機械手噴射混凝土在黃土隧道施工中的應用

張淮洲

(中鐵十八局集團有限公司經濟管理部 天津 300222)

1 引言

隨著中國經濟的飛速發展及鐵路等基礎設施建設的日益完善，我國隧道修建技術取得了豐富的經驗及研究成果，其中噴射混凝土支護方法在我國水利、水電和地鐵等大斷面地下工程中得到了廣泛的應用[1]，噴射混凝土工藝主要有干式噴射混凝土、潮式噴射混凝土、濕式噴射混凝土等方法[2]。由于濕式噴射混凝土具有效率高、回彈率低、工程質量好等優點，成為重要的支護作業方法。其中，李文湛[3]采用雙螺旋全液壓濕式混凝土噴射機實現了濕式混凝土噴漿作業，胡廣正[4]采用防爆柴油機濕式混凝土噴射車載巷道施工中進行作業，極大地改善了作業環境，提高施工效率，闞江[5]研制了JPS型濕式混凝土噴射機并進行了現場試驗，該設備能夠改善噴射混凝土的品質，提高混凝土的均質性。

本文對濕噴混凝土機械手在蒙華鐵路黃土隧道施工中的應用進行研究，以期對隧道支護施工具有借鑒意義。

2 工程概況

新建蒙華鐵路運煤通道土建MHTJ-5標，標段全長35.96 km，其中隧道14座，長度27.359 km。隧道地處中朝古臺地鄂爾多斯盆地伊陜斜坡區，區內地質構造復雜，地勢東高西低。隧道穿越地層從新至老依次為:第四系砂質新黃土、黏質老黃土、白堊系砂巖等。黃土地層在天然含水量狀態下，具有較高的強度，較小壓縮性。但當黃土隧道受開挖擾動后，使其喪失水分，造成顆粒間聯結強度降低，在上部荷重作用下，大孔隙結構破壞，孔隙體積減小，黃土變形體的穩定性更差，更容易導致拱部掉塊垮塌。

黃土隧道的工程性質決定了加快初期支護施工對隧道穩定起著至關重要的作用，同時隧道拱部掉塊對于噴射混凝土作業人員存在安全隱患。

3 濕噴混凝土機械手性能特點及其施工工藝流程

3.1 HPS3016S濕噴混凝土機械手

HPS3016混凝土噴射臺車集行走、泵送和噴射三大功能于一體，整機性能穩定，操作簡單，具有生產率高、回彈度低、施工質量高的特點。濕噴機械手工作效率遠超小型濕噴機。根據風壓控制情況，每小時噴射混凝土的數量介于8～20 m3之間；且濕噴機械手的作業范圍比小型濕噴機大，其最大噴射高度可達17.5 m，噴射寬度可達31.4 m，一次定位后其噴射的移動距離可達15.3 m。HPS3016S濕噴混凝土機械手基本參數見表1。

表1 HPS3016S濕噴混凝土機械手基本參數

3.2 噴混工藝流程

HPS3016S濕噴混凝土機械手噴混工藝流程見圖1。

圖1 噴混工藝流程

3.2.1 施工準備

(1)受噴基面處理

在鋼架安裝作業前，應對中、下臺階的連接板以及前一循環的噴混面，通過人工清理渣土及松散噴混料等措施，增加混凝土和鋼架的連接力。噴混作業前，黃土圍巖基面應采用濕噴機械手控制高壓風吹凈巖面；對于圍巖表面的超挖部分，可在該區域通過增設錨桿掛網等措施使其密貼受噴面。

(2)噴混厚度標記

根據現場情況，可采用鋼架焊接鋼筋頭來做厚度標記，也可由操作人員根據操作經驗進行噴混凝土厚度的控制。

(3)濕噴機械手準備

①選用的變壓器需滿足濕噴機械手工作時的電壓要求，其工作電壓不得小于360 V。

②濕噴混凝土需滿足設計要求，并需保證濕噴機械手對混凝土的坍落度、和易性要求。

③濕噴混凝土機械手的作業區域內，需要有良好的照明及通風等條件。

④噴射混凝土作業的溫度要求，工作環境溫度不得低于5℃，速凝劑的溫度不得低于15℃。

3.2.2 噴射作業

濕噴混凝土的粗骨料要求，粒徑要小于15 mm，混凝土的坍落度嚴格控制在160～200 mm為宜[6－7]。濕噴混凝土拌和采用全自動計量強制式攪拌機，混凝土的攪拌時間應大于180 s；濕噴混凝土作業時，速凝劑通過濕噴機械手電腦控制系統中輸入摻量數據后由機械自動添加。

采用混凝土輸送車運輸混凝土。噴射混凝土應根據每循環混凝土噴射作業工程量及運輸距離來配備混凝土運輸罐車，通常配備2～4臺10 m3罐車便可滿足現場施工需要。混凝土供應要連續，噴射混凝土在工作現場的等待時間不應大于30 min，且嚴禁操作業人員私自對混凝土加水。施工時，依據濕噴混凝土回彈量的大小來調整風壓。

(1)有水地段進行濕噴作業，首先噴射遠離出水點處，向出水點慢慢逼近，同時匯聚散水點，放置導管引水；然后逼近導管噴射混凝土，待混凝土終凝之后再進行漏水處理。

(2)進行濕噴作業，噴頭宜與受噴面垂直，適宜距離為1.0～1.5 m。噴頭需做緩慢、連續移動，以使得噴層厚度較均勻。

(3)濕噴作業宜先進行下臺階噴混，然后進行初支仰拱的噴混施工，最后濕噴機械手前移就位進行上、中臺階交叉噴混作業。

為了便于混凝土噴射作業，初支仰拱端頭回填平臺與下臺階頂部采用12 m自制棧橋搭設，提供噴混工作面，同時確保上、中臺階噴混結束后初支仰拱噴射混凝土達到終凝，具備回填的條件，保證初支仰拱的混凝土在機械設備移動時不被破壞。

(4)濕噴混凝土作業原則上按照分段、分片、分層依次進行，噴射混凝土采用自下而上順序，分段不應大于6 m長度；作業時先把低洼處噴平整[8－9]。

(5)濕噴作業采取先墻身后拱部，以S形曲線進行移動噴射。噴頭與受噴面的距離和角度需要嚴格控制，同時關注風壓和噴頭的移動速度。作業時，噴頭應垂直于受噴面，否則會增加濕噴混凝土的回彈率，影響密實度；作業時垂直于巖面，濕噴混凝土連續的“稀薄流”能將反彈物二次鑲嵌，可減少回彈率，大大增加一次性濕噴厚度[10－11]。

(6)濕噴混凝土作業分區按照自下而上、由近漸遠的空間作業，上臺階從兩側拱腳開始噴射，噴射到拱頂中心線位置閉合。中、下臺階從拱腳開始噴射，直至噴射到連接板處。從下至上可防止上部噴料虛掩拱腳不密實，造成強度不夠，拱腳失穩。噴射混凝土要注意應先噴射鋼架與上一循環鋼架間的混凝土，再施做其余鋼架之間的混凝土。

(7)黃土隧道施工，噴射混凝土一次噴射厚度應通過工藝試驗確定，要考慮到隧道洞內環境溫度、混凝土配合比、速凝劑摻量、操作司機等因素都對一次噴射厚度產生的影響。一般可通過目測觀察，一次性濕噴的厚度以混凝土不滑移、不墜落為佳[10]。第一層噴混為掃面，噴混厚度3～4 cm，第二層噴混厚度10 cm左右，第三層噴混為收面即噴混覆蓋住拱架即可，并有兩名工人配合鏟拱找平，清理拱腳回彈料[12－13]。

(8)噴射時，噴頭應保持與受噴面垂直。噴射交角過小將增加混凝土的回彈率，降低噴射密實度；垂直于巖面噴射時，連續的混凝土對反彈物有二次嵌入作用，可以降低回彈率。每層間隔時間10～15 min，噴頭與圍巖距離1.5 m左右，角度垂直，噴頭上下1 m范圍內擺動噴射[14]。

3.2.3 施工注意事項

在濕噴作業中，人工操作自加工鏟具，鏟去拱架貼巖面內側及拱架之間較為突出的濕噴混凝土，最后整體再進行補噴一下，就可以滿足平整度要求。濕噴混凝土作業前需要對拱架連接板上方予以整修，鏟除較為凸起的部分，保證初支濕噴混凝土表面的平整度，方便拱墻襯砌工序順利實施。在混凝土輸送車裝濕噴料之前，需要查看罐內是否有水、污物(雨水、雜物等)，濕噴混凝土運輸至作業地點后，罐車先要高速旋轉1～2 min，減少因運輸導致的混凝土骨料離析。濕噴混凝土作業完成后，需對不夠密實的部位予以鑿除，面積較大的予以補噴，面積較小的予以濕噴混凝土填充補償處理。濕噴混凝土作業時，現場操作人員需要佩戴質量達標的安全帽、防塵口罩及護目鏡等相關安全防護用品。濕噴混凝土作業完成后，需要及時清洗、擦拭濕噴機械手，定期對設備維護保養，以保證濕噴機械手的良好性能。

4 結果分析

4.1 施工效率

機械手作業機械化程度高，施工作業僅需要4人(1名操作手、1名放料工、2名雜工)，并且作業人員均可位于已完成格柵鋼架支護的較為安全位置，通過操縱遙控器來調控噴頭進行濕噴混凝土作業，保證了施工安全。濕噴機械手噴混效率可達20 m3/h，是普通小型濕噴機工效三倍以上[15]。以蒙華鐵路項目黃土隧道Ⅳa型復合式襯砌為例，單循環進尺2.4 m，濕噴機噴混量為16.3 m3，濕噴作業時間平均約2 h，相比普通小型濕噴機縮短作業時間3 h以上，便于前后工序銜接，同時大幅度減輕了現場施工人員的勞動強度，也改善了施工作業環境。

4.2 成本分析

濕噴混凝土機械手不僅施工效率高，而且施工成本也低。以蒙華鐵路黃土隧道Ⅳa型復合式襯砌為例，月進度按110延米計算，從動力耗費、機械攤銷及人工成本等方面進行綜合分析，見表2。

表2 噴射混凝土作業成本對比

根據上述計算，濕噴機械手單月成本費用為12 076元＋48 000元＋48 000元＝108 076元，普通小型濕噴機單月成本費用為55 710元＋78 000元＋775元＝134 485元；分析結果為濕噴機械手噴混凝土比普通小型濕噴機作業每月降低成本費用26 409元。

4.3 損耗率分析

經統計，蒙華鐵路王家灣隧道施工的各作業面機械手噴混凝土損耗率情況:損耗率介于51.4% ～89.6%之間，累計平均損耗率為66.5%，與小型濕噴機作業的損耗率(平均96%左右)相比，降低噴射混凝土的損耗率29.5%，可單方節約噴射混凝土的直接材料費成本約137元。

4.4 監控數據分析

由于現場施工條件復雜，為保證斷面監測數據的完整性，沿隧道走向布置監測點共4個，分別位于里程DK270＋445、里程DK270＋510、里程DK270＋450、里程DK270＋515，監測點位置如圖2所示。

圖2 隧道監測點位置

從圖3可以看出，里程DK270＋445試驗斷面最大拱頂沉降值為16.75 mm，拱肩最大收斂值為16.75 mm，邊墻最大收斂值在13.32 mm，里程DK270＋450試驗斷面前期拱頂位移增加較快，而后變得平緩，最大拱頂沉降值為17.72 mm，拱肩最大收斂值為11.83 mm，邊墻最大收斂值在9.17 mm；里程DK270＋510試驗斷面最大拱頂沉降值為19.88 mm，拱肩最大收斂值為16.32 mm，邊墻最大收斂值在14.32 mm，里程DK270＋515試驗斷面最大拱頂沉降值為15.92 mm，拱肩最大收斂值為17.83 mm，邊墻最大收斂值在17.17 mm。對于圍巖收斂情況，各斷面監測數據相差不大，總體上，采用濕噴混凝土機械手施工，各個試驗段拱頂沉降及邊墻收斂均在初期支護封閉完成之后逐漸收斂，并趨于穩定，滿足規范要求。

圖3 隧道沉降收斂曲線

5 結束語

采用機械手噴射混凝土施工過程中，把控好噴射混凝土原材料、拌制和運輸，調整好速凝劑摻量和風壓，對比機械手與普通小型濕噴機的施工效果得到以下結論:

(1)機械手作業機械化程度高，濕噴機械手噴混效率可達20 m3/h。

(2)采用濕噴混凝土機械手能夠有效降低施工成本，每月降低成本費用26 409元，能夠降低噴射混凝土損耗率29.5%。

(3)在隧道中拱頂、拱肩、邊墻的沉降值監測中，各斷面在初期支護后沉降及收斂值趨于穩定，且滿足規范要求。

由此可見，濕噴機械手噴混作業對保證混凝土質量、提高作業效率、降低回彈率、保護施工現場環境和作業人員安全、降低混凝土損耗率等方面均起到重要的積極作用，同時也可降低項目的施工成本。根據監控量測數據反應情況，說明噴射混凝土在初期支護過程提供較大的支護力，有效約束圍巖變形，保證隧道的安全。