隧道施工中濕噴機械手的應用技術研究

王建軍

(山西路橋市政工程有限公司，山西 晉中 030600)

1 工程概況

某隧道工程的起迄樁號為DK170+300～DK183+594，總長約13.3 km，屬長大隧道。該隧道按雙向單洞形式設計，圍巖等級主要為III級，局部IV級和V級。該隧道穿越的地層以泥巖、砂巖和水平緩傾巖層為主，雖然其構造比較簡單，但節理發育，巖體較為破碎，容易產生風化，在開挖過程中可能產生坍方或掉塊。對此，在施工初期就需要進行可靠的支護，采用機具實施混凝土噴射。

2 施工工藝

2.1 設備選型

該隧道進口施工過程中，需在初期借助小型機具實施混凝土的噴射，但實際施工發現小型機具施工會給周圍環境中造成很大污染，且混凝土外加劑摻量控制不準確，容易產生盲區，進度較慢，難以達到施工要求；對此，引進了新型濕噴機械手，其最高速度可達30 m3/h，同時配備拌和機與運輸車。

2.2 混凝土制備

噴射時使用的混凝土，其配合比在很大程度上決定了成型后的強度、厚度與回彈率。按照設計要求的強度選擇好水灰比以后，配合比設計需將和易性與速凝劑類型選擇作為重點，使坍落度保持在140～180 mm范圍內，同時表現出良好黏聚性，并使回彈率處在15%之內。本次混凝土噴射施工將混凝土配合比確定如下：水泥∶水∶粗骨料∶細骨料∶減水劑∶速凝劑=460∶200∶681∶1 021∶4.6∶23。其中，粗骨料采用碎石，細骨料采用河砂，速凝劑采用MEYCO sA160型液體無堿速凝劑。

2.3 操作要點

(1)對于噴射用混凝土，應滿足以下要求：粒徑在1.5 cm以內，且坍落度保持在140～180 mm以內。

(2)工作時風壓應保持穩定，本次使用的機械手配有空壓機，正常工作時風壓保持在0.2～0.4 MPa范圍內，風壓大小與混凝土的和易性有直接關系，當混凝土的和易性良好時，需要的風壓較小，而當混凝土的和易性較差時，則需要較大的風壓。

(3)混凝土噴射開始前，將機械手移至作業區后，由機械手自帶空壓機對待噴射巖面實施清理，清除巖屑與浮塵，確保噴射的混凝土能和巖面之間良好粘結，保證噴射質量。

(4)機械手的操作者應有豐富經驗，且操作熟練，噴射時，確保噴頭和巖面始終保持垂直，并將兩者的距離控制在0.8～1.2 m之內，使噴射分區域和分層進行。一般按照從下到上的順序噴射，先初噴3～5 cm厚，然后通過復噴達到設計要求的厚度。

(5)混凝土噴射時，初噴厚度至關重要，雖然在混凝土中摻加了速凝劑，但達到初凝仍需要一段時間，所以如果初噴的厚度太大，則會使初噴混凝土在達到凝結之前就被復噴的混凝土覆蓋，這樣會產生很大的回彈。

(6)現場的操作人員應以具體噴射部位為依據，對實際的噴射速度與混凝土中速凝劑實際摻量予以嚴格控制。一般情況下，邊墻處混凝土噴射按照18～20 m3/h的速率控制，混凝土中速凝劑的摻加量需控制在3%～5%以內；拱部混凝土噴射按照15 m3/h左右的速率控制，其混凝土中速凝劑的摻加量需按照7%控制。

(7)噴射時混凝土供料必須保持連續，如果噴射時發生停機，將導致噴頭處被混凝土堵塞，不僅清理十分困難，而且還會延長作業時間。

(8)在混凝土噴射完成后，盡快將機械手移至作業區域以外，并嚴格按照相關規程對機械手進行維護與保養。

2.4 質量控制

(1)因濕噴分層進行，且混凝土有良好附著性，所以濕噴完成的平整度與密實度均良好，可達到預期噴射效果。經實踐可得，在濕噴中嚴格按照動大臂、移小臂原則進行操作，通過兩者協調旋轉，由操作人員嚴格控制小臂的實際行程速度，能使移動噴射從點到線，再從線到面，最終使噴射后的混凝土達到平整。

(2)對于噴射用混凝土，其強度從前期配合比設計階段就開始著手控制。混凝土噴射時，機械手利用混凝土泵將混凝土輸送至噴頭，然后在機械手自帶的計量輸送裝置作用下，對速凝劑予以精確的添加，確保各部位實際噴射的混凝土能和速凝劑之間良好結合，最終保證強度。混凝土厚度通過預埋鋼筋和分層噴射來保證，以使噴射的混凝土將鋼筋覆蓋為準進行操作和控制。

(3)因機械手的噴頭與大小臂都能自由轉動，所以噴頭和噴射面間距與角度都能始終處在最佳范圍；另外，機械手配有空壓機，可提供最大0.75 MPa的風壓，由電動機進行驅動，可提供獨立形式的供風系統，在施工中能使風壓始終保持穩定；機械手還配有計量輸送裝置，能對速凝劑的摻加予以精確的控制，使實際摻量達到最佳；此外加之操作人員正確操作，能將噴射時的回彈率降至最低。

根據現場實際情況，通過實際用量和回彈量之間的對比，經計算可得拱部回彈率不超過10%，邊墻回彈率不超過5%，遠低于相關驗收標準提出的要求，能極大的減少資源浪費，從而降低工程造價。

(4)采用機械水噴射混凝土的過程中，現場作業人員可以站在已經完成初支的地方，通過遙控裝置控制機械手的噴頭，能從根本上保證施工安全。在機械臂的支持下，能伸縮至子掌子面實施混凝土噴射，而機械手本體則停留在安全的地方，即便掌子面突然產生塌方，也不會給機械手造成破壞。

根據現場實際情況，噴射時現場粉塵濃度在2 mg/m3以內，工作面及作業區的空氣情況均良好，基本沒有粉塵存在，實現了對作業環境的有效改善。

3 存在問題與建議

3.1 問題

(1)機械手造價昂貴，且需要整套采購，很多零配件現在都沒有實現國產化，使維修養護方面的成本也很高。

(2)濕噴對速凝劑有著很高的質量要求，但國內速凝劑質量不夠穩定，經常導致產生較大的回彈或一次性噴射厚度不足等，而使用進口的速凝劑會使成本增加。

(3)機械手的結構比較復雜，對操作與維護保養人員都有一定要求。

3.2 建議

(1)盡快使機械手及其配件實現國產化，這也是未來的一個重要課題。

(2)對混凝土配合比予以持續優化，通過嚴格篩選和比較，選擇有良好性能的國產速凝劑。

(3)加強對操作人員及維護保養人員的技術培訓，提高他們的技術水平，以適應機械手施工要求。

4 結 語

綜上所述，在該隧道工程施工中通過對濕噴機械手的引入，不僅保證了濕噴混凝土施工質量，而且還減少成本、提高效率、減少環境污染。因此，在隧道工程建設中，尤其是在長大隧道工程中，借助機械手進行濕噴作業，能從根本上解決粉塵、回彈和厚度等方面的問題，通過對濕噴機械手的不斷推廣，能提高隧道濕噴作業技術水平。