隧道施工中濕噴機(jī)械手的應(yīng)用技術(shù)研究

王建軍

(山西路橋市政工程有限公司，山西 晉中 030600)

1 工程概況

某隧道工程的起迄樁號(hào)為DK170+300～DK183+594，總長約13.3 km，屬長大隧道。該隧道按雙向單洞形式設(shè)計(jì)，圍巖等級(jí)主要為III級(jí)，局部IV級(jí)和V級(jí)。該隧道穿越的地層以泥巖、砂巖和水平緩傾巖層為主，雖然其構(gòu)造比較簡(jiǎn)單，但節(jié)理發(fā)育，巖體較為破碎，容易產(chǎn)生風(fēng)化，在開挖過程中可能產(chǎn)生坍方或掉塊。對(duì)此，在施工初期就需要進(jìn)行可靠的支護(hù)，采用機(jī)具實(shí)施混凝土噴射。

2 施工工藝

2.1 設(shè)備選型

該隧道進(jìn)口施工過程中，需在初期借助小型機(jī)具實(shí)施混凝土的噴射，但實(shí)際施工發(fā)現(xiàn)小型機(jī)具施工會(huì)給周圍環(huán)境中造成很大污染，且混凝土外加劑摻量控制不準(zhǔn)確，容易產(chǎn)生盲區(qū)，進(jìn)度較慢，難以達(dá)到施工要求；對(duì)此，引進(jìn)了新型濕噴機(jī)械手，其最高速度可達(dá)30 m3/h，同時(shí)配備拌和機(jī)與運(yùn)輸車。

2.2 混凝土制備

噴射時(shí)使用的混凝土，其配合比在很大程度上決定了成型后的強(qiáng)度、厚度與回彈率。按照設(shè)計(jì)要求的強(qiáng)度選擇好水灰比以后，配合比設(shè)計(jì)需將和易性與速凝劑類型選擇作為重點(diǎn)，使坍落度保持在140～180 mm范圍內(nèi)，同時(shí)表現(xiàn)出良好黏聚性，并使回彈率處在15%之內(nèi)。本次混凝土噴射施工將混凝土配合比確定如下：水泥∶水∶粗骨料∶細(xì)骨料∶減水劑∶速凝劑=460∶200∶681∶1 021∶4.6∶23。其中，粗骨料采用碎石，細(xì)骨料采用河砂，速凝劑采用MEYCO sA160型液體無堿速凝劑。

2.3 操作要點(diǎn)

(1)對(duì)于噴射用混凝土，應(yīng)滿足以下要求：粒徑在1.5 cm以內(nèi)，且坍落度保持在140～180 mm以內(nèi)。

(2)工作時(shí)風(fēng)壓應(yīng)保持穩(wěn)定，本次使用的機(jī)械手配有空壓機(jī)，正常工作時(shí)風(fēng)壓保持在0.2～0.4 MPa范圍內(nèi)，風(fēng)壓大小與混凝土的和易性有直接關(guān)系，當(dāng)混凝土的和易性良好時(shí)，需要的風(fēng)壓較小，而當(dāng)混凝土的和易性較差時(shí)，則需要較大的風(fēng)壓。

(3)混凝土噴射開始前，將機(jī)械手移至作業(yè)區(qū)后，由機(jī)械手自帶空壓機(jī)對(duì)待噴射巖面實(shí)施清理，清除巖屑與浮塵，確保噴射的混凝土能和巖面之間良好粘結(jié)，保證噴射質(zhì)量。

(4)機(jī)械手的操作者應(yīng)有豐富經(jīng)驗(yàn)，且操作熟練，噴射時(shí)，確保噴頭和巖面始終保持垂直，并將兩者的距離控制在0.8～1.2 m之內(nèi)，使噴射分區(qū)域和分層進(jìn)行。一般按照從下到上的順序噴射，先初噴3～5 cm厚，然后通過復(fù)噴達(dá)到設(shè)計(jì)要求的厚度。

(5)混凝土噴射時(shí)，初噴厚度至關(guān)重要，雖然在混凝土中摻加了速凝劑，但達(dá)到初凝仍需要一段時(shí)間，所以如果初噴的厚度太大，則會(huì)使初噴混凝土在達(dá)到凝結(jié)之前就被復(fù)噴的混凝土覆蓋，這樣會(huì)產(chǎn)生很大的回彈。

(6)現(xiàn)場(chǎng)的操作人員應(yīng)以具體噴射部位為依據(jù)，對(duì)實(shí)際的噴射速度與混凝土中速凝劑實(shí)際摻量予以嚴(yán)格控制。一般情況下，邊墻處混凝土噴射按照18～20 m3/h的速率控制，混凝土中速凝劑的摻加量需控制在3%～5%以內(nèi)；拱部混凝土噴射按照15 m3/h左右的速率控制，其混凝土中速凝劑的摻加量需按照7%控制。

(7)噴射時(shí)混凝土供料必須保持連續(xù)，如果噴射時(shí)發(fā)生停機(jī)，將導(dǎo)致噴頭處被混凝土堵塞，不僅清理十分困難，而且還會(huì)延長作業(yè)時(shí)間。

(8)在混凝土噴射完成后，盡快將機(jī)械手移至作業(yè)區(qū)域以外，并嚴(yán)格按照相關(guān)規(guī)程對(duì)機(jī)械手進(jìn)行維護(hù)與保養(yǎng)。

2.4 質(zhì)量控制

(1)因濕噴分層進(jìn)行，且混凝土有良好附著性，所以濕噴完成的平整度與密實(shí)度均良好，可達(dá)到預(yù)期噴射效果。經(jīng)實(shí)踐可得，在濕噴中嚴(yán)格按照動(dòng)大臂、移小臂原則進(jìn)行操作，通過兩者協(xié)調(diào)旋轉(zhuǎn)，由操作人員嚴(yán)格控制小臂的實(shí)際行程速度，能使移動(dòng)噴射從點(diǎn)到線，再從線到面，最終使噴射后的混凝土達(dá)到平整。

(2)對(duì)于噴射用混凝土，其強(qiáng)度從前期配合比設(shè)計(jì)階段就開始著手控制。混凝土噴射時(shí)，機(jī)械手利用混凝土泵將混凝土輸送至噴頭，然后在機(jī)械手自帶的計(jì)量輸送裝置作用下，對(duì)速凝劑予以精確的添加，確保各部位實(shí)際噴射的混凝土能和速凝劑之間良好結(jié)合，最終保證強(qiáng)度。混凝土厚度通過預(yù)埋鋼筋和分層噴射來保證，以使噴射的混凝土將鋼筋覆蓋為準(zhǔn)進(jìn)行操作和控制。

(3)因機(jī)械手的噴頭與大小臂都能自由轉(zhuǎn)動(dòng)，所以噴頭和噴射面間距與角度都能始終處在最佳范圍；另外，機(jī)械手配有空壓機(jī)，可提供最大0.75 MPa的風(fēng)壓，由電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可提供獨(dú)立形式的供風(fēng)系統(tǒng)，在施工中能使風(fēng)壓始終保持穩(wěn)定；機(jī)械手還配有計(jì)量輸送裝置，能對(duì)速凝劑的摻加予以精確的控制，使實(shí)際摻量達(dá)到最佳；此外加之操作人員正確操作，能將噴射時(shí)的回彈率降至最低。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，通過實(shí)際用量和回彈量之間的對(duì)比，經(jīng)計(jì)算可得拱部回彈率不超過10%，邊墻回彈率不超過5%，遠(yuǎn)低于相關(guān)驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)提出的要求，能極大的減少資源浪費(fèi)，從而降低工程造價(jià)。

(4)采用機(jī)械水噴射混凝土的過程中，現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)人員可以站在已經(jīng)完成初支的地方，通過遙控裝置控制機(jī)械手的噴頭，能從根本上保證施工安全。在機(jī)械臂的支持下，能伸縮至子掌子面實(shí)施混凝土噴射，而機(jī)械手本體則停留在安全的地方，即便掌子面突然產(chǎn)生塌方，也不會(huì)給機(jī)械手造成破壞。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況，噴射時(shí)現(xiàn)場(chǎng)粉塵濃度在2 mg/m3以內(nèi)，工作面及作業(yè)區(qū)的空氣情況均良好，基本沒有粉塵存在，實(shí)現(xiàn)了對(duì)作業(yè)環(huán)境的有效改善。

3 存在問題與建議

3.1 問題

(1)機(jī)械手造價(jià)昂貴，且需要整套采購，很多零配件現(xiàn)在都沒有實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，使維修養(yǎng)護(hù)方面的成本也很高。

(2)濕噴對(duì)速凝劑有著很高的質(zhì)量要求，但國內(nèi)速凝劑質(zhì)量不夠穩(wěn)定，經(jīng)常導(dǎo)致產(chǎn)生較大的回彈或一次性噴射厚度不足等，而使用進(jìn)口的速凝劑會(huì)使成本增加。

(3)機(jī)械手的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，對(duì)操作與維護(hù)保養(yǎng)人員都有一定要求。

3.2 建議

(1)盡快使機(jī)械手及其配件實(shí)現(xiàn)國產(chǎn)化，這也是未來的一個(gè)重要課題。

(2)對(duì)混凝土配合比予以持續(xù)優(yōu)化，通過嚴(yán)格篩選和比較，選擇有良好性能的國產(chǎn)速凝劑。

(3)加強(qiáng)對(duì)操作人員及維護(hù)保養(yǎng)人員的技術(shù)培訓(xùn)，提高他們的技術(shù)水平，以適應(yīng)機(jī)械手施工要求。

4 結(jié) 語

綜上所述，在該隧道工程施工中通過對(duì)濕噴機(jī)械手的引入，不僅保證了濕噴混凝土施工質(zhì)量，而且還減少成本、提高效率、減少環(huán)境污染。因此，在隧道工程建設(shè)中，尤其是在長大隧道工程中，借助機(jī)械手進(jìn)行濕噴作業(yè)，能從根本上解決粉塵、回彈和厚度等方面的問題，通過對(duì)濕噴機(jī)械手的不斷推廣，能提高隧道濕噴作業(yè)技術(shù)水平。