濕噴混凝土施工技術(shù)在鐵路隧道工程中的應(yīng)用

摘要：通過對(duì)石屋山隧道工程現(xiàn)有概況的闡述，得出適用于該工程的濕噴混凝土施工技術(shù)方法，即對(duì)該隧道的濕噴法施工機(jī)具、材料選用、施工要點(diǎn)、注意事項(xiàng)、勞力組織和施工效果進(jìn)行了詳細(xì)闡述，通過分析濕噴試驗(yàn)的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效果，認(rèn)為濕噴技術(shù)有著干噴技術(shù)不可替代的優(yōu)勢，具有施工機(jī)械化程度高、工作效率高、回彈量少、作業(yè)環(huán)境好、綠色環(huán)保、混凝土強(qiáng)度大、經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益顯著等諸多優(yōu)點(diǎn)。為今后相關(guān)的工程項(xiàng)目提供借鑒。

關(guān)鍵詞：鐵路隧道；濕噴混凝土；施工技術(shù)

中圖分類號(hào)：U455.4 """""""" 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A" """""""" 文章編號(hào)：

Application of Wet Shotcrete Construction Technology in Railway Tunnel Engineering

Abstract：Through the description of the current situation of Shiwushan tunnel project，the wet shotcrete construction technology and method suitable for the project are obtained，that is，the construction machinery， material selection，construction points，precautions，labor organization and construction effect of the wet shotcrete construction method of the tunnel are elaborated，it is considered that wet spraying technology has the irreplaceable advantages of dry spraying technology，and has many advantages such as high degree of construction mechanization，high working efficiency，less rebound，good working environment，green environmental protection，high concrete strength， significant economic and social benefits.It provides reference for the future related engineering projects.

Keywords： railway tunnel;wet shotcrete;construction technology

0 引言

隧道工程作為一種特殊的工程類型，對(duì)于材料和技術(shù)的要求都較高。其中混凝土濕噴技術(shù)是一種被廣泛應(yīng)用的隧道建設(shè)技術(shù)，它不僅可以提高隧道工程施工效率，同時(shí)還可以提高工程質(zhì)量。本文將圍繞混凝土濕噴技術(shù)在隧道工程中的應(yīng)用進(jìn)行詳細(xì)研究。

1 工程概況

石屋山隧道的中段DK20+777.5 m，入口段DK20+180 m，出口段DK21+375 m，全長1 195 m，包括700 m的Ⅳ級(jí)和495 m的Ⅴ級(jí)。全隧道除了進(jìn)隧道DK20+180～DK20+198和出隧道DK21+357～DK21+375為明洞外，其他隧道全部為地下開挖，并配有組合襯砌。該隧道從入口進(jìn)洞，單向掘進(jìn)，方向由小里程向大里程，入口使用偏壓式洞門，出口使用偏壓式明洞和單壓式洞門。

隧道為雙線隧道，最大埋深87 m，線路縱坡為4.6‰/1 195 m的單面坡。其中505.027 m隧道在入口端的直線上，689.973 m隧道在出口端的R=4 500 m左側(cè)曲線上。設(shè)計(jì)運(yùn)行速度200 km/h（基礎(chǔ)設(shè)施運(yùn)行速度250 km/h），線距4.6 m。隧道斷面見圖1。

2 機(jī)具設(shè)備、原材料選擇

為了防止噴射層變形后侵入二次襯砌的凈空，開挖時(shí)即加大預(yù)留變形量，采取了不均衡預(yù)留變形量技術(shù)。上臺(tái)階開挖時(shí)，每個(gè)周期的支護(hù)量不能超過V等級(jí)的1個(gè)鋼框架之間的距離，而IV等級(jí)的巖石不能超過2個(gè)框架之間的距離。每個(gè)周期的側(cè)壁支護(hù)進(jìn)尺不超過2個(gè)鋼框架的間距。仰拱開挖前，需先進(jìn)行鋼框架鎖足（錨管）錨固，單循環(huán)掘進(jìn)進(jìn)尺不超過3 m。

2.1 機(jī)具設(shè)備

在進(jìn)行濕噴混凝土施工時(shí)，主要使用的機(jī)械設(shè)備有：2臺(tái)強(qiáng)制式攪拌機(jī)、1臺(tái)ZIAOB裝載機(jī)、1臺(tái)濕噴機(jī)、2臺(tái)混凝土運(yùn)輸車輛（濕噴混凝土從攪拌站運(yùn)出至隧道現(xiàn)場）。當(dāng)腔體旋轉(zhuǎn)時(shí)，9個(gè)活塞圍繞著凸輪進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)，將水泥源源不斷地注入到攪拌室中，混入壓縮空氣，流入傳輸管，形成稀薄流，再與噴孔出口計(jì)量泵送來的液態(tài)加速劑進(jìn)行混合，最終形成一個(gè)料束，噴射到受噴表面。濕式噴射的主要特征為：流動(dòng)性好；在傳輸管線上進(jìn)行延伸，可以進(jìn)行首次噴射作業(yè)；噴嘴可以與機(jī)械手相連，重新噴淋全斷面；該裝置具有簡易構(gòu)造、易于清洗、保養(yǎng)的特征；本機(jī)對(duì)骨料級(jí)配，坍落度等有較高的要求，且施工簡便[1]。

2.2 原材料的選擇

根據(jù)噴漿混凝土的特性要求，選擇了以下幾種原材料。

1） 水泥材料為425號(hào)普通硅酸鹽水泥。

2） 砂粒選用當(dāng)?shù)睾由埃綖?.5 mm，粒徑為中等，砂顆粒級(jí)配見表1。所用的石料均為在碎石場過篩后的石料，碎石粒徑級(jí)配見表2。

3） 外加劑由以下物質(zhì)組成：①減水劑：由于對(duì)坍落度指標(biāo)有一定需求，所以在噴射混凝土過程中會(huì)出現(xiàn)大水灰比。當(dāng)水泥與混凝土結(jié)合時(shí)，剩余水分將會(huì)被蒸發(fā)，從而造成噴射混凝土的干燥開裂，導(dǎo)致噴射混凝土的承載能力下降。在相同的坍落度下，摻入茶基超塑化劑的混凝土的減水率超過12%。減水劑的加入量可由試驗(yàn)確定，一般在0.4%～1.0%之間。②速凝劑：在噴射混凝土技術(shù)中，當(dāng)混凝土束與噴射面結(jié)合時(shí)，一定要快速固化。一方面，其能夠阻止混凝土材料的堆積，并使其呈現(xiàn)出塊狀脫落，構(gòu)成一個(gè)墊層，降低回彈，增加噴射層的厚度。另一方面混凝土必須快速硬化，達(dá)到一定的強(qiáng)度后才能起到支撐作用。在濕法噴霧中，通常使用液體速凝劑[2]。

在濕式噴射機(jī)身上設(shè)有一個(gè)流量可調(diào)的定量泵和一個(gè)速凝劑儲(chǔ)罐。定量泵將從儲(chǔ)罐中導(dǎo)入的速凝劑，通過橡皮管輸送到噴嘴中，利用噴嘴中的壓縮氣體將速凝劑霧化，然后與物料一同輸送到被噴涂物表面，通過與物料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而迅速凝固。

通過試驗(yàn)，得出該速凝劑的初凝時(shí)間在1 min～4 min之間，終凝時(shí)間為2 min～10 min。其后期強(qiáng)度保持在90%以上。速凝劑的用量≤5%。液體速凝劑是堿性的。在進(jìn)行噴射混凝土施工時(shí)，做好個(gè)人保護(hù)工作，在噴射混凝土施工初期，會(huì)有一股刺鼻的味道，使施工人員的鼻腔和口腔粘膜感到不適，需15 min才能適應(yīng)。

4） 混凝土拌合料的和易性是一個(gè)綜合的技術(shù)特性，反映了混合料的流動(dòng)性、黏結(jié)性、持水性等特性，直接影響到噴射混凝土的施工和質(zhì)量。混凝土拌合物的和易性是用混凝土的坍落度來表示的。濕式噴射機(jī)的適用范圍為3 cm～20 cm，后盤混合料之塌落度在8cm至16cm之間。由于在攪拌過程中加入了減水劑，因此（每隔十幾分鐘，甚至超過30 min）將物料輸送到濕噴機(jī)的上料盤上，盡管會(huì)延遲，坍落度會(huì)減小3 cm～8 cm，但是物料仍然可以順利地從濕噴機(jī)中噴出。

3 濕噴混凝土施工技術(shù)

在標(biāo)段范圍內(nèi)，施工單位采用C25級(jí)細(xì)石混凝土進(jìn)行施工。為降低回彈、提高施工質(zhì)量，對(duì)噴射混凝土進(jìn)行了機(jī)械濕式噴漿，并進(jìn)行了手工濕式噴漿試驗(yàn)。混凝土按照設(shè)計(jì)配比進(jìn)行稱量，砂石料用強(qiáng)力拌合機(jī)拌合均勻后進(jìn)行拌合。濕噴工藝流程圖見圖2。

在噴射混凝土之前，首先要清除表面，堅(jiān)硬的表面要用高壓水槍清洗，柔軟的表面要用高壓風(fēng)把上面的塵土吹掉，對(duì)于松散的小塊石頭，要人工打掉，對(duì)于超長的桿體要進(jìn)行切割，保證受噴面的清潔平整。

分層噴漿時(shí)，應(yīng)在上一層混凝土終凝后，再安排下一層噴漿。噴嘴應(yīng)與被噴表面垂直，當(dāng)被噴表面覆蓋有格柵或鋼筋網(wǎng)時(shí)，應(yīng)適當(dāng)傾斜，但不應(yīng)低于70°。噴槍做連續(xù)的圓周運(yùn)動(dòng)，呈螺旋形，后一次比前一次高出1/3。射流由上而下，形成一個(gè)“S”型的軌跡。

噴砼表面應(yīng)平整，無空鼓、開裂現(xiàn)象，表面平整度允許偏差在50 mm以內(nèi)，噴漿混凝土回彈量：邊墻不能超過15%，拱部不能超過25%。

在軟巖、淋水地段，為了確保洞體穩(wěn)定，噴射作業(yè)緊跟開挖作業(yè)面，混凝土終凝到下一循環(huán)爆破作業(yè)時(shí)間≥3h[3]。

3.1？混凝土攪拌和運(yùn)輸

在拌和過程中，應(yīng)遵循“砂→碎石→水泥→水”的順序，添加 SG粘度劑后，攪拌30 s，再添加DEL穩(wěn)定劑，連續(xù)攪拌2 min～4 min。現(xiàn)場測試結(jié)果顯示，固化劑摻量在2 min之內(nèi)是不均勻的。超過4 min，膠凝材料的性能就會(huì)發(fā)生變化，對(duì)混合料的質(zhì)量產(chǎn)生一定影響。

在運(yùn)輸過程中，經(jīng)常需要轉(zhuǎn)動(dòng)罐體，以防止混凝土進(jìn)入初凝狀態(tài)。加入穩(wěn)定劑后，如果在2h內(nèi)澆筑混凝土，就不需要重新攪拌，否則會(huì)使穩(wěn)定劑失去效果。

在拌合站取樣，將其置于運(yùn)輸車上。如因機(jī)械原因?qū)е禄炷翢o法及時(shí)噴漿，則應(yīng)檢驗(yàn)試樣，并確保其坍落度為14 cm～18 cm，如果樣品不能用，罐中的水泥也就不能用了。

3.2 施工準(zhǔn)備

1） 速凝劑：在濕法噴霧中，使用液體速凝劑，選用初凝時(shí)間不超過6 min、凝結(jié)時(shí)間不超過10 min的速凝劑。

2） 現(xiàn)場試驗(yàn)：在正式噴注之前，通過原位噴注試驗(yàn)，確定其實(shí)際初、終凝時(shí)間，并通過試樣制備和強(qiáng)度測試，篩選出最佳配合比，并對(duì)施工過程進(jìn)行驗(yàn)證。

3） 濕噴前用高壓水或高壓風(fēng)清洗巖面，射流口距巖面1 m左右，射流垂直于巖面，自下而上，以螺旋形沿橫向往復(fù)運(yùn)動(dòng)，一圈壓半圈。在噴射的巖石面上埋入鋼筋頭，利用預(yù)埋的鋼筋頭來控制并檢測噴漿厚度，如有漏漿，應(yīng)立即進(jìn)行補(bǔ)漿。噴漿砼在終凝2h后即開始噴水養(yǎng)護(hù)，一般為7 d以上。做好安全工作，防止意外發(fā)生。

4）混凝土和易性的控制：因?yàn)闈駠姍C(jī)對(duì)混凝土的坍落度有8 cm～15 cm的要求，因此，在攪拌過程中，混凝土中需添加減水劑，使得出倉的坍落度高達(dá)18 cm，運(yùn)送到現(xiàn)場后，坍落度損失在3 cm～8 cm之間，這樣才能確保混凝土的坍落度符合噴射需要，并能順利噴出。

5）添加凝固劑：在濕噴設(shè)備上安裝一個(gè)可調(diào)流速的計(jì)量泵。計(jì)量泵將來自儲(chǔ)罐的速凝劑通過橡皮管送入噴嘴，利用噴嘴內(nèi)部的壓縮空氣將速凝劑霧化，并與物料混合，隨著物料一同噴射在被噴涂物上，通過與物料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)而迅速固化。

3.3 混凝土噴射工藝

在進(jìn)行噴射前，先對(duì)巖石表面進(jìn)行高壓風(fēng)水沖洗。沖刷時(shí)，自下而上，自上而下，一直到兩側(cè)墻底為止。試驗(yàn)結(jié)果表明，經(jīng)過清潔和濕潤處理過的巖石表面與混凝土具有較好的黏結(jié)性[4]。

為防止回彈材料對(duì)已經(jīng)沖洗過的巖石表面造成污染，影響噴射質(zhì)量，在施工過程中應(yīng)先從最底部進(jìn)行自下而上噴射。

噴頭與被噴表面的間距：噴頭距巖石表面0.8 m～1.2 m較為合適。因設(shè)備的工作壓力較大，需2人作業(yè)，或使用簡單的托架。風(fēng)壓：濕式噴漿機(jī)要求的工作氣壓為0.2 MPa～0.5 MPa，系統(tǒng)的氣壓為0.5 MPa以上，風(fēng)量為9 m？/min，若沒有得到很好的控制，就會(huì)引起回彈。通過對(duì)噴管工作氣壓的測試，確定最優(yōu)穩(wěn)定工作氣壓，從而獲得最好的噴嘴效果。噴射角度：噴頭應(yīng)與噴淋表面垂直，噴淋表面被網(wǎng)格或鋼筋網(wǎng)覆蓋，可略有傾斜，但不得小于70°。若噴嘴與噴漿面夾角太小，則會(huì)引起混凝土物料的翻卷，形成波浪狀噴面，使回彈量增加，對(duì)噴漿質(zhì)量產(chǎn)生不利影響。噴嘴運(yùn)動(dòng)方式：噴嘴連續(xù)旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生螺旋運(yùn)動(dòng)，后一輪與第一輪1/3重疊。射流軌跡從上往下，呈“S”形。噴層設(shè)計(jì)厚度gt;20cm，分2次～3次進(jìn)行噴射。

在進(jìn)行噴射混凝土施工時(shí)，要依據(jù)不同的圍巖類型和不同的水文地質(zhì)條件，選擇合適的初始噴射層厚度。初始噴射層的厚度太薄，粗集料間的黏結(jié)力不強(qiáng)，回彈大；初始噴射層厚度過厚，由于混凝土的自重作用而超出了它的內(nèi)聚力，或者由于混凝土與巖石表面的黏附力過大而導(dǎo)致初始噴射層的下落，亦或出現(xiàn)空洞。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)及現(xiàn)場實(shí)際情況，確定初期噴層厚度為4-5cm，并于第一次噴淋10-15min后，連續(xù)噴涂至設(shè)計(jì)要求的厚度。

3.4 特殊條件下的噴射技術(shù)

在掛鋼網(wǎng)的區(qū)域，噴出后的混凝土表面有時(shí)會(huì)出現(xiàn)波紋，而當(dāng)噴嘴與巖石表面垂直噴出時(shí)，可以保證混凝土的均勻分布，防止出現(xiàn)波紋。

在設(shè)置了全圓形鋼拱的場地，由于巖體破碎，所以在施工過程中必須進(jìn)行噴射混凝土作業(yè)。噴漿應(yīng)先填充巖面孔洞的空隙和裂縫。噴頭成直線狀沿拱架從拱底向拱頂移動(dòng)，注意不能轉(zhuǎn)動(dòng)噴頭。在鋼拱和周圍巖石間的縫隙處，應(yīng)采用噴射混凝土進(jìn)行填充，然后用噴砂混凝土對(duì)鋼拱進(jìn)行包覆，形成整體受力系統(tǒng)。

混凝土掉落部位的補(bǔ)噴，必須在10 min～15 min后再澆注，如果立刻澆注，只會(huì)造成更大的塌落。在噴灑過程中，噴嘴不能轉(zhuǎn)動(dòng)，否則會(huì)產(chǎn)生凸起。

3.5 施工中應(yīng)注意的事項(xiàng)

1） 在施工過程中，必須加強(qiáng)對(duì)原材料的檢驗(yàn)，并對(duì)攪拌質(zhì)量進(jìn)行控制，避免影響混凝土的攪拌質(zhì)量和噴涂效果。

2） 在噴注前，要用漿液對(duì)輸送泵及輸送管進(jìn)行潤滑，噴注完畢后，用清水將管道中的殘?jiān)鼪_洗掉。

3） 噴射工長應(yīng)注意積累不同地質(zhì)條件下濕噴混凝土施工經(jīng)驗(yàn)，持續(xù)提升操作技能和技術(shù)水平； 噴射工長還應(yīng)注意施工位置，做好施工防護(hù)，避免出現(xiàn)混凝土倒灌，威脅人員安全。

4 結(jié)語

在鐵路隧道建設(shè)中，濕噴機(jī)器人得到了廣泛的使用，它可以為實(shí)現(xiàn)機(jī)械化施工方式提供重要的支撐，對(duì)確保施工的安全性、質(zhì)量和減少員工的工作壓力都有很大幫助。要使?jié)袷絿娡繖C(jī)器人的使用優(yōu)勢得到最大程度的發(fā)揮，就需要不斷地探索，掌握其技術(shù)要點(diǎn)，對(duì)其進(jìn)行科學(xué)操作。文章對(duì)濕噴式混凝土機(jī)械臂在施工過程中的一些關(guān)鍵問題進(jìn)行了討論，以期對(duì)相關(guān)人員有一定借鑒作用。

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