隧道工程施工中湿喷机械手应用技术要点

王慧敏

（中铁十七局集团第五工程有限公司，山西 太原 030032）

0 引言

我国目前中西部地区铁路大规模建设，因为高原地形因素，长、大隧道在新建铁路中频繁出现，为克服高原隧道缺氧环境，推广机械化快速安全施工，同时对隧道的初期支护提出更高要求。目前隧道初支干喷技术已经严禁使用，全面采用湿喷工艺。湿喷工艺通常有2种：一种采用普通卧式湿喷机；一种采用大型湿喷机械手。在当金山隧道2#斜井工区使用机械手，具有施工效率更快、稳定性更强、施工周期较短以及混凝土喷射范围更广等多方面优势，目前机械手在各大隧道工程项目建设施工中应用非常普遍，并且取得了良好的施工效果，提高了隧道工程项目整体施工进度和质量。

1 工程概况

当金山隧道位于甘肃省阿克塞县境内，北侧为阿克塞盆地，南侧为柴达木盆地，其中南侧属于高原地区，常年干燥少雨，风力强盛，地表岩石裸露，植被稀少，缺氧严重。中铁十七局集团有限公司敦格项目经理部二分部负责2#斜井工区施工，施工驻地位于当金山南侧，海拔3300m。主要施工内容为2#斜井XK0+000～XK2+624，长度2624m；平行导坑PDK202+618～PDK207+500，长度4882m；正洞DK202+618～DK209+293段，长度6675m；2#竖井442m。施工中全部采用湿喷机械手进行初期支护，通过2015年10个月的施工，在初期支护施工质量、施工效率、回弹量等方面效果明显，大大加快了施工速度。

2 湿喷机械手工艺设备选择和材料制备

2.1 湿喷机械手设备选型

在本次当金山隧道2#斜井工区的施工过程中，初期湿喷过程中采用的是小型湿喷机械设备进行混凝土喷射施工，但是在实际施工中发现，这种小型的湿喷机设备对周围的环境影响相对较大、工作人员的工作强度较高，同时工作人员容易缺氧，外加剂材料的使用量控制不精确，湿喷工作进度比较缓慢，无法满足本次隧道工程项目施工要求。随后工程施工单位引进湖南五新湿喷机械手（CHP20B车载式混凝土喷浆车），最高的混凝土喷射速率可以达到25m³/h，这种机械手主要是由混凝土泵、喷射臂、液压系统、空气-水-添加系统、空压机、高压清洗水泵、电缆盘以及底盘等多个部分构成，如图1。

图1 湿喷机械手

2.2 混凝土配合比

喷射混凝土配合比和混凝土的实际喷射速度、回弹率、混凝土材料的初喷厚度大小之间有着直接的关联。基于标准的设计工作强度，对水灰比进行有效设计和优化，在配合比设计时，需要将重点放在混凝土材料的和易性以及速凝剂材料的选择方面，需要保证混凝土材料的坍落度控制在9cm～13cm之间，同时要保证具有更高的粘聚性效果，将混凝土的回弹率大小控制在15%范围之内，当金山隧道2#斜井工区喷射混凝土的配合比见表1。

表1 高原当金山隧道机械手喷射混凝土配合比

湿喷混凝土施工过程中，所使用的原材料主要包含水、泥沙、碎石以及水泥，本次项目工程施工中，水泥选用的是42.5水泥，在正式开始使用之前需要有效做好强度实验工作。砂材料细度模数需要超过2.5以上，碎石材料选用的是质地比较坚硬的，同时颗粒直径不超过15mm进行压制，要保证材料的级配符合混凝土的喷射施工要求和标准，需要对混凝土原材料的喷射施工质量进行有效控制，有效降低混凝土材料的基础回弹量，同时避免大量粉尘对其产生严重的影响。但是因为喷射混凝土的施工工艺特点，对不同的混凝土喷射部位以及喷射环境条件都有要求，需要对混凝土原材料的配比参数进行适当地调整，以此使混凝土材料符合实际施工条件。

2.3 速凝剂添加

在隧道工程项目正式开始施工之前，需要在湿喷混凝土材料中加入一定量的速凝剂，然后再使用机械手将材料均匀地喷射到隧道工程项目的内表面，以此来有效提高对隧道表面的保护效果。湿喷混凝土施工原理和普通的混凝土施工原理存在很大的差异性，其不但具有施工效率更快、稳定性更强以及成本更低等多方面施工优势，同时还可以省略一些复杂的模板支设工作环节，喷射完成之后材料的密实程度更强、稳定性更高[1-2]。

3 机械手湿喷工艺流程

3.1 前期准备工作

在混凝土湿喷工作正式开始之前，相关施工人员需要有效检查岩体表面的湿润程度，需要保证喷射面部存在严重的开裂以及材料破损等情况，然后才能进行后续的混凝土湿喷工作。如果混凝土材料表面出现比较严重的破损问题，必须要对表面进行彻底清理，需要保证岩体表面的废渣和浮石完全被清理之后，才可以充分保证混凝土材料和被喷射的岩体结构表面形成更强更稳定的粘接[3-4]。

3.2 湿喷工艺流程作业要点

湿喷机械手在喷射施工过程中需要保证混凝土材料颗粒直径不超过1cm，同时混凝土材料的坍落度需要控制在9cm～13cm范围之内。在混凝土喷射工作中，需要有效控制工作风压外接工作，风压需要控制在0.4～0.6MPa之间，与此同时，在工作过程中风压大小与实际混凝土材料的和易性有着直接的关联，混凝土材料的和易性越高则所需要的工作风压强度越小。在混凝土喷射施工之前，需要保证在机械手达到作业区域之后，通过使用自带的高压风对岩体表面进行充分清理，通过清理受喷表面的浮渣、碎石，有效保证混凝土喷射完成之后和岩体结构表面充分粘接，以此来全面提高混凝土材料的附着效果。在混凝土喷射施工过程中，要求机械手操作人员必须要具有足够的工作经验保证整个操作更加娴熟，要保证机械手的喷头和岩体表面之间形成垂直状态。

喷射过程中的距离控制在0.8m～1.2m范围之内，混凝土喷射施工过程中需要保证分层分段由下而上进行喷射，先进行第1次喷射厚度大小为3cm～5cm，然后再进行第2次喷射。直到达到标准的混凝土喷射施工厚度。相关操作人员需要根据不同的喷射位置，合理调整混凝土的喷射速率以及速凝剂的使用量，边墙位置喷射混凝土速率控制在18m3/h～20m3/h，拱部位置混凝土喷射速率为15m3/h，边墙喷射混凝土速凝剂的实际掺入量范围在3%～5%之间，巩固混凝土喷射速凝剂的实际掺入量为7%。混凝土的供应需要保证连续不间断，如果在混凝土喷射工作中经常产生停机问题，很容易出现喷头位置产生堵管情况，后续的清理工作比较困难，会直接影响到整个作业效率，混凝土喷射完成之后需要对机械手进行及时清理，同时要有效做好外部保养处理工作。湿喷机械手工作原理见图2。

图2 湿喷机械手工作原理

在对本次隧道工程项目内部混凝土喷射过程中，要求成型之后的混凝土厚度范围控制在5cm以上，并且需要分为两次进行喷射。首次喷射工作结束之后，需要对被喷射面部位进行彻底冲洗，然后再进行后续的二次喷射施工作业。其次，必须要有效控制喷射工作过程中的分体压力、水体压力以及混凝土的实际回弹量大小，喷射完成之后需要经过2h以上的终凝时间，然后对其进行有效养护处理，养护工作时间需要达到7d以上。如果在混凝土喷射过程中，被喷射边结构的表面存在比较严重的凹凸不平问题，或者是不符合风压和水压的工作要求，必须要对其进行及时补充喷射，如果需要开挖已经完成喷射的混凝土，需要将实际开挖工作时间控制在喷射工作结束后4h左右[5]。

4 湿喷机械手施工质量控制要点

4.1 喷射混凝土平整度控制

因为湿喷混凝土施工过程中，采用的是分层喷射施工方法，混凝土自身的附着效果相对较强，混凝土喷射完成之后表面的平整程度以及材料的密实程度可以得到有效保证，达到混凝土表面充分平顺，同时密实程度符合施工标准。通过实践工作分析得出，湿喷机械手在使用过程中，通过动大臂与小臂的操作方法，需要有效做到大小臂相互之间的协调旋转，同时还需要有效控制小臂的位移速度，有效保证混凝土材料喷射的平整程度。湿喷机械手现场作业见图3。

图3 湿喷机械手现场作业

4.2 混凝土强度与厚度

在混凝土喷射工作过程中，喷射混凝土的强度需要从材料的配比设计、水灰比控制以及速凝剂的选择等方面着手，有效保证混凝土的使用质量。在混凝土喷射工作过程中，喷射机械手需要通过混凝土泵以及外加剂添加设备，将预先制备完成之后的混凝土在喷头位置进行速凝剂的准确添加，保证不同位置混凝土喷射速度和速凝工作时间相符合，有效提高喷射完成之后混凝土的成型强度和稳定性。通过现场的验证，保证混凝土的抗压强度达到标准的设计工作要求，在混凝土喷射工作过程中，可以通过采取现场预埋钢筋头分层喷射方法，保证混凝土的喷射使用厚度。混凝土喷射结束之后需要进行后续的养护处理工作，在实际养护工作中需要满足以下要求：（1）需要保证混凝土喷射凝固2h之后，通过使用养护台架对表面进行充分湿润处理，并且实际养护工作时间不能小于14d。（2）当隧道工程项目内部的气温低于15℃的情况下，禁止进行喷水养护处理。

5 结束语

综上所述，在本次项目工程施工过程中，工程施工单位通过采用湿喷机械手进行混凝土喷射，在整体的施工效率、施工质量以及成型之后的稳定性等方面都得到了全面提升，有效控制不必要的施工原材料浪费问题，整体的施工经济效益和社会效益相对较高，因此该项技术在后续的发展过程中，将会得到更加广泛的应用，从而推动我国铁路交通事业不断朝着更高目标和方向发展。