濕噴機械手在重載鐵路隧道施工中的應用

盧昆

（中鐵十八局集團 第一工程有限公司，河北涿州 072750）

混凝土濕噴是借助流體動力，通過管道將預拌制混凝土輸送且高速噴射于受噴面，通過噴射時骨料和水泥的連續撞擊、壓密而形成的一層混凝土支護層[1]。近年來，混凝土噴射臺車以其噴射效率高、回彈率低、噴射質量好、安全環保等優勢，在我國公路、鐵路、水利水電等大斷面地下工程中應用廣泛。目前混凝土濕噴機國內外市場上臂架結構形式多樣，主要分為伸縮回轉式，折疊式臂架結構，而上、中、下臺階同步推進施工，對混凝土濕噴機的臂架擺動自由度，噴射范圍均提出更高要求。同時，對濕噴機械手操作提出更高的要求。文章結合王家灣隧道實例，對濕噴機械手在重載鐵路隧道施工中的應用進行詳細分析。

1 工程概況

蒙華鐵路王家灣隧道位于延安安塞縣王家灣鄉，是典型的大斷面重載鐵路隧道。隧道全長7288m，最大埋深和設計時速分別為0.22 千米和每小時120 千米，由于受到黃土高原水流向源侵蝕的作用，因此有著較為突出的下切效應，“V”字型沖溝呈現出樹枝狀特點進行分布，整體具有支離破碎的顯著特征，地面高程1260～1533m，隧道進出口為緩坡，地表坡度約40°左右，地表有少量植被。隧道洞身穿越地層依次為：第四系全新統沖洪積砂質新黃土，中更新統洪積層黏質老黃土，白堊系下統洛河組砂巖。隧道圍巖主要為V、IV級別，在具體施工之時，運用了三臺階法。

2 濕噴機械手工作特點

該隧道運用的混凝土噴濕機械手型號為HPS3016，將噴射、泵送、移動融為一體，具體性能頗具有穩定性，使用過程也頗為簡單，有著較高的生產率，而且施工質量整體較高，有著較低的回彈度（其作業性能如圖1 所示）。

圖1 濕噴機械手作業性能

濕噴機械手每小時噴射混凝土10m3～30m3之間，最大噴射高、寬度依次為17.5 米和31.4 米，一次定位噴射可以支持的移動距離達到了15.3米，比普通技術的性能高出很多。而且通過該機械手作業，還能進一步提升混凝土的附著力與密實度。此外，混凝土的回彈率也顯著降低，通?？梢詫⒋酥笜丝刂圃谄叱芍畠?，是以往所有噴射混凝土工藝所達不到的。HPS3016 雙臂混凝土噴射臺車是針對大、中隧道斷面的一種混凝土噴射裝備。技術參數如表1：

表1 混凝土噴射臺車技術參數表

3 濕噴機械手施工應用

3.1 施工工藝及參數

在隧道施工中通過縮短臺階長度，調整臺階高度，同時出碴，交叉安裝鋼架，據此達到能夠使用濕噴機械手一次性對上、中、下三個斷面進行噴射混凝土的目的，顯著提升了施工效率，縮短了作業時間，同時縮短了初支仰拱至掌子面之間的間距，使得安全布局能夠滿足標準要求[2]。以Ⅳ級圍巖為列，施工技術參數如表2 所示。

表2 施工技術參數

3.2 施工準備

（1）噴混前對作業面接縫處檢查，清除接縫處骨料堆積、砟土污染及個別點欠挖問題，清理時可采用鋼釬、電鎬、鋼刷及高壓風等不同形式工具，但清除干凈是唯一標準，防止出現重大質量隱患。

（2）倘若巖面存在著超挖等現象，而且坑洼較為嚴重，此時需要配置錨桿掛網，然后再對其噴射混凝土。

（3）噴混前采用高壓風沖凈巖石、鋼架和網片上面的砟土，方可開始噴射混凝土[3]。

（4）運用鋼架完成鋼筋頭的焊接，使之視作厚度標釘，熟練操作工能夠按照實際經驗，對其進行厚度調控。

3.3 混凝土噴射

在此噴射作業環節，需要運用強制式攪拌設備，而且能夠自動計量，在配料過程中，需要按照配合比加以動態操作，混凝土的攪拌時間不能低于3 分鐘。噴射混凝土需要緊密，按照循環作業量與運輸間距，來對相應的罐車進行配置，通常其數量配置二至四臺，體積達到10m3，就可支持現場施工。在具體噴射之際，需要適當增添速凝劑，然后通過計算機系統，對摻入量進行計算，并通過機械設備進行自動化摻入，施工過程中依據混凝土回彈量的大小來調整風壓。具體把控要點如下：

（1）在噴濕混凝土作業環節，需要對角度、距離、次序、噴射移動等參量進行調控，這些都會對最終的施工質量、混凝土回彈帶來顯著影響。

（2）噴射順序。在具體噴射之際，需要進行分塊、分部和分段，墻為先，拱為后，從底部開始作業，然后再到上部，在噴射時，移動路徑呈現出S型曲線[4]。隧道由兩側邊墻底部進行相應待處理，然后再對其進行噴射，直至拱頂中心線處進行閉合（如圖2）。防范在上端噴射時出現虛掩現象，進而導致強度變弱，拱腳也失去穩定性。

圖2 上臺階噴射混凝土圖

（3）噴射角度。在具體作業時，需要將噴頭與作業面調整垂直，倘若角度過小，就會提升回彈率，使得密實度有所下降。因在垂直作業時（詳見圖3），能夠有助于反彈物進行二次嵌入，這樣，回彈率就會顯著減小。

圖3 中臺階噴射混凝土圖

（4）噴射距離。在噴濕作業過程中，需要提供較大的風壓，倘若噴頭與作業面距離很近，那么強風就會吹走剛剛噴射的混凝土，進而顯著增強其回彈量，通常，這個距離控制最短需到1.5m，最長不能超過2m。

（5）噴頭移動。在剛剛噴射之際，有著極大的回彈量，當噴射厚度在拱部、邊墻分別達到“4 至6m”、“6 至10m”時，此時回彈量最低，而且具有穩定性。若是噴射至巖面的混凝土出現了流淌現象，此時一次噴射厚度已經達到極大值，無須繼續噴射，待其初凝后才能再次作業。

（6）風壓調整。該參量的調整需要結合混凝土的和易性、作業面距離、風壓穩定性進行動態優化，使得設備能夠連續噴射，不會出現流淌現象，而且還能以恰當的速度與作業面呈現出垂直角度[5]，由此進行噴射作業。

根據設備使用說明書并結合現場試驗總結，確定了HPS3016 型混凝土濕噴機械手噴射距離在1.5～2.0m范圍內，風壓調整到5.5Mpa時，混凝土回彈量最小。

（7）速凝劑摻量控制。此摻入劑的運用，目的就是讓噴射出來的混凝土以更快的速度變硬，這樣就能降低回彈損耗，防范混凝土因為自身重力導致脫落[6]。故根據不同噴混位置調整速凝劑摻量，能很好的提高混凝土強度。通過試驗確定，隧道拱部為5%～6%，隧道邊墻為3%～4%，仰拱為1%左右，混凝土回彈量最小。

4 結果分析

4.1 進度分析

濕噴機械手作業工藝有著較高的機械化水平，通常只需要配置四人就能作業，這四人的分配是操作工、放料工分別為1 人，還有2 位雜工。這些人員都需要處于安全位置，然后利用遙控器對噴頭進行調控，接著進行作業，確保最終作業具有良好安全性[7]。該機械手每小時可以噴濕混凝土30 m3，超過普通噴射機工的效率三倍，以該隧道IV 圍巖作為案例，其濕噴機噴混量為17.64 m3，單循環進尺為2.4m，濕噴作業時間平均約2 h，比普通小型濕噴機節省3 h 以上，更利于后續工序銜接，另外，施工者的勞動強度還能顯著弱化，有效改善作業環境。

4.2 成本分析

該機械手施工可降低施工成本，且施工效率顯著提高。以案例隧道的IVa 型復合式襯砌為依據，并將110 延米月進度作為計算條件，對其人工成本、動力耗費等指標進行分析，可以得表3。

表3 噴射混凝土作業成本對比表

根據上述計算，該機械手作業模式，月度成本為電力成本、人工成本、攤銷費用總和，亦即是10.8076 萬元，而普通小型噴濕機對應的月度成本在13.4485 萬元；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26409 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，噴射混凝土的損耗率能夠降低2.95 成，每m3 節約噴射混凝土的直接材料費成本約137 元。

5 結語

以蒙華鐵路王家灣隧道為例，對濕噴機械手在重載鐵路隧道施工中的應用進行詳細分析。分析得出：在具體施工中，該機械手具有施工機械化程度高、工作效率高、回彈量少、作業環境好等優勢，通過應用該機械手，施工進度得以有效提升，施工成本節約顯著，使該機械手工藝得以有效驗證。