湿喷混凝土施工技术在铁路隧道工程中的应用

摘要：通过对石屋山隧道工程现有概况的阐述，得出适用于该工程的湿喷混凝土施工技术方法，即对该隧道的湿喷法施工机具、材料选用、施工要点、注意事项、劳力组织和施工效果进行了详细阐述，通过分析湿喷试验的技术经济效果，认为湿喷技术有着干喷技术不可替代的优势，具有施工机械化程度高、工作效率高、回弹量少、作业环境好、绿色环保、混凝土强度大、经济效益和社会效益显著等诸多优点。为今后相关的工程项目提供借鉴。

关键词：铁路隧道；湿喷混凝土；施工技术

中图分类号：U455.4 """""""" 文献标志码：A" """""""" 文章编号：

Application of Wet Shotcrete Construction Technology in Railway Tunnel Engineering

Abstract：Through the description of the current situation of Shiwushan tunnel project，the wet shotcrete construction technology and method suitable for the project are obtained，that is，the construction machinery， material selection，construction points，precautions，labor organization and construction effect of the wet shotcrete construction method of the tunnel are elaborated，it is considered that wet spraying technology has the irreplaceable advantages of dry spraying technology，and has many advantages such as high degree of construction mechanization，high working efficiency，less rebound，good working environment，green environmental protection，high concrete strength， significant economic and social benefits.It provides reference for the future related engineering projects.

Keywords： railway tunnel;wet shotcrete;construction technology

0 引言

隧道工程作为一种特殊的工程类型，对于材料和技术的要求都较高。其中混凝土湿喷技术是一种被广泛应用的隧道建设技术，它不仅可以提高隧道工程施工效率，同时还可以提高工程质量。本文将围绕混凝土湿喷技术在隧道工程中的应用进行详细研究。

1 工程概况

石屋山隧道的中段DK20+777.5 m，入口段DK20+180 m，出口段DK21+375 m，全长1 195 m，包括700 m的Ⅳ级和495 m的Ⅴ级。全隧道除了进隧道DK20+180～DK20+198和出隧道DK21+357～DK21+375为明洞外，其他隧道全部为地下开挖，并配有组合衬砌。该隧道从入口进洞，单向掘进，方向由小里程向大里程，入口使用偏压式洞门，出口使用偏压式明洞和单压式洞门。

隧道为双线隧道，最大埋深87 m，线路纵坡为4.6‰/1 195 m的单面坡。其中505.027 m隧道在入口端的直线上，689.973 m隧道在出口端的R=4 500 m左侧曲线上。设计运行速度200 km/h（基础设施运行速度250 km/h），线距4.6 m。隧道断面见图1。

2 机具设备、原材料选择

为了防止喷射层变形后侵入二次衬砌的净空，开挖时即加大预留变形量，采取了不均衡预留变形量技术。上台阶开挖时，每个周期的支护量不能超过V等级的1个钢框架之间的距离，而IV等级的岩石不能超过2个框架之间的距离。每个周期的侧壁支护进尺不超过2个钢框架的间距。仰拱开挖前，需先进行钢框架锁足（锚管）锚固，单循环掘进进尺不超过3 m。

2.1 机具设备

在进行湿喷混凝土施工时，主要使用的机械设备有：2台强制式搅拌机、1台ZIAOB装载机、1台湿喷机、2台混凝土运输车辆（湿喷混凝土从搅拌站运出至隧道现场）。当腔体旋转时，9个活塞围绕着凸轮进行往复运动，将水泥源源不断地注入到搅拌室中，混入压缩空气，流入传输管，形成稀薄流，再与喷孔出口计量泵送来的液态加速剂进行混合，最终形成一个料束，喷射到受喷表面。湿式喷射的主要特征为：流动性好；在传输管线上进行延伸，可以进行首次喷射作业；喷嘴可以与机械手相连，重新喷淋全断面；该装置具有简易构造、易于清洗、保养的特征；本机对骨料级配，坍落度等有较高的要求，且施工简便[1]。

2.2 原材料的选择

根据喷浆混凝土的特性要求，选择了以下几种原材料。

1） 水泥材料为425号普通硅酸盐水泥。

2） 砂粒选用当地河砂，粒径为2.5 mm，粒径为中等，砂颗粒级配见表1。所用的石料均为在碎石场过筛后的石料，碎石粒径级配见表2。

3） 外加剂由以下物质组成：①减水剂：由于对坍落度指标有一定需求，所以在喷射混凝土过程中会出现大水灰比。当水泥与混凝土结合时，剩余水分将会被蒸发，从而造成喷射混凝土的干燥开裂，导致喷射混凝土的承载能力下降。在相同的坍落度下，掺入茶基超塑化剂的混凝土的减水率超过12%。减水剂的加入量可由试验确定，一般在0.4%～1.0%之间。②速凝剂：在喷射混凝土技术中，当混凝土束与喷射面结合时，一定要快速固化。一方面，其能够阻止混凝土材料的堆积，并使其呈现出块状脱落，构成一个垫层，降低回弹，增加喷射层的厚度。另一方面混凝土必须快速硬化，达到一定的强度后才能起到支撑作用。在湿法喷雾中，通常使用液体速凝剂[2]。

在湿式喷射机身上设有一个流量可调的定量泵和一个速凝剂储罐。定量泵将从储罐中导入的速凝剂，通过橡皮管输送到喷嘴中，利用喷嘴中的压缩气体将速凝剂雾化，然后与物料一同输送到被喷涂物表面，通过与物料发生化学反应而迅速凝固。

通过试验，得出该速凝剂的初凝时间在1 min～4 min之间，终凝时间为2 min～10 min。其后期强度保持在90%以上。速凝剂的用量≤5%。液体速凝剂是碱性的。在进行喷射混凝土施工时，做好个人保护工作，在喷射混凝土施工初期，会有一股刺鼻的味道，使施工人员的鼻腔和口腔粘膜感到不适，需15 min才能适应。

4） 混凝土拌合料的和易性是一个综合的技术特性，反映了混合料的流动性、黏结性、持水性等特性，直接影响到喷射混凝土的施工和质量。混凝土拌合物的和易性是用混凝土的坍落度来表示的。湿式喷射机的适用范围为3 cm～20 cm，后盘混合料之塌落度在8cm至16cm之间。由于在搅拌过程中加入了减水剂，因此（每隔十几分钟，甚至超过30 min）将物料输送到湿喷机的上料盘上，尽管会延迟，坍落度会减小3 cm～8 cm，但是物料仍然可以顺利地从湿喷机中喷出。

3 湿喷混凝土施工技术

在标段范围内，施工单位采用C25级细石混凝土进行施工。为降低回弹、提高施工质量，对喷射混凝土进行了机械湿式喷浆，并进行了手工湿式喷浆试验。混凝土按照设计配比进行称量，砂石料用强力拌合机拌合均匀后进行拌合。湿喷工艺流程图见图2。

在喷射混凝土之前，首先要清除表面，坚硬的表面要用高压水枪清洗，柔软的表面要用高压风把上面的尘土吹掉，对于松散的小块石头，要人工打掉，对于超长的杆体要进行切割，保证受喷面的清洁平整。

分层喷浆时，应在上一层混凝土终凝后，再安排下一层喷浆。喷嘴应与被喷表面垂直，当被喷表面覆盖有格栅或钢筋网时，应适当倾斜，但不应低于70°。喷枪做连续的圆周运动，呈螺旋形，后一次比前一次高出1/3。射流由上而下，形成一个“S”型的轨迹。

喷砼表面应平整，无空鼓、开裂现象，表面平整度允许偏差在50 mm以内，喷浆混凝土回弹量：边墙不能超过15%，拱部不能超过25%。

在软岩、淋水地段，为了确保洞体稳定，喷射作业紧跟开挖作业面，混凝土终凝到下一循环爆破作业时间≥3h[3]。

3.1？混凝土搅拌和运输

在拌和过程中，应遵循“砂→碎石→水泥→水”的顺序，添加 SG粘度剂后，搅拌30 s，再添加DEL稳定剂，连续搅拌2 min～4 min。现场测试结果显示，固化剂掺量在2 min之内是不均匀的。超过4 min，胶凝材料的性能就会发生变化，对混合料的质量产生一定影响。

在运输过程中，经常需要转动罐体，以防止混凝土进入初凝状态。加入稳定剂后，如果在2h内浇筑混凝土，就不需要重新搅拌，否则会使稳定剂失去效果。

在拌合站取样，将其置于运输车上。如因机械原因导致混凝土无法及时喷浆，则应检验试样，并确保其坍落度为14 cm～18 cm，如果样品不能用，罐中的水泥也就不能用了。

3.2 施工准备

1） 速凝剂：在湿法喷雾中，使用液体速凝剂，选用初凝时间不超过6 min、凝结时间不超过10 min的速凝剂。

2） 现场试验：在正式喷注之前，通过原位喷注试验，确定其实际初、终凝时间，并通过试样制备和强度测试，筛选出最佳配合比，并对施工过程进行验证。

3） 湿喷前用高压水或高压风清洗岩面，射流口距岩面1 m左右，射流垂直于岩面，自下而上，以螺旋形沿横向往复运动，一圈压半圈。在喷射的岩石面上埋入钢筋头，利用预埋的钢筋头来控制并检测喷浆厚度，如有漏浆，应立即进行补浆。喷浆砼在终凝2h后即开始喷水养护，一般为7 d以上。做好安全工作，防止意外发生。

4）混凝土和易性的控制：因为湿喷机对混凝土的坍落度有8 cm～15 cm的要求，因此，在搅拌过程中，混凝土中需添加减水剂，使得出仓的坍落度高达18 cm，运送到现场后，坍落度损失在3 cm～8 cm之间，这样才能确保混凝土的坍落度符合喷射需要，并能顺利喷出。

5）添加凝固剂：在湿喷设备上安装一个可调流速的计量泵。计量泵将来自储罐的速凝剂通过橡皮管送入喷嘴，利用喷嘴内部的压缩空气将速凝剂雾化，并与物料混合，随着物料一同喷射在被喷涂物上，通过与物料发生化学反应而迅速固化。

3.3 混凝土喷射工艺

在进行喷射前，先对岩石表面进行高压风水冲洗。冲刷时，自下而上，自上而下，一直到两侧墙底为止。试验结果表明，经过清洁和湿润处理过的岩石表面与混凝土具有较好的黏结性[4]。

为防止回弹材料对已经冲洗过的岩石表面造成污染，影响喷射质量，在施工过程中应先从最底部进行自下而上喷射。

喷头与被喷表面的间距：喷头距岩石表面0.8 m～1.2 m较为合适。因设备的工作压力较大，需2人作业，或使用简单的托架。风压：湿式喷浆机要求的工作气压为0.2 MPa～0.5 MPa，系统的气压为0.5 MPa以上，风量为9 m？/min，若没有得到很好的控制，就会引起回弹。通过对喷管工作气压的测试，确定最优稳定工作气压，从而获得最好的喷嘴效果。喷射角度：喷头应与喷淋表面垂直，喷淋表面被网格或钢筋网覆盖，可略有倾斜，但不得小于70°。若喷嘴与喷浆面夹角太小，则会引起混凝土物料的翻卷，形成波浪状喷面，使回弹量增加，对喷浆质量产生不利影响。喷嘴运动方式：喷嘴连续旋转，产生螺旋运动，后一轮与第一轮1/3重叠。射流轨迹从上往下，呈“S”形。喷层设计厚度gt;20cm，分2次～3次进行喷射。

在进行喷射混凝土施工时，要依据不同的围岩类型和不同的水文地质条件，选择合适的初始喷射层厚度。初始喷射层的厚度太薄，粗集料间的黏结力不强，回弹大；初始喷射层厚度过厚，由于混凝土的自重作用而超出了它的内聚力，或者由于混凝土与岩石表面的黏附力过大而导致初始喷射层的下落，亦或出现空洞。根据设计参数及现场实际情况，确定初期喷层厚度为4-5cm，并于第一次喷淋10-15min后，连续喷涂至设计要求的厚度。

3.4 特殊条件下的喷射技术

在挂钢网的区域，喷出后的混凝土表面有时会出现波纹，而当喷嘴与岩石表面垂直喷出时，可以保证混凝土的均匀分布，防止出现波纹。

在设置了全圆形钢拱的场地，由于岩体破碎，所以在施工过程中必须进行喷射混凝土作业。喷浆应先填充岩面孔洞的空隙和裂缝。喷头成直线状沿拱架从拱底向拱顶移动，注意不能转动喷头。在钢拱和周围岩石间的缝隙处，应采用喷射混凝土进行填充，然后用喷砂混凝土对钢拱进行包覆，形成整体受力系统。

混凝土掉落部位的补喷，必须在10 min～15 min后再浇注，如果立刻浇注，只会造成更大的塌落。在喷洒过程中，喷嘴不能转动，否则会产生凸起。

3.5 施工中应注意的事项

1） 在施工过程中，必须加强对原材料的检验，并对搅拌质量进行控制，避免影响混凝土的搅拌质量和喷涂效果。

2） 在喷注前，要用浆液对输送泵及输送管进行润滑，喷注完毕后，用清水将管道中的残渣冲洗掉。

3） 喷射工长应注意积累不同地质条件下湿喷混凝土施工经验，持续提升操作技能和技术水平； 喷射工长还应注意施工位置，做好施工防护，避免出现混凝土倒灌，威胁人员安全。

4 结语

在铁路隧道建设中，湿喷机器人得到了广泛的使用，它可以为实现机械化施工方式提供重要的支撑，对确保施工的安全性、质量和减少员工的工作压力都有很大帮助。要使湿式喷涂机器人的使用优势得到最大程度的发挥，就需要不断地探索，掌握其技术要点，对其进行科学操作。文章对湿喷式混凝土机械臂在施工过程中的一些关键问题进行了讨论，以期对相关人员有一定借鉴作用。

参考文献

[1]董宝生.高速铁路隧道混凝土湿喷技术介绍[J].工程建设与设计，2018（12）：155-156.

[2]李双将.郑万高铁隧道湿喷混凝土施工技术研究[J].铁道建筑技术.2020（z1）：177-179，184.

[3]李维华，怀平生.喷锚衬砌在无二衬支护的大断面软弱围岩隧道中的应用研究[J].铁道建筑技术，2017（8）：63-66，72.

[4]杨凯，邓宗刚.湿喷机械手在秦岭天华山隧道中的应用[J].铁道建筑技术，2015（7）：20-23.