湿喷机械手在隧道初期支护中的应用

■林兆新

（宁德沈海复线双福高速公路有限责任公司，宁德 352000）

0 引言

喷射混凝土施工是高速公路隧道初期支护的主要施工工艺，喷射混凝土施工又分为干喷和湿喷两种工艺。干喷因施工质量差、回弹率高、粉尘多，严重危害施工人员身体健康，近年来已基本被淘汰，目前的喷射混凝土施工主要是采用普通小型湿喷机进行湿喷作业，但其施工时粉尘仍然远超规范标准，回弹率也很高，喷射质量较差，因此湿喷机械手以其独特的优势应运而生。本文通过工程实例分析湿喷机械手的优缺点，建议改进设备并推广应用。

1 湿喷机械手工作原理及工艺流程

1.1 湿喷机械手工作原理

大型喷射混凝土机械手工作原理[1]是利用压缩空气将按设计配合比拌制的喷射混凝土沿着机械臂输送至喷头处，同时通过电脑控制掺量添加液体速凝剂与之混合，再用压缩空气高速喷射到隧道岩面上，形成初期支护层，如图1。

1.2 湿喷机械手工艺流程

整个湿喷机械手的工艺流程包括：施工准备（配合比设计、喷射混凝土拌制运输、受喷面处理、机械手就位）、正式喷射施工（上料、添加速凝剂、操作喷射岩面）、质量检查（补喷）、结束（清洗保养），流程图如图2。

2 湿喷机械手的工程实际应用

2.1 工程概况

图1 大型喷射混凝土机械手工作基本原理

图2 大型喷射混凝土机械手湿喷工艺流程

沈海复线福安至蕉城漳湾段高速公路起于福建省宁德福安市康厝乡，终于宁德蕉城区漳湾镇，路线全长32.31km，桥隧比45.6，采用设计时速80km/h，双向四车道的高速公路标准建设。高山隧道是项目控制性工程，位于福安市溪潭乡，属于低山丘陵地貌，地表植被较发育，地形起伏变化较大，自然坡体的坡度约20～45°，局部达60°。洞口侧自然坡体坡度10～20°，围岩以强风化凝灰熔岩为主，最大埋深为485m，深部围岩为微风化凝灰熔岩。隧道采用分离式双洞型式布置，属特长隧道，左洞4526m，右洞 4540m。

2.2 高山隧道湿喷机械手施工

2.2.1 机械设备的选择

项目选用HPS3016S型混凝土喷射台车，该设备理论喷射能力为30m3/h，喷射骨料最大粒径为15mm，混凝土出口压力为8bar，喷射最大高度17.5m，喷射宽度31.4m。该设备具有操作简单，性能稳定，喷射效果较好等优点。

2.2.2 喷射混凝土配合比设计

（1）设计要求

设计强度为C25；设计塌落度为100±20mm。

（2）确定基准配合比

通过混凝土配合比计算并试拌开展喷射试验，经多次调整掺量，最终确定基准配合比如表1。

表1 喷射混凝土基准配合比

（3）确定试验室标准配合比

按基准配合比进行拌制，现场混凝土坍落度为105mm，混凝土粘聚性良好，拌合物性能符合施工要求。开展不同水胶比试验验证，基准配合比水胶比为0.39，另外两个水胶比分别增减0.03，砂率分别为βs=50%、βs=51%、βs=52%；用水量 W=182kg，分别称料，试拌 40L，各材料用量如表2，试验结果如表3。

试验表明所选的配合比能满足设计及施工要求，根据试验结果，选定A组为试验室标准配合比。

2.2.3 湿喷机械手现场施工

（1）材料准备

喷射混凝土按配合比由拌合站集中拌制并利用混凝土罐车运输至施工现场；液体速凝剂运至现场。

表2 三组验证试验材料用量

表3 三组混凝土各项性能指标和强度

（2）人员准备

1名操作手（兼司机）和2名辅工。其中操作手经设备厂家专业培训，具备一定操作经验及熟练程度；2名辅工分别负责搅拌车下料和筛网上石子的清除工作，防止大粒径骨料进入输送泵堵塞管路，后者同时负责观察整机的工作情况，随时与操作手沟通。

（3）环境准备

Ⅲ级围岩；湿喷机械手到位并使用正常；工作风压0.3MPa左右；隧道岩面清理完成；局部超挖预埋钢筋网片完成。

（4）喷射施工

喷射顺序采取先边墙后拱部，从下到上，以S曲线进行移动喷射。喷头按要求与受喷面保持垂直，并距离岩面0.8～1.2m，如图3。初次喷射完成间隔5～10min后进行第二次喷射。如此重复喷射，直至厚度满足设计要求。

图3 喷射施工

2.2.4 湿喷机械手施工成效

（1）生产率

受工人操作及其他现场因素影响，湿喷机械手实际最高喷射能力约为27m3/h，平均喷射能力约为20m3/h。

（2）回弹率

根据现场实测数据，平均混凝土回弹率为9.20%（见表4），其中理论混凝土用量是根据激光断面仪测量施工前后断面尺寸计算所得。

表4 机械手施工回弹实测数据

图4 施工效果

（3）喷射混凝土施工质量

喷射混凝土外观轮廓圆顺，表面平整，喷射混凝土均匀密实，无干斑或流滑现象，表面未见渗水，如图4。经检测，喷射混凝土24h强度均满足设计及规范要求，平均达到12.3MPa。

（4）费用对比

高山隧道C25喷射混凝土综合单价为395.71元/m3，在湿喷机械手投入使用时，高山隧道剩余喷射混凝土设计量约5000m3，工期6个月。如表5所示，使用湿喷机械手比使用小型湿喷机 （以HBTS15-6-22S泵送式湿喷机为例）费用节省约37.44元/m3。

表5 湿喷机械手与普通小型湿喷机费用对比表

3 湿喷机械手喷射施工注意事项

（1）喷射材料质量控制

优化配合比，混凝土最大粒径不超过15mm，坍落度控制在100mm左右，同时所选择的速凝剂要求质量稳定可靠，水胶比和速凝剂掺量也要严格控制，确保混凝土强度满足设计要求。

（2）施工作业面清理

喷射前应先对施工岩面进行清理 （软岩采用机械手自带高压风吹洗、硬岩可采用水洗），清除岩面上的粉尘、碎石，保证岩面清洁，以提高喷射混凝土与岩面的附着力和黏结强度。

（3）稳定工作环境

确保机械手工作风压稳定，混凝土供应连续，避免出现因喷射中断造成喷头处堵管，堵管清理困难且耗时，影响施工进度。

（4）人员培训及技术交底

要求操作手具有一定操作经验和熟练程度，能够有效控制单次喷射厚度和喷射范围。操作员应充分掌握“动大臂、移小臂”的操作要点，通过大小臂之间的协调，掌控小臂移动速度，确保喷射点的移动由点到线再到面，保证喷射混凝土的平整度[2]。同时按照喷射部位的不同需及时调整喷射速率和速凝剂掺量，边墙喷射速率为18～20m3/h，速凝剂掺量为3%～5%，拱部喷射速率为15m3/h，速凝剂掺量为7%。

（5）分层喷射及厚度控制

一次初喷周期完成后，需间隙5～10min后方可复喷，同时通过预埋钢筋以及分层喷射来保证喷射混凝土厚度。

4 湿喷机械手优缺点

4.1 对比优势

与传统的湿喷工艺相比，湿喷机械手施工具有生产率高、回弹率低、人员配置少、污染小、费用低、施工质量好、操作简单等优点。

（1）生产率高

1台传统的小型湿喷机实际喷射混凝土量一般不超过6m3/h[3]，而一台大型湿喷机械手（以HPS3016S湿喷机械手为例）理论喷射能力可达30m3/h，实际喷射能力也可达到27m3/h，生产效率是小型湿喷机4～5倍。

（2）回弹率低

传统的泵送式湿喷机喷射混凝土回弹率平均达到25%，而大型湿喷机械手喷射混凝土回弹率可控制在10%以内（本项目平均9.20%），大大降低材料损耗。

（3）人员配置少

1台传统的泵送式湿喷机需配备5名作业人员 （混凝土上料人员1人，速凝剂添加人员1人，喷枪操作人员1人，辅助人员2人），2个洞口正常需配备3台湿喷机才能满足施工要求，共需作业人员15人，而使用机械手喷射时仅需要3～4名作业人员（操作手1人，辅助工2人，修理工1人）即可完成整个喷射混凝土施工任务，其中修理工可由具备维修保养能力的操作手或辅助工兼任。

（4）污染较小

传统的泵送式湿喷机作业工作环境极差，粉尘浓度普遍在40mg/m3以上，远远高于2mg/m3的规定标准。而湿喷机械手作业时粉尘很少，噪音也小，操作手在驾驶室进行遥控操作，其他人员可站在喷射台车后面，由于机械臂较长，人员所处位置距喷射面较远，工作环境较为舒适，同时通过佩戴面罩等防尘装置，可进一步降低对作业人员身体健康的影响。

（5）费用较低

在同等条件下，HPS3016S湿喷机械手喷射施工平均使用费用为589.16元/m3，传统的HBTS15-6-22S泵送式湿喷机平均使用费用为626.60元/m3，每喷射1m3混凝土可节省费用约37.44元，高山隧道5000m3喷射混凝土，使用湿喷机械手合计可节省18.72万元。沈海复线福安至蕉城漳湾段全线10座隧道，喷射混凝土设计量约8.4万方，在不考虑其他因素的情况下，如若均采用湿喷机械手施工，仅在喷射混凝土施工方面合计可节省约300万元。

（6）操作简单，质量好

精准的速凝剂跟随系统和自动喷射功能，无需人工时时操作，键盘操作更是简单方便。同时湿喷作业由于水灰比人为影响小，易于控制，可极大改善喷射混凝土的质量，使喷射混凝土均匀性好、强度高。

4.2 对比劣势

与传统湿喷机相比，湿喷机械手具有很大优势，但同时也存在很明显的不足，如设备售价高、维修成本高、不够灵活等。

（1）湿喷机械手售价高，如项目选用HPS3016S型混凝土喷射台车售价达300万元，而且设备零配件国产化程度低，很多要从国外进口，修理成本较高，周期较长。普通小型湿喷机售价仅20余万元，设备维修方便。

（2）湿喷机械手结构较复杂且较为精细，要求操作手具有一定的专业技术水平，维修保养人员需经专业培训，且设备需经常性检查清洁保养。

（3）设备尺寸较大，灵活性较差。HPS3016S型混凝土喷射台车整机尺寸 11234×2500×3200（mm），而高山隧道人行横洞设计开挖断面尺寸仅2700×4000（mm），难以灵活展开施工。

（4）因湿喷机械手设备故障维修周期长、局部洞室无法使用，导致施工方必须另外配套普通湿喷机，以补充使用，人员设备费用将相应增加。

5 结束语

近年来，全国工程领域都在推行标准化及机械化施工，2017年福建省高速公路施工标准化管理提出了再提升要求，在此背景下，本项目先后投入了8台湿喷机械手用于全线长隧道初期支护施工，取得了良好效果。随着务工人员工费不断上涨和施工机械化要求的不断提高，以及湿喷机械手设备的进一步改进优化，适用性和实用性不断增强，凭借其能提高初期支护施工质量、提高施工效率、降低施工成本、改善施工环境等优势，湿喷机械手不仅在隧道等地下工程领域具有广阔的发展前景，在基坑施工、边坡防护等方面也可广泛应用。

[1]刘生华.新型混凝土喷射机械手在隧道工程中的应用[J].建筑机械技术与管理，2011（02）：86-89.

[2]王俊，琚元元，周洋.混凝土湿喷机械手在长大隧道中的应用[J].建设科技，2015（15）：181-182.

[3]陈大琪.混凝土喷射机械手的应用及构思[J].中国水运，2014（07）：181-182.