。混凝土供應(yīng)要連續(xù)，噴射混凝土在工作現(xiàn)場(chǎng)的等待時(shí)間不應(yīng)大于30 min，且嚴(yán)禁操作業(yè)人員私自對(duì)混凝土加水。施工時(shí)，依據(jù)濕噴混凝土回彈量的大小來調(diào)整風(fēng)壓。

(1)有水地段進(jìn)行濕噴作業(yè)，首先噴射遠(yuǎn)離出水點(diǎn)處，向出水點(diǎn)慢慢逼近，同時(shí)匯聚散水點(diǎn)，放置導(dǎo)管引水；然后逼近導(dǎo)管噴射混凝土，待混凝土終凝之后再進(jìn)行漏水處理。

(2)進(jìn)行濕噴作業(yè)，噴頭宜與受噴面垂直，適宜距離為1.0～1.5 m。噴頭需做緩慢、連續(xù)移動(dòng)，以使得噴層厚度較均勻。

(3)濕噴作業(yè)宜先進(jìn)行下臺(tái)階噴混，然后進(jìn)行初支仰拱的噴混施工，最后濕噴機(jī)械手前移就位進(jìn)行上、中臺(tái)階交叉噴混作業(yè)。

為了便于混凝土噴射作業(yè)，初支仰拱端頭回填平臺(tái)與下臺(tái)階頂部采用12 m自制棧橋搭設(shè)，提供噴混工作面，同時(shí)確保上、中臺(tái)階噴混結(jié)束后初支仰拱噴射混凝土達(dá)到終凝，具備回填的條件，保證初支仰拱的混凝土在機(jī)械設(shè)備移動(dòng)時(shí)不被破壞。

(4)濕噴混凝土作業(yè)原則上按照分段、分片、分層依次進(jìn)行，噴射混凝土采用自下而上順序，分段不應(yīng)大于6 m長(zhǎng)度；作業(yè)時(shí)先把低洼處噴平整[8－9]。

(5)濕噴作業(yè)采取先墻身后拱部，以S形曲線進(jìn)行移動(dòng)噴射。噴頭與受噴面的距離和角度需要嚴(yán)格控制，同時(shí)關(guān)注風(fēng)壓和噴頭的移動(dòng)速度。作業(yè)時(shí)，噴頭應(yīng)垂直于受噴面，否則會(huì)增加濕噴混凝土的回彈率，影響密實(shí)度；作業(yè)時(shí)垂直于巖面，濕噴混凝土連續(xù)的“稀薄流”能將反彈物二次鑲嵌，可減少回彈率，大大增加一次性濕噴厚度[10－11]。

(6)濕噴混凝土作業(yè)分區(qū)按照自下而上、由近漸遠(yuǎn)的空間作業(yè)，上臺(tái)階從兩側(cè)拱腳開始噴射，噴射到拱頂中心線位置閉合。中、下臺(tái)階從拱腳開始噴射，直至噴射到連接板處。從下至上可防止上部噴料虛掩拱腳不密實(shí)，造成強(qiáng)度不夠，拱腳失穩(wěn)。噴射混凝土要注意應(yīng)先噴射鋼架與上一循環(huán)鋼架間的混凝土，再施做其余鋼架之間的混凝土。

(7)黃土隧道施工，噴射混凝土一次噴射厚度應(yīng)通過工藝試驗(yàn)確定，要考慮到隧道洞內(nèi)環(huán)境溫度、混凝土配合比、速凝劑摻量、操作司機(jī)等因素都對(duì)一次噴射厚度產(chǎn)生的影響。一般可通過目測(cè)觀察，一次性濕噴的厚度以混凝土不滑移、不墜落為佳[10]。第一層噴混為掃面，噴混厚度3～4 cm，第二層噴混厚度10 cm左右，第三層噴混為收面即噴混覆蓋住拱架即可，并有兩名工人配合鏟拱找平，清理拱腳回彈料[12－13]。

(8)噴射時(shí)，噴頭應(yīng)保持與受噴面垂直。噴射交角過小將增加混凝土的回彈率，降低噴射密實(shí)度；垂直于巖面噴射時(shí)，連續(xù)的混凝土對(duì)反彈物有二次嵌入作用，可以降低回彈率。每層間隔時(shí)間10～15 min，噴頭與圍巖距離1.5 m左右，角度垂直，噴頭上下1 m范圍內(nèi)擺動(dòng)噴射[14]。

3.2.3 施工注意事項(xiàng)

在濕噴作業(yè)中，人工操作自加工鏟具，鏟去拱架貼巖面內(nèi)側(cè)及拱架之間較為突出的濕噴混凝土，最后整體再進(jìn)行補(bǔ)噴一下，就可以滿足平整度要求。濕噴混凝土作業(yè)前需要對(duì)拱架連接板上方予以整修，鏟除較為凸起的部分，保證初支濕噴混凝土表面的平整度，方便拱墻襯砌工序順利實(shí)施。在混凝土輸送車裝濕噴料之前，需要查看罐內(nèi)是否有水、污物(雨水、雜物等)，濕噴混凝土運(yùn)輸至作業(yè)地點(diǎn)后，罐車先要高速旋轉(zhuǎn)1～2 min，減少因運(yùn)輸導(dǎo)致的混凝土骨料離析。濕噴混凝土作業(yè)完成后，需對(duì)不夠密實(shí)的部位予以鑿除，面積較大的予以補(bǔ)噴，面積較小的予以濕噴混凝土填充補(bǔ)償處理。濕噴混凝土作業(yè)時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)操作人員需要佩戴質(zhì)量達(dá)標(biāo)的安全帽、防塵口罩及護(hù)目鏡等相關(guān)安全防護(hù)用品。濕噴混凝土作業(yè)完成后，需要及時(shí)清洗、擦拭濕噴機(jī)械手，定期對(duì)設(shè)備維護(hù)保養(yǎng)，以保證濕噴機(jī)械手的良好性能。

4 結(jié)果分析

4.1 施工效率

機(jī)械手作業(yè)機(jī)械化程度高，施工作業(yè)僅需要4人(1名操作手、1名放料工、2名雜工)，并且作業(yè)人員均可位于已完成格柵鋼架支護(hù)的較為安全位置，通過操縱遙控器來調(diào)控噴頭進(jìn)行濕噴混凝土作業(yè)，保證了施工安全。濕噴機(jī)械手噴混效率可達(dá)20 m3/h，是普通小型濕噴機(jī)工效三倍以上[15]。以蒙華鐵路項(xiàng)目黃土隧道Ⅳa型復(fù)合式襯砌為例，單循環(huán)進(jìn)尺2.4 m，濕噴機(jī)噴混量為16.3 m3，濕噴作業(yè)時(shí)間平均約2 h，相比普通小型濕噴機(jī)縮短作業(yè)時(shí)間3 h以上，便于前后工序銜接，同時(shí)大幅度減輕了現(xiàn)場(chǎng)施工人員的勞動(dòng)強(qiáng)度，也改善了施工作業(yè)環(huán)境。

4.2 成本分析

濕噴混凝土機(jī)械手不僅施工效率高，而且施工成本也低。以蒙華鐵路黃土隧道Ⅳa型復(fù)合式襯砌為例，月進(jìn)度按110延米計(jì)算，從動(dòng)力耗費(fèi)、機(jī)械攤銷及人工成本等方面進(jìn)行綜合分析，見表2。

表2 噴射混凝土作業(yè)成本對(duì)比

根據(jù)上述計(jì)算，濕噴機(jī)械手單月成本費(fèi)用為12 076元＋48 000元＋48 000元＝108 076元，普通小型濕噴機(jī)單月成本費(fèi)用為55 710元＋78 000元＋775元＝134 485元；分析結(jié)果為濕噴機(jī)械手噴混凝土比普通小型濕噴機(jī)作業(yè)每月降低成本費(fèi)用26 409元。

4.3 損耗率分析

經(jīng)統(tǒng)計(jì)，蒙華鐵路王家灣隧道施工的各作業(yè)面機(jī)械手噴混凝土損耗率情況:損耗率介于51.4% ～89.6%之間，累計(jì)平均損耗率為66.5%，與小型濕噴機(jī)作業(yè)的損耗率(平均96%左右)相比，降低噴射混凝土的損耗率29.5%，可單方節(jié)約噴射混凝土的直接材料費(fèi)成本約137元。

4.4 監(jiān)控?cái)?shù)據(jù)分析

由于現(xiàn)場(chǎng)施工條件復(fù)雜，為保證斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的完整性，沿隧道走向布置監(jiān)測(cè)點(diǎn)共4個(gè)，分別位于里程DK270＋445、里程DK270＋510、里程DK270＋450、里程DK270＋515，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 隧道監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置

從圖3可以看出，里程DK270＋445試驗(yàn)斷面最大拱頂沉降值為16.75 mm，拱肩最大收斂值為16.75 mm，邊墻最大收斂值在13.32 mm，里程DK270＋450試驗(yàn)斷面前期拱頂位移增加較快，而后變得平緩，最大拱頂沉降值為17.72 mm，拱肩最大收斂值為11.83 mm，邊墻最大收斂值在9.17 mm；里程DK270＋510試驗(yàn)斷面最大拱頂沉降值為19.88 mm，拱肩最大收斂值為16.32 mm，邊墻最大收斂值在14.32 mm，里程DK270＋515試驗(yàn)斷面最大拱頂沉降值為15.92 mm，拱肩最大收斂值為17.83 mm，邊墻最大收斂值在17.17 mm。對(duì)于圍巖收斂情況，各斷面監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相差不大，總體上，采用濕噴混凝土機(jī)械手施工，各個(gè)試驗(yàn)段拱頂沉降及邊墻收斂均在初期支護(hù)封閉完成之后逐漸收斂，并趨于穩(wěn)定，滿足規(guī)范要求。

圖3 隧道沉降收斂曲線

5 結(jié)束語(yǔ)

采用機(jī)械手噴射混凝土施工過程中，把控好噴射混凝土原材料、拌制和運(yùn)輸，調(diào)整好速凝劑摻量和風(fēng)壓，對(duì)比機(jī)械手與普通小型濕噴機(jī)的施工效果得到以下結(jié)論:

(1)機(jī)械手作業(yè)機(jī)械化程度高，濕噴機(jī)械手噴混效率可達(dá)20 m3/h。

(2)采用濕噴混凝土機(jī)械手能夠有效降低施工成本，每月降低成本費(fèi)用26 409元，能夠降低噴射混凝土損耗率29.5%。

(3)在隧道中拱頂、拱肩、邊墻的沉降值監(jiān)測(cè)中，各斷面在初期支護(hù)后沉降及收斂值趨于穩(wěn)定，且滿足規(guī)范要求。

由此可見，濕噴機(jī)械手噴混作業(yè)對(duì)保證混凝土質(zhì)量、提高作業(yè)效率、降低回彈率、保護(hù)施工現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境和作業(yè)人員安全、降低混凝土損耗率等方面均起到重要的積極作用，同時(shí)也可降低項(xiàng)目的施工成本。根據(jù)監(jiān)控量測(cè)數(shù)據(jù)反應(yīng)情況，說明噴射混凝土在初期支護(hù)過程提供較大的支護(hù)力，有效約束圍巖變形，保證隧道的安全。