探討濕噴機(jī)械手噴射混凝土厚度對回彈率的影響

楊偉華

(中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400700)

近年來,我國工程建設(shè)行業(yè)的迅猛發(fā)展,濕噴法逐漸取代干噴法,在公路、鐵路隧道施工中得到較為廣泛應(yīng)用,伴隨著機(jī)械化程度的日益成熟,濕噴機(jī)械手也被應(yīng)用在越來越多的工程建設(shè)當(dāng)中取得了良好的效益。如某鐵路工程[1]引進(jìn)鐵建重工HPS3016S 型混凝土濕噴臺車,整機(jī)機(jī)動性好、自動化程度高、臂架噴射范圍大、性能穩(wěn)定、操作簡單。田克昭[2]以CIFA CSS-3 型型混凝土濕噴機(jī)械手為例提出了機(jī)械手操作的噴射角度、噴射距離、噴射順序以及機(jī)械手噴頭的移動均對噴射效果造成一定影響,明確了機(jī)械手的噴頭與受噴面之間的最佳保持距離為1.0～1.5m。曾磊[3]通過對一年中氣溫差異較大的夏冬兩季水泥成份含量變化的檢測與分析結(jié)合速凝劑與水泥的作用機(jī)理,研究了液體速凝劑在水泥成份含量變化后對凝結(jié)時間的影響。卜小龍[4]在鷓鴣山隧道通過現(xiàn)場試驗(yàn)研究引用了增粘速凝劑,結(jié)果表明,增粘速凝劑相對于目前市場通用的速凝劑,其摻量更低,反應(yīng)速度更快,使用范圍更廣泛,可使混凝土與圍巖的粘結(jié)更強(qiáng)。肖軍等人[5]在已有室內(nèi)基準(zhǔn)配合比上進(jìn)行深入研究,在某隧道現(xiàn)場進(jìn)行了現(xiàn)場濕噴混凝土試驗(yàn)試驗(yàn),得到了現(xiàn)場濕噴混凝土配比參數(shù)建議值。趙華鋒[6]針對PM500PC 型機(jī)械手噴射所作業(yè)參數(shù),混凝土坍落度等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

國內(nèi)在整裝機(jī)械化、機(jī)械手噴射工藝、噴射混凝土用速凝劑的研究和工程實(shí)踐已取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn)。但仍然存在濕噴機(jī)械手在富水、材料性能、機(jī)械手作業(yè)方法等復(fù)雜條件的影響下回彈率過大的問題。降低濕噴機(jī)械手回彈率,有效保障作業(yè)人員職業(yè)健康,提升生產(chǎn)效率,降低施工成本,仍然是濕噴機(jī)械手應(yīng)用需要繼續(xù)解決的問題之一。本文以銀西高鐵大斷面黃土弱富水隧道的工程實(shí)踐,應(yīng)用現(xiàn)場測試方法,重點(diǎn)以濕噴機(jī)械手“一次噴射厚度”的這一影響因素為研究對象,分析不同部位及工序環(huán)節(jié)的一次噴射厚度對濕噴回彈率的變化規(guī)律,以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽市寧縣境內(nèi),是銀西高鐵的控制性工程之一,西安端進(jìn)口位于黃家溝左岸斜坡,銀川端出口下穿焦村鄉(xiāng),位于街上村黃土塬頂。起訖里程:DK207+517.55～DK214+300,全長6782.45m,隧道拱部、洞身呈軟塑狀態(tài)黏質(zhì)黃土,圍巖穩(wěn)定性差。

按照新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì),采用復(fù)合式襯砌,Ⅴe 復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)采用I25a 型鋼鋼架,間距0.6m/榀,網(wǎng)噴C25混凝土,厚度35cm。

2 濕噴機(jī)械手基準(zhǔn)工藝參數(shù)選取

2.1 機(jī)械配置

選用1 臺鐵建重工集團(tuán)研制的HPS3016S 車載式混凝土濕噴機(jī)械手。該設(shè)備采用的是四輪驅(qū)動、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng),總質(zhì)量19.5T,最大爬坡度不大于58%,最高車速20Km/h,方便工地調(diào)配,濕噴機(jī)械手設(shè)備參數(shù)如表1。

表1 鐵建HPS3016S 型設(shè)備參數(shù)

2.2 人員配置

濕噴機(jī)械手配備操作手1 人,加裝速凝劑工人1 人,安裝管及掌子面清理普工2 人。

2.3 濕噴機(jī)械手作業(yè)參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際情況,考慮本隧道機(jī)械手回彈率多因素影響研究,擬定采用濕噴機(jī)械手施工作業(yè)參數(shù):

2.3.1 濕噴機(jī)械手工作適宜的水膠比為0.4～0.5,砂率55%,坍落度100～130mm。

2.3.2 噴射角度采用垂直噴射方法,噴射順序?yàn)榉制?、分段自下而?先找平坑凹處,之后將噴頭呈螺旋形或S 形緩慢均勻移動,每圈要壓半圈,旋轉(zhuǎn)直徑＜30cm,噴嘴噴射過程中連續(xù)、緩慢做橫向或環(huán)向移動。

保水劑稱高吸水劑、超強(qiáng)吸水樹脂(superabsorbent polymer，SAP)，是一種能夠吸收自身原來尺寸和重量數(shù)倍水分的化合物。保水劑吸水后形成的水凝膠可緩慢釋放水分供作物利用，同時又能增強(qiáng)土壤保水性，改良土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤理化性質(zhì)、作物根系生長發(fā)育等，進(jìn)而影響水分和溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移規(guī)律和作物生理機(jī)能，提高化肥的利用率（見圖1、圖2、圖3）。

2.3.3 噴頭和受噴面之間的距離設(shè)定0.8～1.2m 之間。環(huán)向分片4～6m 一段,分片寬度1～1.2m,邊墻首次噴射厚度應(yīng)控制在10～15cm,拱部首次噴射應(yīng)控制在5～10cm,復(fù)噴時拱部噴射厚度4～5cm,每次噴射間隔5～10min[7]。

2.3.4 工作風(fēng)壓設(shè)定在0.2～0.4 MPa,噴射過程中,邊墻噴射混凝土速率一般為10～20m3/h,拱部噴射混凝土速率約為10m3/h。

3 回彈率測定方法

傳統(tǒng)回彈率檢測方法是采用在現(xiàn)場鋪墊塑料收集噴射混凝土,以收集的回彈物質(zhì)量除以噴出總質(zhì)量計(jì)算回彈率,受場地、收集方法等不確定因素影響較大?？紤]濕噴料配比中主要骨料為5～10mm 瓜米石,因此由此單一因素進(jìn)行計(jì)算回彈率,遵循如下公式[8]進(jìn)行計(jì)算:

式中,K- 混凝土濕噴回彈率,%；q- 罐車出料口取定量樣品篩洗碎石烘干質(zhì)量百分比；q1- 噴砼面已粘結(jié)料取相同定量樣品篩洗碎石烘干質(zhì)量百分比；q2- 回彈料中取相同定量樣品篩洗碎石烘干質(zhì)量百分比。

3.1 測試用具

3.1.1 量程為50Kg 電子秤1 臺。

3.1.2 篩網(wǎng):網(wǎng)孔一般采用4.75mm 篩孔,無破裂、無松弛。

3.1.3 取樣袋若干,以裝3Kg 樣品重量為宜。

3.2 測定方法

3.2.1 從罐車出料口取攪拌好的濕噴混凝土樣本3 份,每份重2Kg,稱重求樣本平均值,記作Q。然后用篩網(wǎng)立即篩洗去掉全部細(xì)骨料及膠凝材料,篩分后骨料烘干測定粗骨料重量,然后求三次稱重平均值,記作Q'。

在回彈料中取試樣3 份,每份重約2Kg；在噴砼面已粘結(jié)料取樣3 份,每份約重2Kg；同樣方法以公式(2)測出q1、q2。

3.2.3 用公式(1)計(jì)算回彈率K。

需要注意取樣要有代表性,取料位置應(yīng)均勻分布。回彈物中取料時,盡量選取回彈料偏多的部位,以免摻入過多雜物影響計(jì)算誤差；噴砼面已粘結(jié)料中取樣時,位置應(yīng)分散,不宜過于集中；罐車出料口取料時應(yīng)在混凝土漿體比穩(wěn)定時取樣。

4 噴射厚度回彈率影響規(guī)律分析

機(jī)械手進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)時,按照先邊墻,后拱腳,再拱頂?shù)捻樞?分層分段進(jìn)行,過程中,要控制好各層厚度,保證其均勻性。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)噴射厚度薄則容易產(chǎn)生回彈量較大[9],噴射厚度較厚則易出現(xiàn)成片滑落或流淌,而且因前后分層噴射時間長短的影響,噴射混凝土質(zhì)量常常不穩(wěn)定,噴射回彈量不易控制。為此,考慮拱部、邊墻的初噴、復(fù)噴工作程序,并針對噴射厚度2cm、3cm、5cm、6cm、8cm、10cm 六種工況條件,同時結(jié)合前后兩層噴射間隔時間按5min、8min、10min 時程條件對噴射混凝土回彈率進(jìn)行實(shí)測分析。

由表2 結(jié)果分析可知,拱部初噴過程中不同層厚表現(xiàn)噴射混凝土回彈率不同,且呈現(xiàn)出越薄或者約厚均出現(xiàn)回彈率較大的情況,且隨著厚度增加噴射混泥土回彈率降低,但增加到一定程度就會出現(xiàn)回彈率逐漸增大的情形,分析為在最初的階段,混凝土的回彈率是最高的,隨著受噴面的厚度達(dá)到3cm 后,混凝土的回彈率逐漸降低,說明:噴射時,連續(xù)的噴射混凝土在射速穩(wěn)定條件下對反彈物有二次嵌入的作用,可以降低回彈率。但是隨著一次噴射厚度增加,骨料粘結(jié)作用因堆積和擾動作用,實(shí)粘體不足以承擔(dān)后噴混凝土重力而出現(xiàn)混凝土滑落、流淌,導(dǎo)致噴射混凝土落物增大。

表2 拱部初噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

另一方面,前后兩層噴射間隔時間也對噴射回彈量影響較大,一般情況下隨著間隔時間增大而噴射回彈率增加,這是由于隨著時間推移,前一層混凝土硬化粘結(jié)效果越來越明顯,從而后層混凝土在噴射時的反彈作用大,噴射骨料堆噴嵌入作用下降,而引起回彈量增加。

通過對表2 數(shù)據(jù)分析得到:拱部初噴適宜的每次噴層厚度5～6cm,前后兩層噴射間隔時間宜控制5min。

由表3 結(jié)果分析可知,拱部復(fù)噴時,隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,拱部復(fù)噴適宜的每次噴層厚度2～5cm。前后兩層噴射間隔時間宜控制5～8min。

表3 拱部復(fù)噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

由表4 結(jié)果分析可知,邊墻初噴時,隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,邊墻初噴適宜的每次噴層厚度4～6cm。前后兩層噴射間隔時間宜控制在5min。

表4 邊墻初噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

由表5 結(jié)果分析可知,邊墻復(fù)噴時,也會隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,邊墻復(fù)噴適宜的每次噴層厚度4～5cm。前后兩層噴射間隔時間宜控制在5min。

5 結(jié)論

5.1 通過對比表2～表5 分析可知,隧道分拱部及邊墻兩部分,噴射過程中,初噴時回彈率＞復(fù)噴回彈率＞邊墻回彈率,這是由于拱部為曲面,實(shí)粘體不足以承擔(dān)后噴混凝土重力而出現(xiàn)混凝土滑落、流淌,導(dǎo)致噴射混凝土落物增大。

表5 邊墻復(fù)噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

5.2 當(dāng)初噴噴層厚度5～6cm 時,噴射砼受風(fēng)壓、堆噴作用,連續(xù)的噴射混凝土在射速穩(wěn)定條件下對反彈物有二次嵌入的作用,可以降低回彈率,但厚度進(jìn)一步增加后噴射混凝土回彈量反而增加。因此,如果在噴射過程中出現(xiàn)混凝土滑落或流淌時,一次噴射厚度已達(dá)到上限,此時已經(jīng)不能再對同一地方噴射,轉(zhuǎn)換下一段進(jìn)行噴射,應(yīng)等混凝土初凝后在回過來復(fù)噴,復(fù)噴應(yīng)按照2～5cm 為宜分層噴射并直至設(shè)計(jì)厚度。

5.3 噴射作業(yè)環(huán)向分片宜4～6m 一段,寬度宜1～1.2m。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,邊墻初噴時一次噴射厚度應(yīng)控制在4～6cm,拱部初噴時一次噴射厚度應(yīng)控制在5～6cm,復(fù)噴時拱部噴射厚度4～5cm,每次噴射間隔5～8min。