湿喷机械手在隧道施工中的应用与效果分析

张 国 华

(山西省晋中路桥建设集团有限公司,山西 晋中 030600)

1 工程概况

某高速公路隧道左洞起点桩号ZK31+451～ZK32+816，长1 365 m，右洞起点桩号YK31+450.5～YK32+818，长1 367.5 m。单洞设计采用单向两车道，属分离式隧道，左右洞净距为35 m～42 m。隧道围岩为Ⅴ级围岩，洞口段为浅埋段，采用超前长管棚加固处治。隧道初期支护采用锚杆喷射混凝土加设钢拱架支护，为保证施工质量和效率，开挖钻孔采用凿岩台车，喷射混凝土采用湿喷工艺，施工机械选用混凝土喷射机组(湿喷机械手+车载式湿喷机)。为保证隧道正常施工，保证施工进度，合理进行施工机械选配，主要施工机械配置如表1所示。

表1 隧道施工机械配置

2 湿喷机械手施工技术

2.1 施工工艺原理

机械手湿喷工艺原理是按施工配合比将水泥、集料、水等原材料加入拌和设备，搅拌均匀后利用混凝土搅拌运输车运输到施工现场，输送到车载式湿喷机，以压缩空气为动力，通过湿喷机械手将掺入速凝剂的混凝土喷射到岩面上，形成密实、稳定、平整的混凝土结构层，机械手湿喷施工工艺原理如图1所示。

2.2 机械手湿喷施工技术要点

1)施工前准备。本项目隧道喷射混凝土施工采用混凝土喷射机组，施工前混凝土在搅拌站统一拌和，并使用专用的混凝土运输车运送至施工现场。施工前对原材料质量进行抽样检测，符合要求方可使用。隧道开挖后，首先对掌子面进行初喷，然后按照设计要求喷射至设计厚度。混凝土喷射前，对岩面渗漏水部位进行处理，如局部渗漏水量较大时，可埋设排水盲沟引流，将水排除，防止影响喷射混凝土质量。为了控制混凝土喷射厚度，在岩面上安装钢筋头或利用锚杆外露长度确定。

2)混凝土配合比设计。本项目采用C25混凝土，为保证混凝土的施工和易性、耐久性和强度等指标符合要求，进行了严格的配合比设计。充分考虑水灰比对回弹率的影响，控制混凝土坍落度在14 cm，并将砂率控制在60%，以防止堵管。

3)混凝土拌和与运输。搅拌站应尽可能布置在隧道洞口，并选用2台混凝土运输车运送到施工现场。严格按照施工配合比拌和混凝土，采用专用运输车运送至施工现场，防止离析。施工中应保证连续性，合理协调拌和设备、运输车和湿喷机械手的生产能力。

4)喷射作业。喷射前对开挖面的危石、粉尘等杂物进行清理，使用机械和人工配合排险，使用高压空气扫风清理岩面上附着的杂物。在喷头处按比例加入速凝剂，速凝剂掺量应控制在3%～5%，且初凝时间小于5 min，终凝时间小于10 min。湿喷机械手施工应分片、分块喷射，采用自下而上的顺序进行施工。喷射施工中喷嘴距离岩面0.6 m～1.0 m，且喷嘴与岩面垂直。喷射混凝土厚度应分层施工，喷层厚度拱部控制在3 cm～5 cm，边墙控制在5 cm～7 cm，以减少回弹。喷射混凝土回弹率应控制在10%左右，不得超过15%。对渗漏水部位，可由远及近先喷少量干料，待干料与水融合后，再喷射湿拌混凝土。最后，喷射混凝土面应保证平整、光滑，无干斑和混合料流动现象。

3 湿喷机械手施工效果对比分析

3.1 回弹率对比

在湿喷施工过程中，选取四块施工区域，统计湿喷混凝土实际用量，并与混凝土理论用量对比，计算回弹率，统计与计算结果如表2所示。

表2 机械手施工回弹实测数据

表2理论混凝土用量是通过激光断面仪测量施工前后隧道断面尺寸计算得出的。通过对施工现场选定的区域回弹量和回弹率进行计算，分析后得出平均回弹量为1.64 m3，平均回弹率为8.05%，小于10%，满足不大于15%的要求。而普通湿喷机的回弹率通常超过20%，说明采用湿喷机械手可节约混凝土用量。

3.2 人员配置

在隧道喷射混凝土施工中，选用普通湿喷机，1台湿喷机需配备6名施工人员配合施工，每个作业面需要配置3台设备，大概需要16名作业人员。采用湿喷机械手需要配备4名施工人员配合施工，每个作业面可减少12名施工人员。按人工费3 500元/(人·月)，每月可节约人工费4.2万元。

3.3 生产效率

本项目选用的湿喷机械手喷料速度4 m3/h～24 m3/h，可通过控制系统调整喷射混凝土量。混凝土用量与操作人员的技术水平有关，熟练的工人喷浆量最大可达到15 m3/h，平均可达到12 m3/h左右，即每5 min就可喷射1 m3混凝土。而一台普通湿喷机的喷浆量一般为3 m3/h左右，按一个工作面设置3台普通喷浆机，一台喷浆机械手的生产效率相当于3台普通湿喷机的1.33倍。

在工序衔接方面，喷浆机械手采用轮胎式行走装置，机动灵活，5 min～8 min即可驶出洞外。而普通湿喷机自身无行走装置，需要配备吊架，还需要拆卸风、水管，整个工序衔接时间大概需要25 min～30 min，可以看出选用喷浆机械手可有效节约工序衔接时间。

4 经济效益对比分析

该项目施工工期为13个月，在施工过程中，统计湿喷机械手在喷射混凝土用量、设备费用、人工费用、电费和其他费用等方面的费用，与普通湿喷机进行对比分析，统计数据如表3所示。

表3 湿喷机械手与普通湿喷机经济效益对比分析 元/m3

分析表3数据可知，采用湿喷机械手与普通湿喷机相比，喷射1 m3混凝土可节约费用633.14-595.66=37.48元。按照设计图纸，该隧道总计需要4 396.25 m3混凝土，理论上可节约成本约16.48万元。

5 结论

结合高速公路隧道湿喷施工，全面阐述湿喷机械手工艺原理和施工技术要点，并对比分析其施工效果，得出以下结论：1)通过分析湿喷机械手喷射混凝土理论用量和实际用量，确定平均回弹率为8.05%，远小于普通湿喷机的20%，可有效节约混凝土用量；2)通过对比分析，湿喷机械手施工配备人员数量少，可有效节约人工费用，施工速度快，节约施工时间，生产效率高；3)与普通湿喷机相比，采用湿喷机械手施工可有效节约成本，喷射1 m3混凝土可节约费用37.48元。