混凝土湿喷机械手技术在隧道施工中的应用探索

郝光辉/中铁航空港集团第一工程有限公司



混凝土湿喷机械手技术在隧道施工中的应用探索

郝光辉/中铁航空港集团第一工程有限公司

【摘 要】湿喷工艺取代干喷工艺，以及混凝土湿喷机械手的出现，大大改善了隧道施工人员的工作环境，降低了劳动强度，提高了工作效率，节省了施工成本，促进了隧道施工机械化的进程。本文以混凝土湿喷机械手在蒙华铁路桐木隧道施工中的应用为例，从CHP25B车载式混凝土湿喷机械手的机械特性、喷射工艺技术、与传统小型湿喷机作业效果对比分析等方面对混凝土湿喷机械手技术的应用进行阐述，总结分析混凝土湿喷机械手技术具有的良好发展前景，为普及和推广使用机械手喷射混凝土提供了良好的经验借鉴。

【关键词】混凝土；机械手；湿喷；隧道

1.引言

随着国家经济迅猛发展，高科技随之运用，隧道工程在新建铁路、公路中所占比例越来越大，隧道施工也越来越机械化、国际化。为了能够快速安全有效地进行隧道掘进，对初期支护的混凝土喷射技术提出了更高的要求。前些年，我国喷射作业还处于手工小作坊时代，例如人工搅拌、人工上料、单机搅拌、小型干喷机、小型湿喷机等，作业环境差、质量控制水平低、材料消耗率高、施工速度低下，对施工人员的身体健康产生严重的危害，与当今的社会经济发展水平极不适应。与传统的干喷机及小型湿喷机施工技术相比，混凝土湿喷机械手技术具有作业灵活性、快速性、方便性、经济性、安全性，既能克服传统施工技术的缺点，又能节能减排，实现生态文明的机械化施工，使喷射作业向前迈进了一大步。选择喷射速度快、机械化程度高、回弹率低的大型喷射混凝土机械手已成为公路和铁路隧道施工的主流工艺。同时，结合国内机械技术的逐渐成熟及进步，此项新技术正向着高效、安全、节能环保、实用和全自动化方向发展。

2.工程概况

桐木隧道是新建蒙西至华中地区铁路煤运通道土建工程MHTJ-31标段的一项工程，隧道进口位于江西省宜丰县黄岗镇，隧道出口位于宜丰县芳溪镇，起止里程为DK1702+771～DK1708+144，隧道全长5373m，为单洞单线隧道，隧道最大埋设282m。地质条件复杂，主要不良地质有断层破碎带（本隧道共穿越断裂构造5条，节理密集带4条，岩性接触带1条），不均匀分化可能发生突水、突泥灾害，高应力区，岩爆等。其中Ⅱ级围岩968m，Ⅲ级围岩3116m，Ⅳ级围岩698m，Ⅴ级围岩591m。本隧道设置斜井一座，位于线路右侧，斜井与正洞相交与DK1705+480处，与线路大里程夹角123.5°，斜井为双车道，长度757m，斜井Ⅲ级围岩640m，Ⅳ级围岩60m，Ⅴ级围岩57m。由此可见，桐木隧道存在反坡施工、长距离通风等困难，施工难度大、风险高、施工技术复杂，对超前地质预报、监控量测及施工过程控制要求高。

3.设备选型

桐木隧道施工选用2台湖南五新隧道智能装备股份有限公司自主研发生产的CHP25B车载式混凝土湿喷机械手。该设备采用福田底盘，总质量16T，最大爬坡度不大于20%，最高车速90km/h，方便工地调配；臂架回转角度、喷头轴向旋转角度、喷头刷动角度均为360度，喷头垂直轴向摆角240度，最大喷射高度16m，最大喷射宽度24m；泵送系统工作驱动方式为55kw电动机，混凝土排量25m3/h，最大泵送压力7.3Mpa，输送缸内径/行程为φ160mm/1000mm，输送管径φ80mm～φ125mm变径，喷嘴嘴口直径φ50mm；其他组成还有水泵总成、速凝剂箱、抽液泵总成、润滑泵及分配阀、各类电缆线卷筒等；风压系统采用洞外螺杆空压机外接供风。其他配套设施主要有中铁科工HZS-120混凝土搅拌站一套，3～5辆混凝土搅拌运输车。CHP25B车载式混凝土湿喷机械手与早高强喷射混凝土技术相结合，可以形成软弱围岩隧道快速机械化施工成套技术，通过喷射混凝土施工的及时特性和早强特性，提高初期支护控制围岩变形能力，提高施工速度，降低成本。

4.机械手湿喷工艺技术

4.1混凝土配合比

喷射混凝土配合比与混凝土强度、回弹率、初喷层厚度有密切相关，设计重点为混凝土和易性和速凝剂的选择。根据TB10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》规定，喷射混凝土水胶比不大于0.50，胶凝材料用量不小于400kg/m3，粗骨料最大料径不大于16mm，细骨料细度模数应大于2.5。根据此要求，项目部设计混凝土标号为C25的混凝土配合比详见表1：

表1

按此配合比，施工中喷射混凝土性能一直很稳定，满足设计强度的同时坍落度始终控制在160～200mm内，混凝土具有良好的保水性，流动性和黏聚性。

4.2机械手操作要点

机械手喷射混凝土施工时，影响喷射混凝土质量、效率、回弹等方面的因素主要有：混凝土的和易性、机械手风压大小、一次喷射厚度、骨料最大粒径、岩层平整度、速凝剂掺量、操作手熟练程度、喷射距离、角度、喷射顺序、喷头移动等。根据各种影响因素我们通过几项措施进行要点说明如下：

（1）混凝土坍落度要求骨料最大粒径应小于16mm，否则会因阻力过大而无法顺利喷出，混凝土坍落度应控制在160～200mm。

（2）喷射前，在机械手和操作人员到达施工区域后，利用高压风对岩面进行一次清理，保证初喷混凝土与岩面的有效粘结，以提高喷射混凝土的附着力。

（3）要求机械手操作人员具有一定的经验和熟练程度，喷混凝土过程中，保证风压在0.2～0.4Mpa比较适宜。工作风压选择和混凝土的和易性有关，和易性越好，工作风压越小，反之越大。实际施工中应根据混凝土的和易性、风压稳定性影响进行调整，以保证喷射混凝土在喷射口的速度和连续性。并要求机械手的喷头与岩面垂直，距离在0.8～1.2m范围内。垂直喷射时，连续的混凝土“稀薄流”对反弹物有二次嵌入的作用，可以降低回弹率，增加一次喷射厚度，如果喷头距受喷面太近，高压风会将刚喷上的混凝土吹掉，使回弹量增大。

（4）喷射顺序应先从两侧边墙底部自下而上开始喷射，最后闭合于拱顶中心线位置，喷射混凝土回弹在刚刚喷射时最大，但岩面喷厚达到20～30mm时，回弹最小且稳定，完成一次环形试喷，要求厚度在30～50mm，如果在喷射过程中出现混凝土滑落或流淌时，一次喷射厚度已达到上限，此时已经不能再对同一地方喷射，应等混凝土初凝后在回过来复喷至设计厚度。

（5）速凝剂掺量过大导致回弹增大，混凝土喷层密实性变差，掺量过小导致喷层流淌下坠形成微裂纹或掉块。因此，必须在喷射混凝土作业时严格控制速凝剂掺量，以达到质量控制和节约成本的目的。一般来说，拱部周围速凝剂掺量比边墙附近稍大，且喷射速度也相对较慢。经过操作人员实战经验而谈，边墙喷射混凝土速率为11～20m3/h，最高可达27m3/h；拱部喷射混凝土速率约为15m3/h；边墙喷射混凝土速凝剂的掺加量为3%～5%；拱部喷射混凝土速凝剂的掺加量为6%。

（6）混凝土的供料要连续，喷射过程中经常停机，容易造成喷头处赌管现象，清除堵管非常麻烦，且耽误作业时间。造成堵管的因素如下：输料管太干燥或润滑不够、S摆管阀漏浆、输料管泄漏、在输料管和摆管阀里存留未洗干净的混凝土、混凝土配比或骨料级配不合理、混凝土离析、混凝土已经开始初凝等。如果出现堵管，应立即关闭机械手及计量泵，关掉输送风，拍打软管，并倒掉管内存留的混凝土，堵管处理完成后应先加水喷射洗管，确保管路畅通后才能进行再次喷射施工。

（7）喷射结束后，混凝土湿喷机械手驶离作业区域，在洞外不影响隧道正常施工的情况下，严格遵循规章制度和安全操作规程，对混凝土喷射机械手进行日常维护和保养，并对其进行定期检查。放入速凝剂时候要注意它的腐蚀性，防止在放入的时候速凝剂泄漏。混凝土喷射机械手施工时，要带有安全帽和其他防护装置，防止意外发生。

5.机械手湿喷作业效果对比分析

5.1快速性

在同级围岩条件下，把CHP25B混凝土湿喷机械手和传统的小型TK600湿喷机做一对比。在正常施工条件下，机械手喷射速度快，效率高，机械手的喷射量为0～25m3/h，平均喷射量为12.5m3/h；而TK600湿喷机喷射量为0～6m3/h，平均喷射量为4m3/h。对比可知，一台机械手的施工效率相当于3台TK600湿喷机同时施工的工作量。机械手采用汽车底盘，行走方面，设备到达工作面后只需将电缆线放开接到配电箱内，前后支腿撑起，使用遥控器将大臂和小臂移至带喷位置，整个过程大约只需15min即可。如果使用TK600湿喷机，则需要用装载机分别将2台设备及配套设施放到带喷地点附近，然后依次连接电机电缆线、高压风管、速凝剂管等，整个准备过程大约需要60min。与利用喷浆台架喷射混凝土相比较，机械手的移动更方便且喷射范围广，很好的提高了作业循环的速度。

5.2经济效益及安全性分析

对于喷射混凝土回弹方面，如果采用小型湿喷机施工，喷射混凝土的回弹率可超过25%，而机械手的回弹率则可控制在15%以内，大大降低了初期支护喷射混凝土的消耗成本；对于人员配置方面，采用用小型湿喷机施工，一台设备至少配备4人（上料人员、添加速凝剂人员、喷射操作人员和辅助人员），一般需配2台设备同时施工，而湿喷机械手作业只需3人（设备操作手、放料人员、维修工人兼辅助人员）便可控制整个施工过程。这样一来就节省了5名劳动力；对于施工效率方面，两台小型湿喷机的喷射混凝土量大约是9m3/h，一台CHP25B湿喷机械手的喷射混凝土量平均是12.5m3/h，是2台小型湿喷机的1.39倍；对于职业健康方面，粉尘浓度大，可见度差，而使用机械手时，操作人员可站在喷射面5～10m的位置遥控作业，粉尘少、噪音小，通过佩戴防尘装置，可基本避免对操作人员的伤害。

6.结束语

机械手具有施工机械化程度高、工作效率高、回弹量少、施工安全性强、作业环境好、总的经济效益显著等优点。但是操作手的熟练程度及技术水平的高低严重影响到了施工平整度和回弹量问题，也是使用机械手施工的问题所在，所以目前通过实战操作及厂家人员现场指导对操作手技术的提高将作为重中之重。

总而言之，混凝土湿喷机械手是现代隧道初期支护施工中不可缺少的一部分，因此也把混凝土湿喷机械手优点进行论述，对隧道施工更具有实用价值和安全价值。随着我国科学技术的持续发展，隧道施工质量也在不断提高，所以混凝土湿喷机械手技术在隧道施工中的广泛应用也是现代城市建筑中的必然，其能提高整个建筑施工的质量，也能保证施工人员的安全性，同时也能满足项目对隧道施工的各种需求。因此混凝土湿喷机械手技术的日益完善及在隧道施工中的广泛使用，将促进隧道建筑工程的进一步发展。

参考文献：

［1］宋晓辉，徐飞萍，方耀卿，等.公路隧道湿喷工艺一体化施工方案研究［J］.山东交通科技，2008（2）

［2］张硕.谈隧道湿喷混凝土施工工艺［J］.山西建筑，2009（3）

［3］徐家炎.公路隧道湿喷混凝土施工技术与研究［J］.西部探矿工程，2006（ 增刊）

［4］郑朝保，罗朝廷.喷浆机械手在支护工程中的应用［J］.铁道建筑，2005（ 11）

［5］董翔宇，韩晓刚.浅谈隧道初期支护喷射混凝土湿喷施工［J］.北方交通，2009（10）