机械手喷射混凝土在黄土隧道施工中的应用

张淮洲

(中铁十八局集团有限公司经济管理部 天津 300222)

1 引言

随着中国经济的飞速发展及铁路等基础设施建设的日益完善，我国隧道修建技术取得了丰富的经验及研究成果，其中喷射混凝土支护方法在我国水利、水电和地铁等大断面地下工程中得到了广泛的应用[1]，喷射混凝土工艺主要有干式喷射混凝土、潮式喷射混凝土、湿式喷射混凝土等方法[2]。由于湿式喷射混凝土具有效率高、回弹率低、工程质量好等优点，成为重要的支护作业方法。其中，李文湛[3]采用双螺旋全液压湿式混凝土喷射机实现了湿式混凝土喷浆作业，胡广正[4]采用防爆柴油机湿式混凝土喷射车载巷道施工中进行作业，极大地改善了作业环境，提高施工效率，阚江[5]研制了JPS型湿式混凝土喷射机并进行了现场试验，该设备能够改善喷射混凝土的品质，提高混凝土的均质性。

本文对湿喷混凝土机械手在蒙华铁路黄土隧道施工中的应用进行研究，以期对隧道支护施工具有借鉴意义。

2 工程概况

新建蒙华铁路运煤通道土建MHTJ-5标，标段全长35.96 km，其中隧道14座，长度27.359 km。隧道地处中朝古台地鄂尔多斯盆地伊陕斜坡区，区内地质构造复杂，地势东高西低。隧道穿越地层从新至老依次为:第四系砂质新黄土、黏质老黄土、白垩系砂岩等。黄土地层在天然含水量状态下，具有较高的强度，较小压缩性。但当黄土隧道受开挖扰动后，使其丧失水分，造成颗粒间联结强度降低，在上部荷重作用下，大孔隙结构破坏，孔隙体积减小，黄土变形体的稳定性更差，更容易导致拱部掉块垮塌。

黄土隧道的工程性质决定了加快初期支护施工对隧道稳定起着至关重要的作用，同时隧道拱部掉块对于喷射混凝土作业人员存在安全隐患。

3 湿喷混凝土机械手性能特点及其施工工艺流程

3.1 HPS3016S湿喷混凝土机械手

HPS3016混凝土喷射台车集行走、泵送和喷射三大功能于一体，整机性能稳定，操作简单，具有生产率高、回弹度低、施工质量高的特点。湿喷机械手工作效率远超小型湿喷机。根据风压控制情况，每小时喷射混凝土的数量介于8～20 m3之间；且湿喷机械手的作业范围比小型湿喷机大，其最大喷射高度可达17.5 m，喷射宽度可达31.4 m，一次定位后其喷射的移动距离可达15.3 m。HPS3016S湿喷混凝土机械手基本参数见表1。

表1 HPS3016S湿喷混凝土机械手基本参数

3.2 喷混工艺流程

HPS3016S湿喷混凝土机械手喷混工艺流程见图1。

图1 喷混工艺流程

3.2.1 施工准备

(1)受喷基面处理

在钢架安装作业前，应对中、下台阶的连接板以及前一循环的喷混面，通过人工清理渣土及松散喷混料等措施，增加混凝土和钢架的连接力。喷混作业前，黄土围岩基面应采用湿喷机械手控制高压风吹净岩面；对于围岩表面的超挖部分，可在该区域通过增设锚杆挂网等措施使其密贴受喷面。

(2)喷混厚度标记

根据现场情况，可采用钢架焊接钢筋头来做厚度标记，也可由操作人员根据操作经验进行喷混凝土厚度的控制。

(3)湿喷机械手准备

①选用的变压器需满足湿喷机械手工作时的电压要求，其工作电压不得小于360 V。

②湿喷混凝土需满足设计要求，并需保证湿喷机械手对混凝土的坍落度、和易性要求。

③湿喷混凝土机械手的作业区域内，需要有良好的照明及通风等条件。

④喷射混凝土作业的温度要求，工作环境温度不得低于5℃，速凝剂的温度不得低于15℃。

3.2.2 喷射作业

湿喷混凝土的粗骨料要求，粒径要小于15 mm，混凝土的坍落度严格控制在160～200 mm为宜[6－7]。湿喷混凝土拌和采用全自动计量强制式搅拌机，混凝土的搅拌时间应大于180 s；湿喷混凝土作业时，速凝剂通过湿喷机械手电脑控制系统中输入掺量数据后由机械自动添加。

采用混凝土输送车运输混凝土。喷射混凝土应根据每循环混凝土喷射作业工程量及运输距离来配备混凝土运输罐车，通常配备2～4台10 m3罐车便可满足现场施工需要。混凝土供应要连续，喷射混凝土在工作现场的等待时间不应大于30 min，且严禁操作业人员私自对混凝土加水。施工时，依据湿喷混凝土回弹量的大小来调整风压。

(1)有水地段进行湿喷作业，首先喷射远离出水点处，向出水点慢慢逼近，同时汇聚散水点，放置导管引水；然后逼近导管喷射混凝土，待混凝土终凝之后再进行漏水处理。

(2)进行湿喷作业，喷头宜与受喷面垂直，适宜距离为1.0～1.5 m。喷头需做缓慢、连续移动，以使得喷层厚度较均匀。

(3)湿喷作业宜先进行下台阶喷混，然后进行初支仰拱的喷混施工，最后湿喷机械手前移就位进行上、中台阶交叉喷混作业。

为了便于混凝土喷射作业，初支仰拱端头回填平台与下台阶顶部采用12 m自制栈桥搭设，提供喷混工作面，同时确保上、中台阶喷混结束后初支仰拱喷射混凝土达到终凝，具备回填的条件，保证初支仰拱的混凝土在机械设备移动时不被破坏。

(4)湿喷混凝土作业原则上按照分段、分片、分层依次进行，喷射混凝土采用自下而上顺序，分段不应大于6 m长度；作业时先把低洼处喷平整[8－9]。

(5)湿喷作业采取先墙身后拱部，以S形曲线进行移动喷射。喷头与受喷面的距离和角度需要严格控制，同时关注风压和喷头的移动速度。作业时，喷头应垂直于受喷面，否则会增加湿喷混凝土的回弹率，影响密实度；作业时垂直于岩面，湿喷混凝土连续的“稀薄流”能将反弹物二次镶嵌，可减少回弹率，大大增加一次性湿喷厚度[10－11]。

(6)湿喷混凝土作业分区按照自下而上、由近渐远的空间作业，上台阶从两侧拱脚开始喷射，喷射到拱顶中心线位置闭合。中、下台阶从拱脚开始喷射，直至喷射到连接板处。从下至上可防止上部喷料虚掩拱脚不密实，造成强度不够，拱脚失稳。喷射混凝土要注意应先喷射钢架与上一循环钢架间的混凝土，再施做其余钢架之间的混凝土。

(7)黄土隧道施工，喷射混凝土一次喷射厚度应通过工艺试验确定，要考虑到隧道洞内环境温度、混凝土配合比、速凝剂掺量、操作司机等因素都对一次喷射厚度产生的影响。一般可通过目测观察，一次性湿喷的厚度以混凝土不滑移、不坠落为佳[10]。第一层喷混为扫面，喷混厚度3～4 cm，第二层喷混厚度10 cm左右，第三层喷混为收面即喷混覆盖住拱架即可，并有两名工人配合铲拱找平，清理拱脚回弹料[12－13]。

(8)喷射时，喷头应保持与受喷面垂直。喷射交角过小将增加混凝土的回弹率，降低喷射密实度；垂直于岩面喷射时，连续的混凝土对反弹物有二次嵌入作用，可以降低回弹率。每层间隔时间10～15 min，喷头与围岩距离1.5 m左右，角度垂直，喷头上下1 m范围内摆动喷射[14]。

3.2.3 施工注意事项

在湿喷作业中，人工操作自加工铲具，铲去拱架贴岩面内侧及拱架之间较为突出的湿喷混凝土，最后整体再进行补喷一下，就可以满足平整度要求。湿喷混凝土作业前需要对拱架连接板上方予以整修，铲除较为凸起的部分，保证初支湿喷混凝土表面的平整度，方便拱墙衬砌工序顺利实施。在混凝土输送车装湿喷料之前，需要查看罐内是否有水、污物(雨水、杂物等)，湿喷混凝土运输至作业地点后，罐车先要高速旋转1～2 min，减少因运输导致的混凝土骨料离析。湿喷混凝土作业完成后，需对不够密实的部位予以凿除，面积较大的予以补喷，面积较小的予以湿喷混凝土填充补偿处理。湿喷混凝土作业时，现场操作人员需要佩戴质量达标的安全帽、防尘口罩及护目镜等相关安全防护用品。湿喷混凝土作业完成后，需要及时清洗、擦拭湿喷机械手，定期对设备维护保养，以保证湿喷机械手的良好性能。

4 结果分析

4.1 施工效率

机械手作业机械化程度高，施工作业仅需要4人(1名操作手、1名放料工、2名杂工)，并且作业人员均可位于已完成格栅钢架支护的较为安全位置，通过操纵遥控器来调控喷头进行湿喷混凝土作业，保证了施工安全。湿喷机械手喷混效率可达20 m3/h，是普通小型湿喷机工效三倍以上[15]。以蒙华铁路项目黄土隧道Ⅳa型复合式衬砌为例，单循环进尺2.4 m，湿喷机喷混量为16.3 m3，湿喷作业时间平均约2 h，相比普通小型湿喷机缩短作业时间3 h以上，便于前后工序衔接，同时大幅度减轻了现场施工人员的劳动强度，也改善了施工作业环境。

4.2 成本分析

湿喷混凝土机械手不仅施工效率高，而且施工成本也低。以蒙华铁路黄土隧道Ⅳa型复合式衬砌为例，月进度按110延米计算，从动力耗费、机械摊销及人工成本等方面进行综合分析，见表2。

表2 喷射混凝土作业成本对比

根据上述计算，湿喷机械手单月成本费用为12 076元＋48 000元＋48 000元＝108 076元，普通小型湿喷机单月成本费用为55 710元＋78 000元＋775元＝134 485元；分析结果为湿喷机械手喷混凝土比普通小型湿喷机作业每月降低成本费用26 409元。

4.3 损耗率分析

经统计，蒙华铁路王家湾隧道施工的各作业面机械手喷混凝土损耗率情况:损耗率介于51.4% ～89.6%之间，累计平均损耗率为66.5%，与小型湿喷机作业的损耗率(平均96%左右)相比，降低喷射混凝土的损耗率29.5%，可单方节约喷射混凝土的直接材料费成本约137元。

4.4 监控数据分析

由于现场施工条件复杂，为保证断面监测数据的完整性，沿隧道走向布置监测点共4个，分别位于里程DK270＋445、里程DK270＋510、里程DK270＋450、里程DK270＋515，监测点位置如图2所示。

图2 隧道监测点位置

从图3可以看出，里程DK270＋445试验断面最大拱顶沉降值为16.75 mm，拱肩最大收敛值为16.75 mm，边墙最大收敛值在13.32 mm，里程DK270＋450试验断面前期拱顶位移增加较快，而后变得平缓，最大拱顶沉降值为17.72 mm，拱肩最大收敛值为11.83 mm，边墙最大收敛值在9.17 mm；里程DK270＋510试验断面最大拱顶沉降值为19.88 mm，拱肩最大收敛值为16.32 mm，边墙最大收敛值在14.32 mm，里程DK270＋515试验断面最大拱顶沉降值为15.92 mm，拱肩最大收敛值为17.83 mm，边墙最大收敛值在17.17 mm。对于围岩收敛情况，各断面监测数据相差不大，总体上，采用湿喷混凝土机械手施工，各个试验段拱顶沉降及边墙收敛均在初期支护封闭完成之后逐渐收敛，并趋于稳定，满足规范要求。

图3 隧道沉降收敛曲线

5 结束语

采用机械手喷射混凝土施工过程中，把控好喷射混凝土原材料、拌制和运输，调整好速凝剂掺量和风压，对比机械手与普通小型湿喷机的施工效果得到以下结论:

(1)机械手作业机械化程度高，湿喷机械手喷混效率可达20 m3/h。

(2)采用湿喷混凝土机械手能够有效降低施工成本，每月降低成本费用26 409元，能够降低喷射混凝土损耗率29.5%。

(3)在隧道中拱顶、拱肩、边墙的沉降值监测中，各断面在初期支护后沉降及收敛值趋于稳定，且满足规范要求。

由此可见，湿喷机械手喷混作业对保证混凝土质量、提高作业效率、降低回弹率、保护施工现场环境和作业人员安全、降低混凝土损耗率等方面均起到重要的积极作用，同时也可降低项目的施工成本。根据监控量测数据反应情况，说明喷射混凝土在初期支护过程提供较大的支护力，有效约束围岩变形，保证隧道的安全。