隧道濕噴混凝土設備選型及應用研究

謝江勝 廖太昌 賈林鵬 申運濤

（中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 工程概況

新建蒙西至華中地區鐵路煤運通道線路全長1 814.41 km，從南至北跨越內蒙古、陜西、山西、河南、湖北、湖南、江西等七個省級行政區［1］。

蒙華鐵路MHTJ-7標段位于陜西省延安市，正線全長為35.688 km，本標段隧道總長31.863 km，占標段線路長度的89.28%。隧道長度及數量見表1。

表1 蒙華鐵路MHTJ-7標段隧道統計

2 噴射混凝土施工設備選型基本要求

（1）安全可靠：結構設計合理，安全度高。

（2）噴射混凝土質量好：速凝劑和混凝土高效混合，回彈率低。

（3）適用范圍廣：適應不同路況及不同斷面噴射作業［2-3］。

（4）經濟環保：日常維修費用低、設備損壞率低、污染小。

（5）施工效率高：宜采用噴射量不小于15 m3/h濕噴機械手。

本項目累計使用噴射混凝土機械手25臺，其中鐵建重工HPS3016S型混凝土噴射機械手（臺車）15臺、成都巖峰TKJ-15型混凝土噴射機械手（機組）10臺。

3 噴射混凝土原材料及配合比

3.1 噴射混凝土原材料

水泥、細骨料、粗骨料、速凝劑、減水劑、拌和用水等原材料要符合現行規范要求。

3.2 噴射混凝土配合比

3.2.1 設計參數基本要求

（1）噴射混凝土設計強度等級為C25，1 d強度不小于10 MPa；

（2）坍落度設計為100～120 mm；

（3）水膠比不大于0.50；

（4）膠凝材料用量不小于 400 kg/m3；

（5）減水劑摻量0.5%～1.0%；

（6）速凝劑摻量4%～5%；

（7）砂子細度模數2.6～3.2，砂率45%～60%；

（8）粗骨料最大公稱粒徑5～10 mm，連續級配；

（9）粗灰比宜為 1∶4～1∶5。

3.2.2 其他注意事項

除考慮上述基本參數以外，還需考慮濕噴臺車的各項性能指標，混凝土坍落度、骨料最大粒徑對不同型號機械手噴射的混凝土效果不同。因此，根據本工程具體情況，采用HPS3016S型（鐵建重工）、TKJ-15型（成都巖峰）噴射機械手，分別設計了兩組不同參數的混凝土配合比（C25）進行隧道初支噴射試驗［9-10］，見表2～表 3。

表2 隧道噴射混凝土理論配合比選定（HPS3016S型）

表3 隧道噴射混凝土理論配合比選定（TKJ-15型）

4 機械手噴射混凝土施工工藝

為了保證機械手操作空間，將上臺階高度調整為4 m。對于臺階預留的核心土，在噴射混凝土前進行挖除或局部修整，以確保機械手有足夠正常作業空間。機械手噴射工藝流程［11］見圖1。

圖1 濕噴混凝土機械手噴射工藝流程

4.1 施工準備

（1）復核開挖斷面：檢查開挖斷面凈空尺寸是否滿足設計要求。

（2）設置厚度控制標：埋設控制噴混凝土厚度的標志（見圖2），現場利用設計的定位鋼筋頭作為控制噴射混凝土厚度的標志。

圖2 埋設噴射混凝土厚度標志

（3）平整場地：采用挖機對初支仰拱臨時回填面進行平整，確保混凝土噴射臺車在穩定、平整的場地上完成支腿工作。

（4）通風及照明：保證作業區內具有良好通風和照明條件。

（5）電源接入：機械手使用外界接入電源為380 V，并檢查相關設備及接入的電力線路。

（6）設備調試：檢查設備電力線路、液壓、氣壓系統等正常后，啟動設備。先少量打入速凝劑試噴，確認液體速凝劑管路暢通。

（7）噴射基面處理：采用機械手高壓風沖洗受噴面上的浮塵、巖屑。如果受噴面有小股水或裂隙滲漏水，采用土工布包裹φ90盲管引排至排水溝；如有大量積水時采用積水坑集中匯水后用潛水泵排至排水溝；如開挖面有大量滲水應在施工前進行超前注漿堵水處理。

（8）環境溫度保證：現場保證噴射混凝土作業的環境溫度不得低于5℃，必要時采用暖風機或搭設暖棚進行保溫。

4.2 機械手噴射混凝土作業

圖3 混凝土噴射作業

（1）初噴

沿隧道開挖斷面從一側拱腳開始噴射經過拱部直至另一側拱腳結束（見圖3）。邊墻首次噴射時噴射厚度應控制在10～15 cm，拱部首次噴射應控制在5～10 cm。待混凝土初凝后再自下而上進行復噴。仰拱在噴射時應先噴射中間再噴射兩邊，中間噴射厚度應大于兩邊厚度。

（2）復噴

邊墻復噴時在第一次初噴基礎上直接噴射至設計厚度。拱部每次噴射厚度應控制在4～5 cm，每次噴射間隔5～10 min，這樣可以大量減少回彈量。噴射過程中噴嘴與受噴面間距宜為1.0～1.5 m，噴嘴噴射過程中連續、緩慢做橫向或環向移動。若受噴面被鋼架、鋼筋網遮擋時，根據具體情況變換噴嘴的噴射角度和與受噴面的距離，將鋼架、鋼筋網背后噴填密實。

在噴邊墻下部（臺階法施工上半斷面拱腳）及仰拱時，需將上半斷面噴射時的回彈物清理干凈，防止將回彈物卷入下部噴層中形成“蜂窩”，造成初支混凝土強度降低。

噴射過程中如遇到受噴面有裂隙滲漏水時，應先噴射無水處再逐漸噴射覆蓋至有滲水處。在噴射滲水處時速凝劑使用量可在標準摻量的基礎上增加0.5%～2.0%的用量，總的摻量不得超過水泥用量的6.0%。

（3）混凝土的養護

噴射混凝土后應立即進行潮濕性養護，一般養護不少于14 d或養護至隧道二襯混凝土施工。噴射混凝土作業的環境溫度不得低于5℃。

4.3 異常情況處理措施

（1）超挖過大處理

當出現局部超挖（≤50 cm）時應在噴射過程中分層布設鋼筋網片分層噴射混凝土回填；當出現局部超挖（＞50 cm）時應埋設注漿管，待噴射混凝土達到10 MPa后及時注漿填充或C20泵送混凝土填充。

（2）常見設備故障

常見的設備故障有高壓油管爆裂、噴頭爆裂及堵管等，可通過及時更換備用易損件快速處理，施工作業前應加強檢查。出現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徑的石料、噴射待料時間間隔過長（大于40 min）、設備出現故障等。

出現混凝土堵管時應通過目測和敲擊檢查確定堵管部位。一般情況下四臂處的軟管和底盤處軟管容易堵塞，根據檢查結果快速處理。

應在出廠前和到達施工現場后分別檢查混凝土坍落度，不滿足規定嚴禁出廠。當現場實測坍落度小于規定要求時，現場試驗人員可通過配置好的減水劑調整坍落度。

5 質量檢測

5.1 噴射混凝土厚度檢測

施工過程中隨時采集斷面數據，通過噴射混凝土前及噴射混凝土結束后掃描斷面對比以及鉆芯取樣檢測噴射厚度（見圖4）。噴混凝土的厚度應符合以下規定：平均厚度大于設計厚度；檢查點數的80%及以上大于設計厚度；最小厚度不小于設計厚度的2/3。

圖4 現場初支取芯檢查

5.2 噴射混凝土密實度檢測

初支噴射混凝土背后與圍巖之間存在空洞時會導致圍巖松弛致使支護結構產生彎曲應力，從而損傷支護結構的功能，降低其承載力，極大地影響隧道的安全使用。由于初支內部和背后從表面觀察難以發現問題，在現場實踐中采用方便快捷的地質雷達連續檢測法和效果直觀的局部鉆芯取樣法對初支噴射混凝土進行密實度缺陷檢測，隨時掌握初支噴射混凝土質量，以便施工過程中隨時調整施工參數、采取處理措施及時改進施工質量（見圖5）。

5.3 噴射混凝土強度檢測

采用射釘法檢測噴射混凝土1 d（24 h）抗壓強度（見圖6），檢測方法為每一作業循環或每工班檢測一次，每次應檢測3個測區。

圖5 初支斷面地質雷達掃描檢測

圖6 射釘法檢測1 d強度

6 濕噴機械手與小型噴射設備綜合分析

6.1 混凝土噴射機械手優點

（1）作業效率大幅提高

濕噴機械手設備功能齊全，無需外接高壓風，減少了施工準備時間。噴射作業實現了大功率機械化，噴射速度快，大大節省施工時間，加快了施工速度。以拱部為例，小型濕噴機作業時間需8.5 h，機械手作業時間為2.5 h，機械手工效為小型濕噴機的3.4倍。

（2）作業環境明顯改善

濕噴機械手作業過程中可達到對混凝土和速凝劑流量及頻率的同步程序控制，在實現對速凝劑精確添加、保證速凝劑最優摻量的同時，有效降低了因煙塵和速凝劑揮發而造成的空氣污染。采用機械手濕噴工藝，作業人員可站在距噴射面約10 m以外的安全位置，通過操作“遙控器”來控制噴射臂手進行噴砼作業。與小型濕噴機需人工手持噴槍短距離噴射方式相比，作業環境有很大改善，更環保、更利于作業人員職業健康。

（3）實體質量更加穩定

普通濕噴機添加速凝劑為人工操作方式，誤差相對較大，同時常規小型濕噴機需采用人工手持噴槍近距離噴射（約1.2～1.5 m），回彈石子、作業粉塵、圍巖軟弱破碎部位的掉塊風險及上下作業臺架不便等都會對手持噴槍工人產生影響，造成噴射距離、角度不能嚴格執行標準而帶來噴射砼質量不穩定。

濕噴機械手配備液態添加劑自動計量輸送裝置，能夠精確地添加速凝劑，能自動對混凝土和速凝劑流量同步控制，保證速凝劑的最優摻量；機械手噴砼可以保證噴射角度、距離，再加上機械手噴射的流量穩定、速度均勻，并能實現現場連續濕噴，濕噴混凝土表面平整度較好，初期支護混凝土強度高、整體性強、密實度好；濕噴混凝土機械手的大臂和小臂通過油缸行程，在噴射機組不移動的情況下，噴射高度可達16 m，噴射寬度可達28 m，具有較高的方便快捷性，可以噴射到人工無法噴射的死角部位。

（4）作業安全性更高

普通濕噴機進行施工時，作業人員需在尚未進行支護的圍巖下面進行作業，人員作業安全難以保證。采用機械手施工，濕噴機械手處于已經完成初期支護的位置，操控作業人員可在遠離支護作業面（10 m左右）對濕噴機臂手進行遙控操作，避免了掌子面塌方對作業人員和機械設備的安全威脅，作業安全性大大提高。

6.2 混凝土噴射機械手不足之處

（1）一次性投入設備購置費用較高。

（2）設備電壓穩定性要求較高（通過現場調查，設備接入電壓低于360 V時設備將無法啟動；接入電壓低于400 V時，設備工作狀態不穩定）。

（3）設備體積較大，需占用較大作業空間。

（4）設備高度智能化，需要配備專業的操作和檢修人員（經過統計，專業人員達到熟練操作需要90 d）。

6.3 設備經濟性分析

由表4可知［12］，HPS3016S型與 GWSP-9型濕噴機相比，1 m3噴射混凝土綜合費用節省約25.4元。

表4 設備經濟性分析（1 m3噴射混凝土）

7 結論

全標段共采用了25臺機械手經過兩年的濕噴工藝施工表明，與小型噴射機相比，作業效率提高3倍以上，噴射混凝土332 155.42 m3，節約成本約843.7萬元。經實體質量檢測全部達到設計要求，噴射混凝土產生的粉塵含量大大減少，作業環境明顯改善，作業人員職業健康得到保障；操控人員可遠離支護面作業，安全性大大提高。