濕噴機械手在重載鐵路隧道施工中的應用

盧昆

（中鐵十八局集團 第一工程有限公司，河北涿州 072750）

混凝土濕噴是借助流體動力，通過管道將預拌制混凝土輸送且高速噴射于受噴面，通過噴射時骨料和水泥的連續(xù)撞擊、壓密而形成的一層混凝土支護層[1]。近年來，混凝土噴射臺車以其噴射效率高、回彈率低、噴射質量好、安全環(huán)保等優(yōu)勢，在我國公路、鐵路、水利水電等大斷面地下工程中應用廣泛。目前混凝土濕噴機國內外市場上臂架結構形式多樣，主要分為伸縮回轉式，折疊式臂架結構，而上、中、下臺階同步推進施工，對混凝土濕噴機的臂架擺動自由度，噴射范圍均提出更高要求。同時，對濕噴機械手操作提出更高的要求。文章結合王家灣隧道實例，對濕噴機械手在重載鐵路隧道施工中的應用進行詳細分析。

1 工程概況

蒙華鐵路王家灣隧道位于延安安塞縣王家灣鄉(xiāng)，是典型的大斷面重載鐵路隧道。隧道全長7288m，最大埋深和設計時速分別為0.22 千米和每小時120 千米，由于受到黃土高原水流向源侵蝕的作用，因此有著較為突出的下切效應，“V”字型沖溝呈現出樹枝狀特點進行分布，整體具有支離破碎的顯著特征，地面高程1260～1533m，隧道進出口為緩坡，地表坡度約40°左右，地表有少量植被。隧道洞身穿越地層依次為：第四系全新統沖洪積砂質新黃土，中更新統洪積層黏質老黃土，白堊系下統洛河組砂巖。隧道圍巖主要為V、IV級別，在具體施工之時，運用了三臺階法。

2 濕噴機械手工作特點

該隧道運用的混凝土噴濕機械手型號為HPS3016，將噴射、泵送、移動融為一體，具體性能頗具有穩(wěn)定性，使用過程也頗為簡單，有著較高的生產率，而且施工質量整體較高，有著較低的回彈度（其作業(yè)性能如圖1 所示）。

圖1 濕噴機械手作業(yè)性能

濕噴機械手每小時噴射混凝土10m3～30m3之間，最大噴射高、寬度依次為17.5 米和31.4 米，一次定位噴射可以支持的移動距離達到了15.3米，比普通技術的性能高出很多。而且通過該機械手作業(yè)，還能進一步提升混凝土的附著力與密實度。此外，混凝土的回彈率也顯著降低，通?？梢詫⒋酥笜丝刂圃谄叱芍畠?，是以往所有噴射混凝土工藝所達不到的。HPS3016 雙臂混凝土噴射臺車是針對大、中隧道斷面的一種混凝土噴射裝備。技術參數如表1：

表1 混凝土噴射臺車技術參數表

3 濕噴機械手施工應用

3.1 施工工藝及參數

在隧道施工中通過縮短臺階長度，調整臺階高度，同時出碴，交叉安裝鋼架，據此達到能夠使用濕噴機械手一次性對上、中、下三個斷面進行噴射混凝土的目的，顯著提升了施工效率，縮短了作業(yè)時間，同時縮短了初支仰拱至掌子面之間的間距，使得安全布局能夠滿足標準要求[2]。以Ⅳ級圍巖為列，施工技術參數如表2 所示。

表2 施工技術參數

3.2 施工準備

（1）噴混前對作業(yè)面接縫處檢查，清除接縫處骨料堆積、砟土污染及個別點欠挖問題，清理時可采用鋼釬、電鎬、鋼刷及高壓風等不同形式工具，但清除干凈是唯一標準，防止出現重大質量隱患。

（2）倘若巖面存在著超挖等現象，而且坑洼較為嚴重，此時需要配置錨桿掛網，然后再對其噴射混凝土。

（3）噴混前采用高壓風沖凈巖石、鋼架和網片上面的砟土，方可開始噴射混凝土[3]。

（4）運用鋼架完成鋼筋頭的焊接，使之視作厚度標釘，熟練操作工能夠按照實際經驗，對其進行厚度調控。

3.3 混凝土噴射

在此噴射作業(yè)環(huán)節(jié)，需要運用強制式攪拌設備，而且能夠自動計量，在配料過程中，需要按照配合比加以動態(tài)操作，混凝土的攪拌時間不能低于3 分鐘。噴射混凝土需要緊密，按照循環(huán)作業(yè)量與運輸間距，來對相應的罐車進行配置，通常其數量配置二至四臺，體積達到10m3，就可支持現場施工。在具體噴射之際，需要適當增添速凝劑，然后通過計算機系統，對摻入量進行計算，并通過機械設備進行自動化摻入，施工過程中依據混凝土回彈量的大小來調整風壓。具體把控要點如下：

（1）在噴濕混凝土作業(yè)環(huán)節(jié)，需要對角度、距離、次序、噴射移動等參量進行調控，這些都會對最終的施工質量、混凝土回彈帶來顯著影響。

（2）噴射順序。在具體噴射之際，需要進行分塊、分部和分段，墻為先，拱為后，從底部開始作業(yè)，然后再到上部，在噴射時，移動路徑呈現出S型曲線[4]。隧道由兩側邊墻底部進行相應待處理，然后再對其進行噴射，直至拱頂中心線處進行閉合（如圖2）。防范在上端噴射時出現虛掩現象，進而導致強度變弱，拱腳也失去穩(wěn)定性。

圖2 上臺階噴射混凝土圖

（3）噴射角度。在具體作業(yè)時，需要將噴頭與作業(yè)面調整垂直，倘若角度過小，就會提升回彈率，使得密實度有所下降。因在垂直作業(yè)時（詳見圖3），能夠有助于反彈物進行二次嵌入，這樣，回彈率就會顯著減小。

圖3 中臺階噴射混凝土圖

（4）噴射距離。在噴濕作業(yè)過程中，需要提供較大的風壓，倘若噴頭與作業(yè)面距離很近，那么強風就會吹走剛剛噴射的混凝土，進而顯著增強其回彈量，通常，這個距離控制最短需到1.5m，最長不能超過2m。

（5）噴頭移動。在剛剛噴射之際，有著極大的回彈量，當噴射厚度在拱部、邊墻分別達到“4 至6m”、“6 至10m”時，此時回彈量最低，而且具有穩(wěn)定性。若是噴射至巖面的混凝土出現了流淌現象，此時一次噴射厚度已經達到極大值，無須繼續(xù)噴射，待其初凝后才能再次作業(yè)。

（6）風壓調整。該參量的調整需要結合混凝土的和易性、作業(yè)面距離、風壓穩(wěn)定性進行動態(tài)優(yōu)化，使得設備能夠連續(xù)噴射，不會出現流淌現象，而且還能以恰當的速度與作業(yè)面呈現出垂直角度[5]，由此進行噴射作業(yè)。

根據設備使用說明書并結合現場試驗總結，確定了HPS3016 型混凝土濕噴機械手噴射距離在1.5～2.0m范圍內，風壓調整到5.5Mpa時，混凝土回彈量最小。

（7）速凝劑摻量控制。此摻入劑的運用，目的就是讓噴射出來的混凝土以更快的速度變硬，這樣就能降低回彈損耗，防范混凝土因為自身重力導致脫落[6]。故根據不同噴混位置調整速凝劑摻量，能很好的提高混凝土強度。通過試驗確定，隧道拱部為5%～6%，隧道邊墻為3%～4%，仰拱為1%左右，混凝土回彈量最小。

4 結果分析

4.1 進度分析

濕噴機械手作業(yè)工藝有著較高的機械化水平，通常只需要配置四人就能作業(yè)，這四人的分配是操作工、放料工分別為1 人，還有2 位雜工。這些人員都需要處于安全位置，然后利用遙控器對噴頭進行調控，接著進行作業(yè)，確保最終作業(yè)具有良好安全性[7]。該機械手每小時可以噴濕混凝土30 m3，超過普通噴射機工的效率三倍，以該隧道IV 圍巖作為案例，其濕噴機噴混量為17.64 m3，單循環(huán)進尺為2.4m，濕噴作業(yè)時間平均約2 h，比普通小型濕噴機節(jié)省3 h 以上，更利于后續(xù)工序銜接，另外，施工者的勞動強度還能顯著弱化，有效改善作業(yè)環(huán)境。

4.2 成本分析

該機械手施工可降低施工成本，且施工效率顯著提高。以案例隧道的IVa 型復合式襯砌為依據，并將110 延米月進度作為計算條件，對其人工成本、動力耗費等指標進行分析，可以得表3。

表3 噴射混凝土作業(yè)成本對比表

根據上述計算，該機械手作業(yè)模式，月度成本為電力成本、人工成本、攤銷費用總和，亦即是10.8076 萬元，而普通小型噴濕機對應的月度成本在13.4485 萬元；分析結果為濕噴機械手噴混凝土比普通小型濕噴機作業(yè)每月降低成本費用26409 元。

4.3 損耗率分析

經統計，蒙華鐵路王家灣隧道施工的各作業(yè)面機械手噴混凝土損耗率情況：損耗率介于51.4%～89.6%之間，累計平均損耗率為66.5%，與小型濕噴機作業(yè)的損耗率（平均96%左右）相比，噴射混凝土的損耗率能夠降低2.95 成，每m3 節(jié)約噴射混凝土的直接材料費成本約137 元。

5 結語

以蒙華鐵路王家灣隧道為例，對濕噴機械手在重載鐵路隧道施工中的應用進行詳細分析。分析得出：在具體施工中，該機械手具有施工機械化程度高、工作效率高、回彈量少、作業(yè)環(huán)境好等優(yōu)勢，通過應用該機械手，施工進度得以有效提升，施工成本節(jié)約顯著，使該機械手工藝得以有效驗證。