隧道施工中湿喷机械手的应用技术研究

王建军

(山西路桥市政工程有限公司，山西 晋中 030600)

1 工程概况

某隧道工程的起迄桩号为DK170+300～DK183+594，总长约13.3 km，属长大隧道。该隧道按双向单洞形式设计，围岩等级主要为III级，局部IV级和V级。该隧道穿越的地层以泥岩、砂岩和水平缓倾岩层为主，虽然其构造比较简单，但节理发育，岩体较为破碎，容易产生风化，在开挖过程中可能产生坍方或掉块。对此，在施工初期就需要进行可靠的支护，采用机具实施混凝土喷射。

2 施工工艺

2.1 设备选型

该隧道进口施工过程中，需在初期借助小型机具实施混凝土的喷射，但实际施工发现小型机具施工会给周围环境中造成很大污染，且混凝土外加剂掺量控制不准确，容易产生盲区，进度较慢，难以达到施工要求；对此，引进了新型湿喷机械手，其最高速度可达30 m3/h，同时配备拌和机与运输车。

2.2 混凝土制备

喷射时使用的混凝土，其配合比在很大程度上决定了成型后的强度、厚度与回弹率。按照设计要求的强度选择好水灰比以后，配合比设计需将和易性与速凝剂类型选择作为重点，使坍落度保持在140～180 mm范围内，同时表现出良好黏聚性，并使回弹率处在15%之内。本次混凝土喷射施工将混凝土配合比确定如下：水泥∶水∶粗骨料∶细骨料∶减水剂∶速凝剂=460∶200∶681∶1 021∶4.6∶23。其中，粗骨料采用碎石，细骨料采用河砂，速凝剂采用MEYCO sA160型液体无碱速凝剂。

2.3 操作要点

(1)对于喷射用混凝土，应满足以下要求：粒径在1.5 cm以内，且坍落度保持在140～180 mm以内。

(2)工作时风压应保持稳定，本次使用的机械手配有空压机，正常工作时风压保持在0.2～0.4 MPa范围内，风压大小与混凝土的和易性有直接关系，当混凝土的和易性良好时，需要的风压较小，而当混凝土的和易性较差时，则需要较大的风压。

(3)混凝土喷射开始前，将机械手移至作业区后，由机械手自带空压机对待喷射岩面实施清理，清除岩屑与浮尘，确保喷射的混凝土能和岩面之间良好粘结，保证喷射质量。

(4)机械手的操作者应有丰富经验，且操作熟练，喷射时，确保喷头和岩面始终保持垂直，并将两者的距离控制在0.8～1.2 m之内，使喷射分区域和分层进行。一般按照从下到上的顺序喷射，先初喷3～5 cm厚，然后通过复喷达到设计要求的厚度。

(5)混凝土喷射时，初喷厚度至关重要，虽然在混凝土中掺加了速凝剂，但达到初凝仍需要一段时间，所以如果初喷的厚度太大，则会使初喷混凝土在达到凝结之前就被复喷的混凝土覆盖，这样会产生很大的回弹。

(6)现场的操作人员应以具体喷射部位为依据，对实际的喷射速度与混凝土中速凝剂实际掺量予以严格控制。一般情况下，边墙处混凝土喷射按照18～20 m3/h的速率控制，混凝土中速凝剂的掺加量需控制在3%～5%以内；拱部混凝土喷射按照15 m3/h左右的速率控制，其混凝土中速凝剂的掺加量需按照7%控制。

(7)喷射时混凝土供料必须保持连续，如果喷射时发生停机，将导致喷头处被混凝土堵塞，不仅清理十分困难，而且还会延长作业时间。

(8)在混凝土喷射完成后，尽快将机械手移至作业区域以外，并严格按照相关规程对机械手进行维护与保养。

2.4 质量控制

(1)因湿喷分层进行，且混凝土有良好附着性，所以湿喷完成的平整度与密实度均良好，可达到预期喷射效果。经实践可得，在湿喷中严格按照动大臂、移小臂原则进行操作，通过两者协调旋转，由操作人员严格控制小臂的实际行程速度，能使移动喷射从点到线，再从线到面，最终使喷射后的混凝土达到平整。

(2)对于喷射用混凝土，其强度从前期配合比设计阶段就开始着手控制。混凝土喷射时，机械手利用混凝土泵将混凝土输送至喷头，然后在机械手自带的计量输送装置作用下，对速凝剂予以精确的添加，确保各部位实际喷射的混凝土能和速凝剂之间良好结合，最终保证强度。混凝土厚度通过预埋钢筋和分层喷射来保证，以使喷射的混凝土将钢筋覆盖为准进行操作和控制。

(3)因机械手的喷头与大小臂都能自由转动，所以喷头和喷射面间距与角度都能始终处在最佳范围；另外，机械手配有空压机，可提供最大0.75 MPa的风压，由电动机进行驱动，可提供独立形式的供风系统，在施工中能使风压始终保持稳定；机械手还配有计量输送装置，能对速凝剂的掺加予以精确的控制，使实际掺量达到最佳；此外加之操作人员正确操作，能将喷射时的回弹率降至最低。

根据现场实际情况，通过实际用量和回弹量之间的对比，经计算可得拱部回弹率不超过10%，边墙回弹率不超过5%，远低于相关验收标准提出的要求，能极大的减少资源浪费，从而降低工程造价。

(4)采用机械水喷射混凝土的过程中，现场作业人员可以站在已经完成初支的地方，通过遥控装置控制机械手的喷头，能从根本上保证施工安全。在机械臂的支持下，能伸缩至子掌子面实施混凝土喷射，而机械手本体则停留在安全的地方，即便掌子面突然产生塌方，也不会给机械手造成破坏。

根据现场实际情况，喷射时现场粉尘浓度在2 mg/m3以内，工作面及作业区的空气情况均良好，基本没有粉尘存在，实现了对作业环境的有效改善。

3 存在问题与建议

3.1 问题

(1)机械手造价昂贵，且需要整套采购，很多零配件现在都没有实现国产化，使维修养护方面的成本也很高。

(2)湿喷对速凝剂有着很高的质量要求，但国内速凝剂质量不够稳定，经常导致产生较大的回弹或一次性喷射厚度不足等，而使用进口的速凝剂会使成本增加。

(3)机械手的结构比较复杂，对操作与维护保养人员都有一定要求。

3.2 建议

(1)尽快使机械手及其配件实现国产化，这也是未来的一个重要课题。

(2)对混凝土配合比予以持续优化，通过严格筛选和比较，选择有良好性能的国产速凝剂。

(3)加强对操作人员及维护保养人员的技术培训，提高他们的技术水平，以适应机械手施工要求。

4 结 语

综上所述，在该隧道工程施工中通过对湿喷机械手的引入，不仅保证了湿喷混凝土施工质量，而且还减少成本、提高效率、减少环境污染。因此，在隧道工程建设中，尤其是在长大隧道工程中，借助机械手进行湿喷作业，能从根本上解决粉尘、回弹和厚度等方面的问题，通过对湿喷机械手的不断推广，能提高隧道湿喷作业技术水平。