湿喷机械手在重载铁路隧道施工中的应用

2022-06-15卢昆

鄂州大学学报 2022年3期

卢昆

（中铁十八局集团第一工程有限公司，河北涿州 072750）

混凝土湿喷是借助流体动力，通过管道将预拌制混凝土输送且高速喷射于受喷面，通过喷射时骨料和水泥的连续撞击、压密而形成的一层混凝土支护层[1]。近年来，混凝土喷射台车以其喷射效率高、回弹率低、喷射质量好、安全环保等优势，在我国公路、铁路、水利水电等大断面地下工程中应用广泛。目前混凝土湿喷机国内外市场上臂架结构形式多样，主要分为伸缩回转式，折叠式臂架结构，而上、中、下台阶同步推进施工，对混凝土湿喷机的臂架摆动自由度，喷射范围均提出更高要求。同时，对湿喷机械手操作提出更高的要求。文章结合王家湾隧道实例，对湿喷机械手在重载铁路隧道施工中的应用进行详细分析。

1 工程概况

蒙华铁路王家湾隧道位于延安安塞县王家湾乡，是典型的大断面重载铁路隧道。隧道全长7288m，最大埋深和设计时速分别为0.22 千米和每小时120 千米，由于受到黄土高原水流向源侵蚀的作用，因此有着较为突出的下切效应，“V”字型冲沟呈现出树枝状特点进行分布，整体具有支离破碎的显著特征，地面高程1260～1533m，隧道进出口为缓坡，地表坡度约40°左右，地表有少量植被。隧道洞身穿越地层依次为：第四系全新统冲洪积砂质新黄土，中更新统洪积层黏质老黄土，白垩系下统洛河组砂岩。隧道围岩主要为V、IV级别，在具体施工之时，运用了三台阶法。

2 湿喷机械手工作特点

该隧道运用的混凝土喷湿机械手型号为HPS3016，将喷射、泵送、移动融为一体，具体性能颇具有稳定性，使用过程也颇为简单，有着较高的生产率，而且施工质量整体较高，有着较低的回弹度（其作业性能如图1 所示）。

图1 湿喷机械手作业性能

湿喷机械手每小时喷射混凝土10m3～30m3之间，最大喷射高、宽度依次为17.5 米和31.4 米，一次定位喷射可以支持的移动距离达到了15.3米，比普通技术的性能高出很多。而且通过该机械手作业，还能进一步提升混凝土的附着力与密实度。此外，混凝土的回弹率也显著降低，通常可以将此指标控制在七成之内，是以往所有喷射混凝土工艺所达不到的。HPS3016 双臂混凝土喷射台车是针对大、中隧道断面的一种混凝土喷射装备。技术参数如表1：

表1 混凝土喷射台车技术参数表

3 湿喷机械手施工应用

3.1 施工工艺及参数

在隧道施工中通过缩短台阶长度，调整台阶高度，同时出碴，交叉安装钢架，据此达到能够使用湿喷机械手一次性对上、中、下三个断面进行喷射混凝土的目的，显著提升了施工效率，缩短了作业时间，同时缩短了初支仰拱至掌子面之间的间距，使得安全布局能够满足标准要求[2]。以Ⅳ级围岩为列，施工技术参数如表2 所示。

表2 施工技术参数

3.2 施工准备

（1）喷混前对作业面接缝处检查，清除接缝处骨料堆积、砟土污染及个别点欠挖问题，清理时可采用钢钎、电镐、钢刷及高压风等不同形式工具，但清除干净是唯一标准，防止出现重大质量隐患。

（2）倘若岩面存在着超挖等现象，而且坑洼较为严重，此时需要配置锚杆挂网，然后再对其喷射混凝土。

（3）喷混前采用高压风冲净岩石、钢架和网片上面的砟土，方可开始喷射混凝土[3]。

（4）运用钢架完成钢筋头的焊接，使之视作厚度标钉，熟练操作工能够按照实际经验，对其进行厚度调控。

3.3 混凝土喷射

在此喷射作业环节，需要运用强制式搅拌设备，而且能够自动计量，在配料过程中，需要按照配合比加以动态操作，混凝土的搅拌时间不能低于3 分钟。喷射混凝土需要紧密，按照循环作业量与运输间距，来对相应的罐车进行配置，通常其数量配置二至四台，体积达到10m3，就可支持现场施工。在具体喷射之际，需要适当增添速凝剂，然后通过计算机系统，对掺入量进行计算，并通过机械设备进行自动化掺入，施工过程中依据混凝土回弹量的大小来调整风压。具体把控要点如下：

（1）在喷湿混凝土作业环节，需要对角度、距离、次序、喷射移动等参量进行调控，这些都会对最终的施工质量、混凝土回弹带来显著影响。

（2）喷射顺序。在具体喷射之际，需要进行分块、分部和分段，墙为先，拱为后，从底部开始作业，然后再到上部，在喷射时，移动路径呈现出S型曲线[4]。隧道由两侧边墙底部进行相应待处理，然后再对其进行喷射，直至拱顶中心线处进行闭合（如图2）。防范在上端喷射时出现虚掩现象，进而导致强度变弱，拱脚也失去稳定性。

图2 上台阶喷射混凝土图

（3）喷射角度。在具体作业时，需要将喷头与作业面调整垂直，倘若角度过小，就会提升回弹率，使得密实度有所下降。因在垂直作业时（详见图3），能够有助于反弹物进行二次嵌入，这样，回弹率就会显著减小。

图3 中台阶喷射混凝土图

（4）喷射距离。在喷湿作业过程中，需要提供较大的风压，倘若喷头与作业面距离很近，那么强风就会吹走刚刚喷射的混凝土，进而显著增强其回弹量，通常，这个距离控制最短需到1.5m，最长不能超过2m。

（5）喷头移动。在刚刚喷射之际，有着极大的回弹量，当喷射厚度在拱部、边墙分别达到“4 至6m”、“6 至10m”时，此时回弹量最低，而且具有稳定性。若是喷射至岩面的混凝土出现了流淌现象，此时一次喷射厚度已经达到极大值，无须继续喷射，待其初凝后才能再次作业。

（6）风压调整。该参量的调整需要结合混凝土的和易性、作业面距离、风压稳定性进行动态优化，使得设备能够连续喷射，不会出现流淌现象，而且还能以恰当的速度与作业面呈现出垂直角度[5]，由此进行喷射作业。

根据设备使用说明书并结合现场试验总结，确定了HPS3016 型混凝土湿喷机械手喷射距离在1.5～2.0m范围内，风压调整到5.5Mpa时，混凝土回弹量最小。

（7）速凝剂掺量控制。此掺入剂的运用，目的就是让喷射出来的混凝土以更快的速度变硬，这样就能降低回弹损耗，防范混凝土因为自身重力导致脱落[6]。故根据不同喷混位置调整速凝剂掺量，能很好的提高混凝土强度。通过试验确定，隧道拱部为5%～6%，隧道边墙为3%～4%，仰拱为1%左右，混凝土回弹量最小。

4 结果分析

4.1 进度分析

湿喷机械手作业工艺有着较高的机械化水平，通常只需要配置四人就能作业，这四人的分配是操作工、放料工分别为1 人，还有2 位杂工。这些人员都需要处于安全位置，然后利用遥控器对喷头进行调控，接着进行作业，确保最终作业具有良好安全性[7]。该机械手每小时可以喷湿混凝土30 m3，超过普通喷射机工的效率三倍，以该隧道IV 围岩作为案例，其湿喷机喷混量为17.64 m3，单循环进尺为2.4m，湿喷作业时间平均约2 h，比普通小型湿喷机节省3 h 以上，更利于后续工序衔接，另外，施工者的劳动强度还能显著弱化，有效改善作业环境。