湿喷机械手在重载铁路隧道施工中的应用

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。

4.2 成本分析

该机械手施工可降低施工成本，且施工效率显著提高。以案例隧道的IVa 型复合式衬砌为依据，并将110 延米月进度作为计算条件，对其人工成本、动力耗费等指标进行分析，可以得表3。

表3 喷射混凝土作业成本对比表

根据上述计算，该机械手作业模式，月度成本为电力成本、人工成本、摊销费用总和，亦即是10.8076 万元，而普通小型喷湿机对应的月度成本在13.4485 万元；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26409 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，喷射混凝土的损耗率能够降低2.95 成，每m3 节约喷射混凝土的直接材料费成本约137 元。

5 结语

以蒙华铁路王家湾隧道为例，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。分析得出：在具体施工中，该机械手具有施工机械化程度高、工作效率高、回弹量少、作业环境好等优势，通过应用该机械手，施工进度得以有效提升，施工成本节约显著，使该机械手工艺得以有效验证。