铁路隧道工程中机械手湿喷施工工艺

吴宝丹

（中铁十九局集团第六工程有限公司，江苏无锡 214000）

0 引言

铁路隧道工程中，基于湿喷工艺的应用可解决传统方式下干喷工艺质量欠佳、成本高等局限性问题，发挥出集中搅拌、自动计量等多重优势，将喷射工艺水平提升到新的层次[1-2]。在工程建设逐步朝机械化发展的背景下，机械手成为湿喷施工中的重要装置，其具有喷射效率高、回弹率低等特点，给隧道湿喷施工提供重要支持。

1 工程概况

某铁路隧道工程起讫里程ZK74+295～ZK76+243，全长1948 m，隧址区分布大量Ⅳ级围岩，地质条件欠佳，岩体呈粉碎状，洞内黄土分布较多，其含水量偏高，伴有较明显的围岩渗水现象，不利于安全施工作业。针对隧道的施工条件，初期支护选择湿喷工艺，利用机械手实现高效的喷射混凝土施工作业。

2 初期支护混凝土湿喷施工

2.1 设备的选用

选用HPS3016S 型机器手喷射机，正常状态下该装置输送量可达30 m3/h，参数方面主要有电机功率55 kW、柴油机功率75 kW，湿喷机械手如图1 所示。

2.2 混合料的质量控制及配合比优化

细集料选择的是中粗砂和机制砂，根据隧道初期支护施工要求，砂率45%～55%、含水率5%～7%较为合适；粗集料选择的是碎石材料，粒径控制在5～10 mm；水泥是重要施工材料，选择的是P·O42.5 普通硅酸盐水泥。经过试验后确定合适配比，再选用适量外加剂，通常以水泥量的4%～6%较为合适（按重量计）。混合料的坍落度要得到合理的控制，若该值偏小易发生堵管现象，若该值偏大则将显著加大混凝土回弹量，导致稳定性大打折扣，强度无法得到保障[3]，因此在混合料拌制时要加强检测，灵活调整工艺参数。

图1 湿喷机械手

2.3 全面检查待喷射岩面

做好喷射前的准备工作，测量受喷围岩的尺寸，检查隧道外边表面施工情况，应足够顺平，若存在欠挖现象则要及时补凿，将上部的浮石清理干净，再使用高压风吹去灰尘等各类细微的杂质[4]。若存在渗漏水现象，应准确锁定水源，采取科学的防排水措施，避免积水对施工作业造成不良影响。若渗漏水现象严重，则要通过凿岩机开孔的方式降排水。

2.4 机械手湿喷施工

综合考虑现场情况，灵活调整湿喷的角度，并控制好喷射距离、风压。湿喷作业要配套适量的软管，要求其长度≤20 m，不同施工区域的风压控制标准存在差异，若在拱顶处施工，应稳定在0.3～0.5 MPa，若在边墙处则要适当减小，以0.2～0.4 MPa 较为合适。

（1）喷射角及距离。喷射施工中要调整好喷嘴的位置，其与岩棉应保持垂直的关系，但在边墙处较为特殊，要求喷嘴向下10°，在此条件下展开喷射作业；部分情况下易出现格栅盖住作业面的情况，此时需适当倾斜喷头。角度控制是喷射中的重点内容，喷嘴与作业面形成的角度应相对较大，否则在喷射过程中混凝土的状态失控，易在作业面上滚动，导致喷面的平整度不足，形态上呈波形，并产生较明显的回弹现象，最终喷射效果难以得到保证。此外，喷射间距也要得到有效的控制，以0.6～1.2 m 为宜，此条件下混凝土具有足够的强度，且回弹限值也可稳定在合理范围内。

（2）喷射流程。首先完成边墙处的喷射作业，再转向拱脚处，最后施工拱顶，全程均要遵循分层分段的原则。施工中，要控制好各层厚度，使其具有足够的均匀性，不宜超过60 mm；注重相邻层施工时间差的控制，需限定在15～20 min。为避免盲目喷射施工，在此之前需找平施工面，喷头运行姿态应呈螺旋形，每一圈均要压前面半圈，正常情况下旋转直径≤300 mm，以混合料的速凝情况为依据，灵活调整喷射距离，确保面层可维持光滑和平顺的状态。以上一层混凝土强度为依据，在满足要求后方可组织下一层喷射施工，单次喷射长度以3～4 m 为宜。

（3）回弹量调整。岩石与骨料等物料间会发生明显的摩擦现象，导致喷射面的稳定性不足，出现不同程度的物料下落现象，即回弹。从具体因素来看，诸如喷射位置的选择、混合料中水泥的用量、水灰比等均会对回弹量造成影响[5]。各阶段的回弹量存在差异，喷射初期相对较大，伴随时间的延长而发生塑性变化，后续混合料的回弹量维持在较低的水平，施工中要加强对喷射混凝土厚度的控制，将回弹量控制在许可范围内；此外，回弹现象主要与粗骨料和水泥有关，还需从此类材料的质量和用量入手，采取相适应的控制措施。

（4）整平。喷射过程中保证混凝土的平整性至关重要，此举有助于改善混凝土的性能，使其具有耐久性。混凝土施工过程中应采取必要的振捣措施，否则易造成局部混凝土平整度不足，对施工质量造成不良影响，例如在振捣设备控制不到位的情况下，钢筋易受损，且与混凝土间所具有的粘结度也相对欠佳，混凝土内部因密实度不足而产生裂缝。喷射后自然形成的面层偏粗糙，不利于二衬施工，严重影响到防水板的铺设效果。对此，应做好对喷射混凝土的整平工作，以混凝土达到初凝状态为基本条件，此时要将多余的混凝土刮除，再采取抹灰处理措施，实现找平。

（5）养护。此环节发生在混凝土终凝2 h 后，以洒水养护的方式为宜，持续养护7 d；期间加强对现场环境的观测，若温度在5 ℃以下，不可喷水养护，否则在低温状态下易导致混凝土发生冻裂等质量问题。

（6）堵管处理。堵管现象较为普遍，对于堵管的处理，首先要停止机械手的运行并关闭计量泵，再停止输送风，由施工人员适度拍打软管，将残留在管内的混凝土处理干净，随后再洗管，使其维持洁净的状态。

（7）施工中还需控制好工作风压力，正常情况下应维持在0.2～0.4 MPa，具体要视混凝土和易性灵活调整。对于和易性较好的情况，此时可适当降低工作风压，且还需考虑与工作面的距离、输送管径等方面的情况。喷射过程中，要求混凝土出口速度维持在合理的区间内，具体要以混凝土和易性、风压为基本参考，保证速度的合理性，以免出现喷射口质量欠佳的问题。对于岩面较脏的情况，需借助高压风深度清理，保证混凝土与岩面可有效结合，产生较强的粘结力。若存在超欠挖现象，则要准确划定存在质量问题的区域，采取相应的处理措施。喷射层的厚度控制较为关键，若偏大，在自重作用下易发生喷层坍落现象；若偏小，粗集料回弹现象更为明显。

3 质量控制措施

（1）清理岩面，软岩可利用高压风处理，硬岩较为适宜的方式是水洗，严格按照流程完成喷射作业，根据实际情况优化速凝剂参数，从而避免回弹率过大的情况。

（2）结束一次喷射作业应停留5～10 min，随后再组织复喷作业，若间隔时间未得到合理的控制，在混凝土自重的作用下易发生混凝土掉块现象。

（3）喷射混凝土要具有密实性，不可出现裂缝、漏筋等问题，且与围岩、钢筋网都要形成紧密贴合的关系，确保背后不存在空洞。

（4）创建专业的施工班组，强化日常培训，切实提高机械手喷射效率，期间厂家跟踪指导。原材料质量要满足要求，需审核供应商的资质，所有材料都要附带合格证等具有证明作用的资料。

（5）机械手的操作必须严格依据规范执行，喷头至岩面的角度及距离、工作风压、速凝剂等相关参数应符合设计需求，并由经过培训的专职人员进行操作，其他无关人员不允许擅自启动设备。机械手行走过程中应控制好行走速度，当喷射作业结束后，将机械手开至洞外，避免影响后续正常施工。此外，该设备结构较为复杂，需定期做好维护与保养工作。参与施工的人员都要佩戴安全防护用品，以免因混凝土回弹等现象而导致人员伤亡。

4 结束语

湿喷机械手具有自动化水平高、稳定性强等多重优势，是铁路隧道施工中的重要装置，利用机械手完成湿喷作业可提高施工效率，有效的解决传统方式下混凝土回弹量高、效率低等问题，因此具有较高的推广价值，值得被应用于铁路隧道工程中。