隧道湿喷混凝土设备选型及应用研究

2019-03-19 08:07:26谢江胜廖太昌贾林鹏申运涛
铁道建筑技术 2019年9期
关键词:速凝剂机械手断面

谢江胜 廖太昌 贾林鹏 申运涛

(中铁二十局集团有限公司 陕西西安 710016)

1 工程概况

新建蒙西至华中地区铁路煤运通道线路全长1 814.41 km,从南至北跨越内蒙古、陕西、山西、河南、湖北、湖南、江西等七个省级行政区[1]。

蒙华铁路MHTJ-7标段位于陕西省延安市,正线全长为35.688 km,本标段隧道总长31.863 km,占标段线路长度的89.28%。隧道长度及数量见表1。

表1 蒙华铁路MHTJ-7标段隧道统计

2 喷射混凝土施工设备选型基本要求

(1)安全可靠:结构设计合理,安全度高。

(2)喷射混凝土质量好:速凝剂和混凝土高效混合,回弹率低。

(3)适用范围广:适应不同路况及不同断面喷射作业[2-3]。

(4)经济环保:日常维修费用低、设备损坏率低、污染小。

(5)施工效率高:宜采用喷射量不小于15 m3/h湿喷机械手。

本项目累计使用喷射混凝土机械手25台,其中铁建重工HPS3016S型混凝土喷射机械手(台车)15台、成都岩峰TKJ-15型混凝土喷射机械手(机组)10台。

3 喷射混凝土原材料及配合比

3.1 喷射混凝土原材料

水泥、细骨料、粗骨料、速凝剂、减水剂、拌和用水等原材料要符合现行规范要求。

3.2 喷射混凝土配合比

3.2.1 设计参数基本要求

(1)喷射混凝土设计强度等级为C25,1 d强度不小于10 MPa;

(2)坍落度设计为100~120 mm;

(3)水胶比不大于0.50;

(4)胶凝材料用量不小于 400 kg/m3;

(5)减水剂掺量0.5%~1.0%;

(6)速凝剂掺量4%~5%;

(7)砂子细度模数2.6~3.2,砂率45%~60%;

(8)粗骨料最大公称粒径5~10 mm,连续级配;

(9)粗灰比宜为 1∶4~1∶5。

3.2.2 其他注意事项

除考虑上述基本参数以外,还需考虑湿喷台车的各项性能指标,混凝土坍落度、骨料最大粒径对不同型号机械手喷射的混凝土效果不同。因此,根据本工程具体情况,采用HPS3016S型(铁建重工)、TKJ-15型(成都岩峰)喷射机械手,分别设计了两组不同参数的混凝土配合比(C25)进行隧道初支喷射试验[9-10],见表2~表 3。

表2 隧道喷射混凝土理论配合比选定(HPS3016S型)

表3 隧道喷射混凝土理论配合比选定(TKJ-15型)

4 机械手喷射混凝土施工工艺

为了保证机械手操作空间,将上台阶高度调整为4 m。对于台阶预留的核心土,在喷射混凝土前进行挖除或局部修整,以确保机械手有足够正常作业空间。机械手喷射工艺流程[11]见图1。

图1 湿喷混凝土机械手喷射工艺流程

4.1 施工准备

(1)复核开挖断面:检查开挖断面净空尺寸是否满足设计要求。

(2)设置厚度控制标:埋设控制喷混凝土厚度的标志(见图2),现场利用设计的定位钢筋头作为控制喷射混凝土厚度的标志。

图2 埋设喷射混凝土厚度标志

(3)平整场地:采用挖机对初支仰拱临时回填面进行平整,确保混凝土喷射台车在稳定、平整的场地上完成支腿工作。

(4)通风及照明:保证作业区内具有良好通风和照明条件。

(5)电源接入:机械手使用外界接入电源为380 V,并检查相关设备及接入的电力线路。

(6)设备调试:检查设备电力线路、液压、气压系统等正常后,启动设备。先少量打入速凝剂试喷,确认液体速凝剂管路畅通。

(7)喷射基面处理:采用机械手高压风冲洗受喷面上的浮尘、岩屑。如果受喷面有小股水或裂隙渗漏水,采用土工布包裹φ90盲管引排至排水沟;如有大量积水时采用积水坑集中汇水后用潜水泵排至排水沟;如开挖面有大量渗水应在施工前进行超前注浆堵水处理。

(8)环境温度保证:现场保证喷射混凝土作业的环境温度不得低于5℃,必要时采用暖风机或搭设暖棚进行保温。

4.2 机械手喷射混凝土作业

图3 混凝土喷射作业

(1)初喷

沿隧道开挖断面从一侧拱脚开始喷射经过拱部直至另一侧拱脚结束(见图3)。边墙首次喷射时喷射厚度应控制在10~15 cm,拱部首次喷射应控制在5~10 cm。待混凝土初凝后再自下而上进行复喷。仰拱在喷射时应先喷射中间再喷射两边,中间喷射厚度应大于两边厚度。

(2)复喷

边墙复喷时在第一次初喷基础上直接喷射至设计厚度。拱部每次喷射厚度应控制在4~5 cm,每次喷射间隔5~10 min,这样可以大量减少回弹量。喷射过程中喷嘴与受喷面间距宜为1.0~1.5 m,喷嘴喷射过程中连续、缓慢做横向或环向移动。若受喷面被钢架、钢筋网遮挡时,根据具体情况变换喷嘴的喷射角度和与受喷面的距离,将钢架、钢筋网背后喷填密实。

在喷边墙下部(台阶法施工上半断面拱脚)及仰拱时,需将上半断面喷射时的回弹物清理干净,防止将回弹物卷入下部喷层中形成“蜂窝”,造成初支混凝土强度降低。

喷射过程中如遇到受喷面有裂隙渗漏水时,应先喷射无水处再逐渐喷射覆盖至有渗水处。在喷射渗水处时速凝剂使用量可在标准掺量的基础上增加0.5%~2.0%的用量,总的掺量不得超过水泥用量的6.0%。

(3)混凝土的养护

喷射混凝土后应立即进行潮湿性养护,一般养护不少于14 d或养护至隧道二衬混凝土施工。喷射混凝土作业的环境温度不得低于5℃。

4.3 异常情况处理措施

(1)超挖过大处理

当出现局部超挖(≤50 cm)时应在喷射过程中分层布设钢筋网片分层喷射混凝土回填;当出现局部超挖(>50 cm)时应埋设注浆管,待喷射混凝土达到10 MPa后及时注浆填充或C20泵送混凝土填充。

(2)常见设备故障

常见的设备故障有高压油管爆裂、喷头爆裂及堵管等,可通过及时更换备用易损件快速处理,施工作业前应加强检查。出现堵管的主要原因有混凝土坍落度偏小、原材料中混入了其它粒径的石料、喷射待料时间间隔过长(大于40 min)、设备出现故障等。

出现混凝土堵管时应通过目测和敲击检查确定堵管部位。一般情况下四臂处的软管和底盘处软管容易堵塞,根据检查结果快速处理。

应在出厂前和到达施工现场后分别检查混凝土坍落度,不满足规定严禁出厂。当现场实测坍落度小于规定要求时,现场试验人员可通过配置好的减水剂调整坍落度。

5 质量检测

5.1 喷射混凝土厚度检测

施工过程中随时采集断面数据,通过喷射混凝土前及喷射混凝土结束后扫描断面对比以及钻芯取样检测喷射厚度(见图4)。喷混凝土的厚度应符合以下规定:平均厚度大于设计厚度;检查点数的80%及以上大于设计厚度;最小厚度不小于设计厚度的2/3。

图4 现场初支取芯检查

5.2 喷射混凝土密实度检测

初支喷射混凝土背后与围岩之间存在空洞时会导致围岩松弛致使支护结构产生弯曲应力,从而损伤支护结构的功能,降低其承载力,极大地影响隧道的安全使用。由于初支内部和背后从表面观察难以发现问题,在现场实践中采用方便快捷的地质雷达连续检测法和效果直观的局部钻芯取样法对初支喷射混凝土进行密实度缺陷检测,随时掌握初支喷射混凝土质量,以便施工过程中随时调整施工参数、采取处理措施及时改进施工质量(见图5)。

5.3 喷射混凝土强度检测

采用射钉法检测喷射混凝土1 d(24 h)抗压强度(见图6),检测方法为每一作业循环或每工班检测一次,每次应检测3个测区。

图5 初支断面地质雷达扫描检测

图6 射钉法检测1 d强度

6 湿喷机械手与小型喷射设备综合分析

6.1 混凝土喷射机械手优点

(1)作业效率大幅提高

湿喷机械手设备功能齐全,无需外接高压风,减少了施工准备时间。喷射作业实现了大功率机械化,喷射速度快,大大节省施工时间,加快了施工速度。以拱部为例,小型湿喷机作业时间需8.5 h,机械手作业时间为2.5 h,机械手工效为小型湿喷机的3.4倍。

(2)作业环境明显改善

湿喷机械手作业过程中可达到对混凝土和速凝剂流量及频率的同步程序控制,在实现对速凝剂精确添加、保证速凝剂最优掺量的同时,有效降低了因烟尘和速凝剂挥发而造成的空气污染。采用机械手湿喷工艺,作业人员可站在距喷射面约10 m以外的安全位置,通过操作“遥控器”来控制喷射臂手进行喷砼作业。与小型湿喷机需人工手持喷枪短距离喷射方式相比,作业环境有很大改善,更环保、更利于作业人员职业健康。

(3)实体质量更加稳定

普通湿喷机添加速凝剂为人工操作方式,误差相对较大,同时常规小型湿喷机需采用人工手持喷枪近距离喷射(约1.2~1.5 m),回弹石子、作业粉尘、围岩软弱破碎部位的掉块风险及上下作业台架不便等都会对手持喷枪工人产生影响,造成喷射距离、角度不能严格执行标准而带来喷射砼质量不稳定。

湿喷机械手配备液态添加剂自动计量输送装置,能够精确地添加速凝剂,能自动对混凝土和速凝剂流量同步控制,保证速凝剂的最优掺量;机械手喷砼可以保证喷射角度、距离,再加上机械手喷射的流量稳定、速度均匀,并能实现现场连续湿喷,湿喷混凝土表面平整度较好,初期支护混凝土强度高、整体性强、密实度好;湿喷混凝土机械手的大臂和小臂通过油缸行程,在喷射机组不移动的情况下,喷射高度可达16 m,喷射宽度可达28 m,具有较高的方便快捷性,可以喷射到人工无法喷射的死角部位。

(4)作业安全性更高

普通湿喷机进行施工时,作业人员需在尚未进行支护的围岩下面进行作业,人员作业安全难以保证。采用机械手施工,湿喷机械手处于已经完成初期支护的位置,操控作业人员可在远离支护作业面(10 m左右)对湿喷机臂手进行遥控操作,避免了掌子面塌方对作业人员和机械设备的安全威胁,作业安全性大大提高。

6.2 混凝土喷射机械手不足之处

(1)一次性投入设备购置费用较高。

(2)设备电压稳定性要求较高(通过现场调查,设备接入电压低于360 V时设备将无法启动;接入电压低于400 V时,设备工作状态不稳定)。

(3)设备体积较大,需占用较大作业空间。

(4)设备高度智能化,需要配备专业的操作和检修人员(经过统计,专业人员达到熟练操作需要90 d)。

6.3 设备经济性分析

由表4可知[12],HPS3016S型与 GWSP-9型湿喷机相比,1 m3喷射混凝土综合费用节省约25.4元。

表4 设备经济性分析(1 m3喷射混凝土)

7 结论

全标段共采用了25台机械手经过两年的湿喷工艺施工表明,与小型喷射机相比,作业效率提高3倍以上,喷射混凝土332 155.42 m3,节约成本约843.7万元。经实体质量检测全部达到设计要求,喷射混凝土产生的粉尘含量大大减少,作业环境明显改善,作业人员职业健康得到保障;操控人员可远离支护面作业,安全性大大提高。

猜你喜欢
速凝剂机械手断面
抓取脆弱物体的机械手
双组分速凝剂在长大隧道湿喷中的优势探讨
파금과 염상섭 문학 비교연구의 한 단면(断面)
采用新型液体速凝剂喷射混凝土的现场试验研究
喷射混凝土用速凝剂国家标准探析
安徽建筑(2019年9期)2019-10-12 09:18:38
搬运机械手PLC控制系统设计
基于Dijkstra算法的最优解列断面快速搜索方法
基于ADAMS与MATLAB的机械手控制系统仿真研究
机电信息(2015年3期)2015-02-27 15:54:53
国内首台全断面煤巷高效掘进机诞生并交付
天钢Ф210mm断面圆坯的开发与生产实践
天津冶金(2014年4期)2014-02-28 16:52:32