大型湿喷机械手在超大跨度公路隧道施工中的应用效果

迟作强，陈 瑶

1. 山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250021

2. 长安大学 公路学院，陕西 西安 710064

0 引 言

随着中国经济的快速发展和公路交通运输量的逐渐增加，原有的双洞四车道、双洞六车道隧道已不能满足交通运输和人民出行的需求，因而在新建高速公路中，采用双洞八车道设计的公路隧道工程日益增多。公路隧道初期支护喷射混凝土的施工方法主要有干喷和湿喷2种[1]。虽然干喷工艺简单、易操作，但是存在回弹率高、粉尘大、施工效率低等缺点[2-3]，严重影响了喷射混凝土的施工质量和现场的施工环境。湿喷工艺具有回弹率低、粉尘少、混凝土均质性好、强度易于保证等优点[4-7]，但是受喷射手熟练程度及技术水平制约，喷射混凝土平整度等问题不能得到很好的控制[8]，尤其是在超大跨度公路隧道施工过程中，混凝土的喷射技术还有待进一步改善。

本文以济南绕城高速老虎山超大跨度公路隧道为依托，对湿喷混凝土的机械设备选型、施作工艺流程、喷射效果进行深入分析研究，以期为超大跨度公路隧道的混凝土喷射提供可行性方案。

1 工程概况

老虎山隧道是济南绕城高速的一部分，设计为双洞八车道，进口位于黄金九九地产西南、搬倒井村北，毗邻二环东路道路，出口位于搬倒井村内。隧道左线起止桩号为ZK2+080～ZK3+820，长1 740 m，右线起正桩号为YK1+950～YK3+838，长1 888 m，属于长隧道。隧道最大开挖宽度为20.08 m，最大开挖高度为13.4 m，属于超大跨度隧道。左右线相距11～43 m，为小净距隧道。

老虎山隧道的围岩分级如表1所示。初期支护包括系统锚杆、钢筋网、钢拱架及喷射混凝土等，在施工过程中应当保证混凝土的喷射质量和效率，但是在超大跨度公路隧道施工过程中，混凝土的喷射范围和高度较大，人工作业无法保证，也满足不了工期要求。因此，应选择合适的大型湿喷机械手来提高施工进度与效率。

表1 老虎山隧道围岩分级统计

2 湿喷机械手的选型

老虎山隧道III级围岩段采用两台阶三部开挖法施工，上台阶掌子面一次性开挖，台阶长度为20～40 m，开挖高度为7.6 m，喷射混凝土厚度为20 cm；IV级围岩段采用上台阶CD法施工，先导洞掌子面开挖跨度为10 m，高度为8.3 m，喷射混凝土厚度为28 cm；Ⅴ级围岩段采用双侧壁导坑法施工，先导洞掌子面开挖跨度为3～5 m，高度达7.4 m，喷射混凝土厚度为30 cm。

老虎山隧道选用HSP-6车载式湿喷机械手（图1），喷射混凝土采用C25早强混凝土。该设备具以下特点：机械手操作灵活，水平输送距离可达30 m，最大伸长高度为20 m；每班只需配备3名工人，可兼顾多个掌子面，适应力强，施工范围大，无施工盲区；速凝剂用量和混凝土用量自动匹配，减少速凝剂消耗；耗风量为15 m3·min－1，生产能力为6 m3·h－1，回弹率不超过10%。

图1 HSP-6车载式湿喷机械手

3 湿喷工艺

老虎山隧道初期支护喷射混凝土采用湿喷工艺。喷射的混凝土在洞外拌合站集中拌合，由混凝土搅拌运输车运至洞内，采用湿喷机进行喷射作业。在隧道开挖完成后进行混凝土喷射，湿喷机械手可以采用螺旋形移动方式前进，也可以采用S形往返移动方式前进[9-10]。喷射时，先初喷4～6 cm速凝混凝土封闭岩面，然后打设锚杆、架立钢架、挂钢筋网，对初喷岩面进行清理后复喷至设计厚度。

喷射混凝土施工工艺流程见图2，喷射混凝土作业流程见图3。

3.1 喷射混凝土施工

3.1.1 喷射混凝土配合比设计

根据施工方法及环境条件的不同，喷射混凝土的性能要求也不同。喷射混凝土的配合比应满足设计强度和喷射工艺的要求，并通过试喷确定。

3.1.2 喷射前准备

（1）设置控制喷射混凝土厚度的标志时，一般以埋设钢筋头做标志，亦可在喷射时插入长度比设计厚度大5cm的铁丝，每1～2 m设1根。

图2 喷射混凝土施工工艺流程

（2）喷射混凝土施工前应对受喷岩面进行处理。一般岩面可用高压水冲洗受喷面上的浮尘、岩屑，当岩面遇水容易潮解、泥化时，宜采用高压风吹净岩面。

3.1.3 混凝土的搅拌和运输

湿喷混凝土搅拌采取全自动计量强制式搅拌机，施工配料应严格按配合比进行操作，速凝剂在喷射机喂料时加入。

运输采用混凝土运输罐车，随拌随运。喷射混凝土时，多台运输车应交替运料，以满足混凝土的供应。在运输过程中，要防止混凝土离析、水泥浆流失、坍落度变化以及初凝等现象出现。

3.1.4 喷射作业

在进行喷射混凝土施工时，施工人员应站在已经完成初期支护的安全位置，利用遥控装置控制喷头进行有效喷射作业。

进行喷射作业的流程为：打开速凝剂辅助风；缓慢打开主风阀；启动速凝剂计量泵、主电机、振动器；向料斗加混凝土。

喷射混凝土作业应分段、分片、分层依次进行，喷射顺序应自下而上，分段长度不宜大于6 m[10]。喷射时先将低洼处大致喷平，再以自下而上的顺序分层、往复喷射。

分段喷射混凝土施工时，上次喷射的混凝土应预留斜面，斜面宽度为200～300 mm，斜面上需用压力水冲洗润湿后再进行喷射混凝土作业。

图3 喷射混凝土作业流程

分片喷射要自下而上进行喷射作业，先喷钢架与壁面间的区域，再喷射两钢架之间。边墙喷射混凝土应从墙脚开始向上喷射，使回弹料不致裹入最后喷层。

分层喷射时，后一层喷射应在前一层混凝土终凝后进行，1次喷射混凝土的厚度不小于40 mm。若终凝1 h后再喷射，需先清洗喷射表面。

初喷混凝土应在开挖后及时进行，复喷应根据开挖工作面的地质情况分层、分时段进行，确保喷射混凝土的支护能力和喷层的设计厚度；喷射混凝土终凝后3 h内不得进行爆破作业。拱部复喷混凝土的1次喷射厚度为50～100 mm，边墙为70～150 mm。

喷射速度要适当，以利于混凝土的压实。风压过大，喷射速度增大，回弹增加；风压过小，喷射速度过小，压实力小，影响喷射混凝土的强度。因此在喷射前要注意观察风压，当起始风压达到0.5 MPa后，才能开始进行喷射作业，并根据喷嘴出料情况调整风压，一般工作风压在1.0 MPa左右。

3.1.5 养护

喷射混凝土终凝2 h后应进行喷雾养护，养护时间不小于14 d；当气温低于5 ℃时不得洒水养护。

3.2 施工控制要点

（1）喷射混凝土原材料应检验合格后使用，速凝剂应妥善保管，防止受潮变质。

（2）喷射混凝土的坍落度宜控制在8～13 cm范围内。当坍落度过大时混凝土会流淌，过小时容易出现堵管现象。喷射过程中应及时检查混凝土的回弹率和实际配合比。

（3）喷射混凝土拌合物的停放时间不得大于30 min。

（4）喷射混凝土作业必须在隧道开挖后及时进行。

（5）喷射混凝土前应仔细检查喷射面，如有松动石块应及时处理。喷射机应停留在安全地带，并尽量靠近喷射部位，便于掌机人员随时调整工作风压。

（6）喷射完成后应检查喷射混凝土与岩面的黏结情况，可用锤敲击检查。同时测量其平整度和断面，并将此断面与开挖断面对比，确认喷射混凝土厚度是否满足设计和规范要求。

（7）经常检查喷射机出料弯头、输料管和管路接头，发现问题及时处理。当出现管路堵塞现象时必须先关闭主机，然后才能进行处理。

（8）混凝土喷射完毕后，喷射机驶离作业区，出洞后立即进行清洗、维护和保养工作[11-13]。

4 湿喷效果

（1）老虎山隧道施工过程中采用车载式湿喷机械手进行湿喷作业，使回弹率控制在10%左右，远远低于采用干喷作业时30%～40%的回弹率[14]。

（2）在湿喷过程中，由于混凝土的坍落度控制在8～13 cm范围，具有良好的黏聚性，易于喷射，减少了粉尘的扩散。现场喷射混凝土作业见图4。

（3）由于喷射混凝土采用机械化施工，因此在施工过程中更容易控制喷射面的平整度，平整度效果见图5。通过实践总结，湿喷机械手按照“动大臂、移小臂、喷嘴回旋”的操作要点，通过调整大小臂，可使混凝土垂直岩面喷射，并与岩面保持合适的距离。

图4 现场喷射混凝土作业

图5 喷射混凝土的平整度效果

5 结语

（1）在老虎山隧道初期支护施工阶段采用大型湿喷机械手进行喷射混凝土作业，使得混凝土的回弹率降低了20%～30%。

（2）在超大跨度公路隧道初期支护施工阶段采用大型湿喷机械手进行喷射混凝土作业，可避免回弹料、拱部落石等造成的伤人事故，极大地优化了掌子面作业环境。

（3）大型湿喷机械手在超大跨度公路隧道施工中具有改善施工环境、合理调节人员配置、提高施工效率等优点，具有广阔的应用前景。