隧道濕噴機(jī)械手初期支護(hù)中的施工技術(shù)

陳慶飛

（中鐵建大橋工程局集團(tuán)第三工程有限公司，遼寧 沈陽 312452）

1 工程概述

張?jiān)?#隧道為單洞雙線濕陷性黃土隧道，全長596m，隧道主要采用三臺(tái)階臨時(shí)仰拱法施工，初期支護(hù)采用60cm間距格柵拱架，噴射30cm厚的C25砼進(jìn)行支護(hù)。初期支護(hù)是隧道的主要承載結(jié)構(gòu)，是施工安全最關(guān)鍵、最重要的保障。通過采取初期支護(hù)及時(shí)封閉成環(huán)、仰拱緊跟下臺(tái)階施工的措施，確保了隧道施工安全，取消了傳統(tǒng)的隧道施工安全步距之說。隧道初期支護(hù)施工引進(jìn)了濕噴機(jī)械手，即HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車，采用濕噴工藝，更好地確保了初支的密實(shí)度、強(qiáng)度等，同時(shí)縮短了初支砼噴射的時(shí)間，提升了整體施工效率。

2 濕噴機(jī)械手初期支護(hù)施工特點(diǎn)

（1）濕噴機(jī)械手集行走、泵送和噴射三大功能為一體。主要特點(diǎn)如下：①生產(chǎn)效率高。單位時(shí)間內(nèi)噴射方量可在10～30m2/h范圍調(diào)整，有利于現(xiàn)場快速施工。②回彈率低。干噴作業(yè)回彈率在40%左右、小濕噴機(jī)作業(yè)回彈率在35%左右、噴射機(jī)械手作業(yè)回彈率在15%左右，大幅度減小了材料浪費(fèi)。③噴射效果好。濕噴機(jī)械手作業(yè)的砼由拌和站集中拌和罐車運(yùn)輸至現(xiàn)場，水灰比在控制范圍內(nèi)，保證了使用的砼質(zhì)量，近而保證了初期支護(hù)結(jié)構(gòu)質(zhì)量，確保形成的初支混凝土的強(qiáng)度和密度。④污染小。濕噴機(jī)械手作業(yè)使用的是拌和好的砼，顯著降低了作業(yè)環(huán)境的粉塵密度，減小了因空氣污染對人體呼吸系統(tǒng)的危害。⑤操作簡單。機(jī)械手將行走、泵送、噴射三大功能集為一體，明顯減少了操作工人的勞動(dòng)程度，并且擁有精確的速凝劑跟隨系統(tǒng)和自動(dòng)噴射功能，操作起來簡單方便。

（2）隧道采用三臺(tái)階開挖，上臺(tái)階預(yù)留給機(jī)械手的操作空間有限，機(jī)械手伸縮旋轉(zhuǎn)方式需要熟練地操作。

（3）采用機(jī)械噴射砼，隧道初期支護(hù)平整度是質(zhì)量控制難點(diǎn)也是重點(diǎn)。

（4）噴射砼性能的好壞直接影響機(jī)械手的噴射質(zhì)量，保證噴射砼的質(zhì)量是做好初期支護(hù)質(zhì)量控制的關(guān)鍵。

（5）黃土隧道初期支護(hù)快速封閉成環(huán)，采用三臺(tái)階開挖、仰拱緊跟下臺(tái)階施工的措施，確保了隧道施工安全，對濕噴機(jī)的工作效率和濕噴砼的質(zhì)量要求較高。

3 隧道濕噴機(jī)械手在初期支護(hù)中的應(yīng)用

3.1 濕噴機(jī)械的選用

隧道施工中初期支護(hù)噴射混凝土采用HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車進(jìn)行噴砼作業(yè)，該機(jī)械手是活塞式濕噴機(jī)。HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車如圖1所示。

圖1 HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車

3.2 原材選用及施工配合比優(yōu)化

混凝土原材中細(xì)骨料粗砂級配合理且細(xì)度模數(shù)在2.5～3.2，粗骨料碎石直徑為5～10mm，選用的水泥要與混凝土設(shè)計(jì)標(biāo)號(hào)相適應(yīng)，且符合技術(shù)指標(biāo)規(guī)定，一般采用普通硅酸鹽水泥（P·O42.5）。根據(jù)現(xiàn)場噴射作業(yè)經(jīng)驗(yàn)，混凝土坍落度低于160mm時(shí)，容易出現(xiàn)堵管現(xiàn)象；混凝土坍落度高于200mm時(shí)，形成的初支混凝土自穩(wěn)性能差，容易脫落或滑塌，檢測的混凝土強(qiáng)度也偏低。對于HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車，該機(jī)械手是活塞式濕噴機(jī)，砼的噴送成功與否與砼的質(zhì)量有著密切的關(guān)系。保持砼的可泵送性、砼適中的坍落度（可塑性、流動(dòng)性）和良好的和易性等有著密切的關(guān)系，因此砼生產(chǎn)時(shí)必須明確責(zé)任人，隨時(shí)檢測新進(jìn)倉即將使用的砂石料含水率，及時(shí)調(diào)整噴射砼施工配合比，確保生產(chǎn)的砼性能良好。實(shí)踐證明噴射砼性能良好，初支的各項(xiàng)質(zhì)量指標(biāo)也越好，噴射操作更加順利，每個(gè)循環(huán)只需要2.5h，相比前期每個(gè)循環(huán)可節(jié)省0.5h。

3.3 機(jī)械手噴射要點(diǎn)

濕噴機(jī)械手的操作要點(diǎn)，噴射時(shí)盡量使三臂平行于拱架，噴嘴垂直于噴射面。首先通過四臂伸縮來實(shí)現(xiàn)縱向噴射混凝土作業(yè)，然后通過垂直回轉(zhuǎn)和一臂的展開和伸縮來實(shí)現(xiàn)環(huán)向噴射混凝土作業(yè)，最后通過縱向及環(huán)向作業(yè)同時(shí)配合噴嘴的上下左右擺動(dòng)進(jìn)行找點(diǎn)即可實(shí)現(xiàn)隧道初支噴射施工。機(jī)械手濕噴工藝是一個(gè)動(dòng)態(tài)施工過程，應(yīng)該根據(jù)現(xiàn)場情況及時(shí)調(diào)整噴射角度、噴射距離、風(fēng)壓及混凝土坍落度等，因此要對操作人員提前培訓(xùn)，使其熟練掌握濕噴機(jī)的性能和操作要領(lǐng)。初期支護(hù)時(shí)要先整體噴射打底，然后自下而上逐段噴平（堆噴），最后減小風(fēng)壓補(bǔ)噴凹陷位置，切記局部噴射要控制好風(fēng)壓，切勿因噴量過大造成噴射面突出，高于設(shè)計(jì)面。

（1）噴嘴角度及噴射面距離。操作濕噴機(jī)械手時(shí)，起拱線以上一般將噴嘴垂直于噴射面進(jìn)行作業(yè)。邊墻噴射噴嘴下俯10°左右，自下而上形成堆噴作業(yè)，可有效減小垂直或角度過小造成的回彈現(xiàn)象，也能避免初支面受混凝土束影響產(chǎn)生波形噴面。噴嘴到噴射面的距離應(yīng)根據(jù)機(jī)械手的單位時(shí)間噴射方量來確定，一般控制噴嘴至受噴面距離在1～1.5m為宜，主要以正常作業(yè)回彈量最小為宜。

（2）初期支護(hù)噴射方法。初期支護(hù)采用分層逐步噴射的方法，每次形成的初支控制在5～8cm厚度左右；開始噴射混凝土前在巖面埋設(shè)厚度量測組件，確保噴射厚度，不出現(xiàn)侵限或厚度不足現(xiàn)象；噴射后移動(dòng)噴嘴至其他段待前一層硬化達(dá)到一定強(qiáng)度后方可噴射下層，確保兩層之間不出現(xiàn)脫落現(xiàn)象；噴射作業(yè)應(yīng)避免一次過薄回彈量大或一次過厚下墜流淌。

（3）初期支護(hù)的噴射順序及時(shí)間間隔。隧道初期支護(hù)噴射順序從下而上，分段、分片進(jìn)行。噴射時(shí)按環(huán)向4～6m一段，分片寬度控制在1～1.2m，每段均應(yīng)自下部起水平方向平移旋轉(zhuǎn)往返數(shù)次噴射完成后方可向上移行，噴射最初要先找平坑凹處（坑洼處較大時(shí)要提前掛網(wǎng)），之后將噴頭成螺旋形或“S”形緩慢均勻移動(dòng)，每圈壓前面半圈，現(xiàn)場隨機(jī)調(diào)整噴射范圍，主要根據(jù)混凝土速凝效果來確定，最終保證混凝土面平順光滑；底層砼達(dá)到速凝效果后進(jìn)行下一層噴射作業(yè)，兩層砼間隔宜控制在10～15min。

（4）調(diào)整混凝土回彈量。噴射過程中由于巖面、鋼筋或骨料相互碰撞而從受噴面上彈落下來的拌和物被稱為初期支護(hù)回彈量，回彈量的多少反映了噴射作業(yè)砼的浪費(fèi)程度，取決于很多因素，主要包括兩類：一是操作原因如噴射位置、噴嘴角度、空氣壓力等；二是混凝土本身速凝劑參量、水泥標(biāo)號(hào)及用量、原材級配及質(zhì)量情況等。巖面初噴時(shí)回彈量較大，巖面反彈較多，因此在初期要盡量減小風(fēng)壓，當(dāng)初期支護(hù)形成砼塑性層后可加大風(fēng)壓使砼束快速噴出，粗骨料也易嵌入底層砼從而減少回彈量。

（5）整平。隧道初支平整度直接影響外觀質(zhì)量，平整度超標(biāo)會(huì)給防水板鋪設(shè)等后續(xù)作業(yè)帶來質(zhì)量隱患，因此保證初支平整度良好是初支施工質(zhì)量控制的重要環(huán)節(jié)。HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車原設(shè)置噴射能力在13～30m2/h，工作效率較高，但初支收面時(shí)難以控制，手柄最低只能將噴射能力調(diào)到13m2/h，收面時(shí)操作不當(dāng)將會(huì)出現(xiàn)堆噴鼓包現(xiàn)象，導(dǎo)致初支表面平整度超標(biāo)。經(jīng)過廠家對風(fēng)壓的調(diào)整，將最小噴射能力調(diào)至9m2/h。補(bǔ)噴掃面后將不會(huì)再出現(xiàn)初期支護(hù)上堆噴塊狀砼的現(xiàn)象，調(diào)整前后現(xiàn)場左右兩側(cè)初支平整度效果對比如圖2所示。

圖2 調(diào)整噴射量前后補(bǔ)噴效果對比圖

3.4 速凝劑的使用和參量調(diào)節(jié)

液體速凝劑參量的多少直接影響砼的硬化時(shí)間，液體速凝劑的敏感性和差異性每一批次均不相同，因此在噴射作業(yè)之前要根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果來確定基本的參量值，考慮到成本控制，只要能達(dá)到速凝的效果，參量越少越好。機(jī)械手的速凝劑泵送系統(tǒng)是可以調(diào)整的，實(shí)際操作時(shí)要同風(fēng)壓一起確定計(jì)量泵流量。

3.5 特殊部位處理

（1）上臺(tái)階初期支護(hù)噴射砼施工。隧道起拱線以上因?yàn)閲娚涿嫦麓沟脑?，初噴時(shí)砼與巖面通常難以黏結(jié)，噴射時(shí)要循序漸進(jìn)地掃面堆噴。同時(shí)因隧道為單洞雙線濕陷性黃土隧道，進(jìn)洞施工時(shí)為確保安全，上臺(tái)階預(yù)留核心土，核心土與拱頂間距離要大于1.4m，留給機(jī)械手操作空間，以便機(jī)械手可正常進(jìn)行平移旋轉(zhuǎn)操作，進(jìn)行濕噴作業(yè)。機(jī)械手上臺(tái)階噴漿作業(yè)如圖3所示。

圖3 機(jī)械手上臺(tái)階噴漿作業(yè)

（2）格柵主骨架處混凝土噴射。黃土隧道Ⅴ類圍巖設(shè)計(jì)采用“230”格柵拱架進(jìn)行支護(hù)，鋼架間距為0.6m。格柵背后設(shè)置20mm×20mm鋼筋網(wǎng)片。主骨架間砼噴射較為容易，但拱架內(nèi)部的初支砼層質(zhì)量不宜控制。噴射到拱架內(nèi)部時(shí)，要近距離（貼近）低風(fēng)壓、上下左右變換噴射角度去噴。噴射混凝土量宜控制在10～15m2/h，噴嘴距拱架控制在0.5m左右。拱架的背后以同樣的方式進(jìn)行操作，然后再充填鋼筋網(wǎng)背后，最后采取正常濕噴方法噴實(shí)拱架之間段落。

4 結(jié)論

（1）工程實(shí)例中鐵建大橋工程局集團(tuán)第三工程有限公司蒙華項(xiàng)目張?jiān)?#隧道初期支護(hù)前期濕噴施工過程中的經(jīng)驗(yàn)表明，混凝土坍落度控制在160～200mm時(shí)，HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車噴射速度和噴射效果較好。

（2）HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車進(jìn)行隧道初期支護(hù)噴射砼施工具有提高效率、降低回彈率、減少污染、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

（3）HPS3016S混凝土噴射臺(tái)車進(jìn)行隧道初期支護(hù)噴射砼施工噴射效果好，保證了初支的質(zhì)量，但作業(yè)過程中要提供足夠的操作空間，把握好噴射角度及噴漿速度。