隧道工程施工中濕噴機(jī)械手應(yīng)用技術(shù)要點(diǎn)

王慧敏

（中鐵十七局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我國(guó)目前中西部地區(qū)鐵路大規(guī)模建設(shè)，因?yàn)楦咴匦我蛩?，長(zhǎng)、大隧道在新建鐵路中頻繁出現(xiàn)，為克服高原隧道缺氧環(huán)境，推廣機(jī)械化快速安全施工，同時(shí)對(duì)隧道的初期支護(hù)提出更高要求。目前隧道初支干噴技術(shù)已經(jīng)嚴(yán)禁使用，全面采用濕噴工藝。濕噴工藝通常有2種：一種采用普通臥式濕噴機(jī)；一種采用大型濕噴機(jī)械手。在當(dāng)金山隧道2#斜井工區(qū)使用機(jī)械手，具有施工效率更快、穩(wěn)定性更強(qiáng)、施工周期較短以及混凝土噴射范圍更廣等多方面優(yōu)勢(shì)，目前機(jī)械手在各大隧道工程項(xiàng)目建設(shè)施工中應(yīng)用非常普遍，并且取得了良好的施工效果，提高了隧道工程項(xiàng)目整體施工進(jìn)度和質(zhì)量。

1 工程概況

當(dāng)金山隧道位于甘肅省阿克塞縣境內(nèi)，北側(cè)為阿克塞盆地，南側(cè)為柴達(dá)木盆地，其中南側(cè)屬于高原地區(qū)，常年干燥少雨，風(fēng)力強(qiáng)盛，地表巖石裸露，植被稀少，缺氧嚴(yán)重。中鐵十七局集團(tuán)有限公司敦格項(xiàng)目經(jīng)理部二分部負(fù)責(zé)2#斜井工區(qū)施工，施工駐地位于當(dāng)金山南側(cè)，海拔3300m。主要施工內(nèi)容為2#斜井XK0+000～XK2+624，長(zhǎng)度2624m；平行導(dǎo)坑PDK202+618～PDK207+500，長(zhǎng)度4882m；正洞DK202+618～DK209+293段，長(zhǎng)度6675m；2#豎井442m。施工中全部采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行初期支護(hù)，通過(guò)2015年10個(gè)月的施工，在初期支護(hù)施工質(zhì)量、施工效率、回彈量等方面效果明顯，大大加快了施工速度。

2 濕噴機(jī)械手工藝設(shè)備選擇和材料制備

2.1 濕噴機(jī)械手設(shè)備選型

在本次當(dāng)金山隧道2#斜井工區(qū)的施工過(guò)程中，初期濕噴過(guò)程中采用的是小型濕噴機(jī)械設(shè)備進(jìn)行混凝土噴射施工，但是在實(shí)際施工中發(fā)現(xiàn)，這種小型的濕噴機(jī)設(shè)備對(duì)周圍的環(huán)境影響相對(duì)較大、工作人員的工作強(qiáng)度較高，同時(shí)工作人員容易缺氧，外加劑材料的使用量控制不精確，濕噴工作進(jìn)度比較緩慢，無(wú)法滿足本次隧道工程項(xiàng)目施工要求。隨后工程施工單位引進(jìn)湖南五新濕噴機(jī)械手（CHP20B車載式混凝土噴漿車），最高的混凝土噴射速率可以達(dá)到25m3/h，這種機(jī)械手主要是由混凝土泵、噴射臂、液壓系統(tǒng)、空氣-水-添加系統(tǒng)、空壓機(jī)、高壓清洗水泵、電纜盤以及底盤等多個(gè)部分構(gòu)成，如圖1。

圖1 濕噴機(jī)械手

2.2 混凝土配合比

噴射混凝土配合比和混凝土的實(shí)際噴射速度、回彈率、混凝土材料的初噴厚度大小之間有著直接的關(guān)聯(lián)?；跇?biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工作強(qiáng)度，對(duì)水灰比進(jìn)行有效設(shè)計(jì)和優(yōu)化，在配合比設(shè)計(jì)時(shí)，需要將重點(diǎn)放在混凝土材料的和易性以及速凝劑材料的選擇方面，需要保證混凝土材料的坍落度控制在9cm～13cm之間，同時(shí)要保證具有更高的粘聚性效果，將混凝土的回彈率大小控制在15%范圍之內(nèi)，當(dāng)金山隧道2#斜井工區(qū)噴射混凝土的配合比見(jiàn)表1。

表1 高原當(dāng)金山隧道機(jī)械手噴射混凝土配合比

濕噴混凝土施工過(guò)程中，所使用的原材料主要包含水、泥沙、碎石以及水泥，本次項(xiàng)目工程施工中，水泥選用的是42.5水泥，在正式開(kāi)始使用之前需要有效做好強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)工作。砂材料細(xì)度模數(shù)需要超過(guò)2.5以上，碎石材料選用的是質(zhì)地比較堅(jiān)硬的，同時(shí)顆粒直徑不超過(guò)15mm進(jìn)行壓制，要保證材料的級(jí)配符合混凝土的噴射施工要求和標(biāo)準(zhǔn)，需要對(duì)混凝土原材料的噴射施工質(zhì)量進(jìn)行有效控制，有效降低混凝土材料的基礎(chǔ)回彈量，同時(shí)避免大量粉塵對(duì)其產(chǎn)生嚴(yán)重的影響。但是因?yàn)閲娚浠炷恋氖┕すに囂攸c(diǎn)，對(duì)不同的混凝土噴射部位以及噴射環(huán)境條件都有要求，需要對(duì)混凝土原材料的配比參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)?shù)卣{(diào)整，以此使混凝土材料符合實(shí)際施工條件。

2.3 速凝劑添加

在隧道工程項(xiàng)目正式開(kāi)始施工之前，需要在濕噴混凝土材料中加入一定量的速凝劑，然后再使用機(jī)械手將材料均勻地噴射到隧道工程項(xiàng)目的內(nèi)表面，以此來(lái)有效提高對(duì)隧道表面的保護(hù)效果。濕噴混凝土施工原理和普通的混凝土施工原理存在很大的差異性，其不但具有施工效率更快、穩(wěn)定性更強(qiáng)以及成本更低等多方面施工優(yōu)勢(shì)，同時(shí)還可以省略一些復(fù)雜的模板支設(shè)工作環(huán)節(jié)，噴射完成之后材料的密實(shí)程度更強(qiáng)、穩(wěn)定性更高[1-2]。

3 機(jī)械手濕噴工藝流程

3.1 前期準(zhǔn)備工作

在混凝土濕噴工作正式開(kāi)始之前，相關(guān)施工人員需要有效檢查巖體表面的濕潤(rùn)程度，需要保證噴射面部存在嚴(yán)重的開(kāi)裂以及材料破損等情況，然后才能進(jìn)行后續(xù)的混凝土濕噴工作。如果混凝土材料表面出現(xiàn)比較嚴(yán)重的破損問(wèn)題，必須要對(duì)表面進(jìn)行徹底清理，需要保證巖體表面的廢渣和浮石完全被清理之后，才可以充分保證混凝土材料和被噴射的巖體結(jié)構(gòu)表面形成更強(qiáng)更穩(wěn)定的粘接[3-4]。

3.2 濕噴工藝流程作業(yè)要點(diǎn)

濕噴機(jī)械手在噴射施工過(guò)程中需要保證混凝土材料顆粒直徑不超過(guò)1cm，同時(shí)混凝土材料的坍落度需要控制在9cm～13cm范圍之內(nèi)。在混凝土噴射工作中，需要有效控制工作風(fēng)壓外接工作，風(fēng)壓需要控制在0.4～0.6MPa之間，與此同時(shí)，在工作過(guò)程中風(fēng)壓大小與實(shí)際混凝土材料的和易性有著直接的關(guān)聯(lián)，混凝土材料的和易性越高則所需要的工作風(fēng)壓強(qiáng)度越小。在混凝土噴射施工之前，需要保證在機(jī)械手達(dá)到作業(yè)區(qū)域之后，通過(guò)使用自帶的高壓風(fēng)對(duì)巖體表面進(jìn)行充分清理，通過(guò)清理受噴表面的浮渣、碎石，有效保證混凝土噴射完成之后和巖體結(jié)構(gòu)表面充分粘接，以此來(lái)全面提高混凝土材料的附著效果。在混凝土噴射施工過(guò)程中，要求機(jī)械手操作人員必須要具有足夠的工作經(jīng)驗(yàn)保證整個(gè)操作更加?jì)故?，要保證機(jī)械手的噴頭和巖體表面之間形成垂直狀態(tài)。

噴射過(guò)程中的距離控制在0.8m～1.2m范圍之內(nèi)，混凝土噴射施工過(guò)程中需要保證分層分段由下而上進(jìn)行噴射，先進(jìn)行第1次噴射厚度大小為3cm～5cm，然后再進(jìn)行第2次噴射。直到達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的混凝土噴射施工厚度。相關(guān)操作人員需要根據(jù)不同的噴射位置，合理調(diào)整混凝土的噴射速率以及速凝劑的使用量，邊墻位置噴射混凝土速率控制在18m3/h～20m3/h，拱部位置混凝土噴射速率為15m3/h，邊墻噴射混凝土速凝劑的實(shí)際摻入量范圍在3%～5%之間，鞏固混凝土噴射速凝劑的實(shí)際摻入量為7%?；炷恋墓?yīng)需要保證連續(xù)不間斷，如果在混凝土噴射工作中經(jīng)常產(chǎn)生停機(jī)問(wèn)題，很容易出現(xiàn)噴頭位置產(chǎn)生堵管情況，后續(xù)的清理工作比較困難，會(huì)直接影響到整個(gè)作業(yè)效率，混凝土噴射完成之后需要對(duì)機(jī)械手進(jìn)行及時(shí)清理，同時(shí)要有效做好外部保養(yǎng)處理工作。濕噴機(jī)械手工作原理見(jiàn)圖2。

圖2 濕噴機(jī)械手工作原理

在對(duì)本次隧道工程項(xiàng)目?jī)?nèi)部混凝土噴射過(guò)程中，要求成型之后的混凝土厚度范圍控制在5cm以上，并且需要分為兩次進(jìn)行噴射。首次噴射工作結(jié)束之后，需要對(duì)被噴射面部位進(jìn)行徹底沖洗，然后再進(jìn)行后續(xù)的二次噴射施工作業(yè)。其次，必須要有效控制噴射工作過(guò)程中的分體壓力、水體壓力以及混凝土的實(shí)際回彈量大小，噴射完成之后需要經(jīng)過(guò)2h以上的終凝時(shí)間，然后對(duì)其進(jìn)行有效養(yǎng)護(hù)處理，養(yǎng)護(hù)工作時(shí)間需要達(dá)到7d以上。如果在混凝土噴射過(guò)程中，被噴射邊結(jié)構(gòu)的表面存在比較嚴(yán)重的凹凸不平問(wèn)題，或者是不符合風(fēng)壓和水壓的工作要求，必須要對(duì)其進(jìn)行及時(shí)補(bǔ)充噴射，如果需要開(kāi)挖已經(jīng)完成噴射的混凝土，需要將實(shí)際開(kāi)挖工作時(shí)間控制在噴射工作結(jié)束后4h左右[5]。

4 濕噴機(jī)械手施工質(zhì)量控制要點(diǎn)

4.1 噴射混凝土平整度控制

因?yàn)闈駠娀炷潦┕み^(guò)程中，采用的是分層噴射施工方法，混凝土自身的附著效果相對(duì)較強(qiáng)，混凝土噴射完成之后表面的平整程度以及材料的密實(shí)程度可以得到有效保證，達(dá)到混凝土表面充分平順，同時(shí)密實(shí)程度符合施工標(biāo)準(zhǔn)。通過(guò)實(shí)踐工作分析得出，濕噴機(jī)械手在使用過(guò)程中，通過(guò)動(dòng)大臂與小臂的操作方法，需要有效做到大小臂相互之間的協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)，同時(shí)還需要有效控制小臂的位移速度，有效保證混凝土材料噴射的平整程度。濕噴機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)見(jiàn)圖3。

圖3 濕噴機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)

4.2 混凝土強(qiáng)度與厚度

在混凝土噴射工作過(guò)程中，噴射混凝土的強(qiáng)度需要從材料的配比設(shè)計(jì)、水灰比控制以及速凝劑的選擇等方面著手，有效保證混凝土的使用質(zhì)量。在混凝土噴射工作過(guò)程中，噴射機(jī)械手需要通過(guò)混凝土泵以及外加劑添加設(shè)備，將預(yù)先制備完成之后的混凝土在噴頭位置進(jìn)行速凝劑的準(zhǔn)確添加，保證不同位置混凝土噴射速度和速凝工作時(shí)間相符合，有效提高噴射完成之后混凝土的成型強(qiáng)度和穩(wěn)定性。通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)的驗(yàn)證，保證混凝土的抗壓強(qiáng)度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)計(jì)工作要求，在混凝土噴射工作過(guò)程中，可以通過(guò)采取現(xiàn)場(chǎng)預(yù)埋鋼筋頭分層噴射方法，保證混凝土的噴射使用厚度?；炷羾娚浣Y(jié)束之后需要進(jìn)行后續(xù)的養(yǎng)護(hù)處理工作，在實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作中需要滿足以下要求：（1）需要保證混凝土噴射凝固2h之后，通過(guò)使用養(yǎng)護(hù)臺(tái)架對(duì)表面進(jìn)行充分濕潤(rùn)處理，并且實(shí)際養(yǎng)護(hù)工作時(shí)間不能小于14d。（2）當(dāng)隧道工程項(xiàng)目?jī)?nèi)部的氣溫低于15℃的情況下，禁止進(jìn)行噴水養(yǎng)護(hù)處理。

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，在本次項(xiàng)目工程施工過(guò)程中，工程施工單位通過(guò)采用濕噴機(jī)械手進(jìn)行混凝土噴射，在整體的施工效率、施工質(zhì)量以及成型之后的穩(wěn)定性等方面都得到了全面提升，有效控制不必要的施工原材料浪費(fèi)問(wèn)題，整體的施工經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益相對(duì)較高，因此該項(xiàng)技術(shù)在后續(xù)的發(fā)展過(guò)程中，將會(huì)得到更加廣泛的應(yīng)用，從而推動(dòng)我國(guó)鐵路交通事業(yè)不斷朝著更高目標(biāo)和方向發(fā)展。