■林兆新

（寧德沈海復(fù)線雙福高速公路有限責(zé)任公司，寧德 352000）

0 引言

噴射混凝土施工是高速公路隧道初期支護(hù)的主要施工工藝，噴射混凝土施工又分為干噴和濕噴兩種工藝。干噴因施工質(zhì)量差、回彈率高、粉塵多，嚴(yán)重危害施工人員身體健康，近年來已基本被淘汰，目前的噴射混凝土施工主要是采用普通小型濕噴機(jī)進(jìn)行濕噴作業(yè)，但其施工時(shí)粉塵仍然遠(yuǎn)超規(guī)范標(biāo)準(zhǔn)，回彈率也很高，噴射質(zhì)量較差，因此濕噴機(jī)械手以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)應(yīng)運(yùn)而生。本文通過工程實(shí)例分析濕噴機(jī)械手的優(yōu)缺點(diǎn)，建議改進(jìn)設(shè)備并推廣應(yīng)用。

1 濕噴機(jī)械手工作原理及工藝流程

1.1 濕噴機(jī)械手工作原理

大型噴射混凝土機(jī)械手工作原理[1]是利用壓縮空氣將按設(shè)計(jì)配合比拌制的噴射混凝土沿著機(jī)械臂輸送至噴頭處，同時(shí)通過電腦控制摻量添加液體速凝劑與之混合，再用壓縮空氣高速噴射到隧道巖面上，形成初期支護(hù)層，如圖1。

1.2 濕噴機(jī)械手工藝流程

整個(gè)濕噴機(jī)械手的工藝流程包括：施工準(zhǔn)備（配合比設(shè)計(jì)、噴射混凝土拌制運(yùn)輸、受噴面處理、機(jī)械手就位）、正式噴射施工（上料、添加速凝劑、操作噴射巖面）、質(zhì)量檢查（補(bǔ)噴）、結(jié)束（清洗保養(yǎng)），流程圖如圖2。

2 濕噴機(jī)械手的工程實(shí)際應(yīng)用

2.1 工程概況

圖1 大型噴射混凝土機(jī)械手工作基本原理

圖2 大型噴射混凝土機(jī)械手濕噴工藝流程

沈海復(fù)線福安至蕉城漳灣段高速公路起于福建省寧德福安市康厝鄉(xiāng)，終于寧德蕉城區(qū)漳灣鎮(zhèn)，路線全長32.31km，橋隧比45.6，采用設(shè)計(jì)時(shí)速80km/h，雙向四車道的高速公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)。高山隧道是項(xiàng)目控制性工程，位于福安市溪潭鄉(xiāng)，屬于低山丘陵地貌，地表植被較發(fā)育，地形起伏變化較大，自然坡體的坡度約20～45°，局部達(dá)60°。洞口側(cè)自然坡體坡度10～20°，圍巖以強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖為主，最大埋深為485m，深部圍巖為微風(fēng)化凝灰熔巖。隧道采用分離式雙洞型式布置，屬特長隧道，左洞4526m，右洞 4540m。

2.2 高山隧道濕噴機(jī)械手施工

2.2.1 機(jī)械設(shè)備的選擇

項(xiàng)目選用HPS3016S型混凝土噴射臺(tái)車，該設(shè)備理論噴射能力為30m3/h，噴射骨料最大粒徑為15mm，混凝土出口壓力為8bar，噴射最大高度17.5m，噴射寬度31.4m。該設(shè)備具有操作簡單，性能穩(wěn)定，噴射效果較好等優(yōu)點(diǎn)。

2.2.2 噴射混凝土配合比設(shè)計(jì)

（1）設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)強(qiáng)度為C25；設(shè)計(jì)塌落度為100±20mm。

（2）確定基準(zhǔn)配合比

通過混凝土配合比計(jì)算并試拌開展噴射試驗(yàn)，經(jīng)多次調(diào)整摻量，最終確定基準(zhǔn)配合比如表1。

表1 噴射混凝土基準(zhǔn)配合比

（3）確定試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)配合比

按基準(zhǔn)配合比進(jìn)行拌制，現(xiàn)場(chǎng)混凝土坍落度為105mm，混凝土粘聚性良好，拌合物性能符合施工要求。開展不同水膠比試驗(yàn)驗(yàn)證，基準(zhǔn)配合比水膠比為0.39，另外兩個(gè)水膠比分別增減0.03，砂率分別為βs=50%、βs=51%、βs=52%；用水量 W=182kg，分別稱料，試拌 40L，各材料用量如表2，試驗(yàn)結(jié)果如表3。

試驗(yàn)表明所選的配合比能滿足設(shè)計(jì)及施工要求，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，選定A組為試驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)配合比。

2.2.3 濕噴機(jī)械手現(xiàn)場(chǎng)施工

（1）材料準(zhǔn)備

噴射混凝土按配合比由拌合站集中拌制并利用混凝土罐車運(yùn)輸至施工現(xiàn)場(chǎng)；液體速凝劑運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)。

表2 三組驗(yàn)證試驗(yàn)材料用量

表3 三組混凝土各項(xiàng)性能指標(biāo)和強(qiáng)度

（2）人員準(zhǔn)備

1名操作手（兼司機(jī)）和2名輔工。其中操作手經(jīng)設(shè)備廠家專業(yè)培訓(xùn)，具備一定操作經(jīng)驗(yàn)及熟練程度；2名輔工分別負(fù)責(zé)攪拌車下料和篩網(wǎng)上石子的清除工作，防止大粒徑骨料進(jìn)入輸送泵堵塞管路，后者同時(shí)負(fù)責(zé)觀察整機(jī)的工作情況，隨時(shí)與操作手溝通。

（3）環(huán)境準(zhǔn)備

Ⅲ級(jí)圍巖；濕噴機(jī)械手到位并使用正常；工作風(fēng)壓0.3MPa左右；隧道巖面清理完成；局部超挖預(yù)埋鋼筋網(wǎng)片完成。

（4）噴射施工

噴射順序采取先邊墻后拱部，從下到上，以S曲線進(jìn)行移動(dòng)噴射。噴頭按要求與受噴面保持垂直，并距離巖面0.8～1.2m，如圖3。初次噴射完成間隔5～10min后進(jìn)行第二次噴射。如此重復(fù)噴射，直至厚度滿足設(shè)計(jì)要求。

圖3 噴射施工

2.2.4 濕噴機(jī)械手施工成效

（1）生產(chǎn)率

受工人操作及其他現(xiàn)場(chǎng)因素影響，濕噴機(jī)械手實(shí)際最高噴射能力約為27m3/h，平均噴射能力約為20m3/h。

（2）回彈率

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，平均混凝土回彈率為9.20%（見表4），其中理論混凝土用量是根據(jù)激光斷面儀測(cè)量施工前后斷面尺寸計(jì)算所得。

表4 機(jī)械手施工回彈實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)

圖4 施工效果

（3）噴射混凝土施工質(zhì)量

噴射混凝土外觀輪廓圓順，表面平整，噴射混凝土均勻密實(shí)，無干斑或流滑現(xiàn)象，表面未見滲水，如圖4。經(jīng)檢測(cè)，噴射混凝土24h強(qiáng)度均滿足設(shè)計(jì)及規(guī)范要求，平均達(dá)到12.3MPa。

（4）費(fèi)用對(duì)比

高山隧道C25噴射混凝土綜合單價(jià)為395.71元/m3，在濕噴機(jī)械手投入使用時(shí)，高山隧道剩余噴射混凝土設(shè)計(jì)量約5000m3，工期6個(gè)月。如表5所示，使用濕噴機(jī)械手比使用小型濕噴機(jī) （以HBTS15-6-22S泵送式濕噴機(jī)為例）費(fèi)用節(jié)省約37.44元/m3。

表5 濕噴機(jī)械手與普通小型濕噴機(jī)費(fèi)用對(duì)比表

3 濕噴機(jī)械手噴射施工注意事項(xiàng)

（1）噴射材料質(zhì)量控制

優(yōu)化配合比，混凝土最大粒徑不超過15mm，坍落度控制在100mm左右，同時(shí)所選擇的速凝劑要求質(zhì)量穩(wěn)定可靠，水膠比和速凝劑摻量也要嚴(yán)格控制，確?；炷翉?qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求。

（2）施工作業(yè)面清理

噴射前應(yīng)先對(duì)施工巖面進(jìn)行清理 （軟巖采用機(jī)械手自帶高壓風(fēng)吹洗、硬巖可采用水洗），清除巖面上的粉塵、碎石，保證巖面清潔，以提高噴射混凝土與巖面的附著力和黏結(jié)強(qiáng)度。

（3）穩(wěn)定工作環(huán)境

確保機(jī)械手工作風(fēng)壓穩(wěn)定，混凝土供應(yīng)連續(xù)，避免出現(xiàn)因噴射中斷造成噴頭處堵管，堵管清理困難且耗時(shí)，影響施工進(jìn)度。

（4）人員培訓(xùn)及技術(shù)交底

要求操作手具有一定操作經(jīng)驗(yàn)和熟練程度，能夠有效控制單次噴射厚度和噴射范圍。操作員應(yīng)充分掌握“動(dòng)大臂、移小臂”的操作要點(diǎn)，通過大小臂之間的協(xié)調(diào)，掌控小臂移動(dòng)速度，確保噴射點(diǎn)的移動(dòng)由點(diǎn)到線再到面，保證噴射混凝土的平整度[2]。同時(shí)按照噴射部位的不同需及時(shí)調(diào)整噴射速率和速凝劑摻量，邊墻噴射速率為18～20m3/h，速凝劑摻量為3%～5%，拱部噴射速率為15m3/h，速凝劑摻量為7%。

（5）分層噴射及厚度控制

一次初噴周期完成后，需間隙5～10min后方可復(fù)噴，同時(shí)通過預(yù)埋鋼筋以及分層噴射來保證噴射混凝土厚度。

4 濕噴機(jī)械手優(yōu)缺點(diǎn)

4.1 對(duì)比優(yōu)勢(shì)

與傳統(tǒng)的濕噴工藝相比，濕噴機(jī)械手施工具有生產(chǎn)率高、回彈率低、人員配置少、污染小、費(fèi)用低、施工質(zhì)量好、操作簡單等優(yōu)點(diǎn)。

（1）生產(chǎn)率高

1臺(tái)傳統(tǒng)的小型濕噴機(jī)實(shí)際噴射混凝土量一般不超過6m3/h[3]，而一臺(tái)大型濕噴機(jī)械手（以HPS3016S濕噴機(jī)械手為例）理論噴射能力可達(dá)30m3/h，實(shí)際噴射能力也可達(dá)到27m3/h，生產(chǎn)效率是小型濕噴機(jī)4～5倍。

（2）回彈率低

傳統(tǒng)的泵送式濕噴機(jī)噴射混凝土回彈率平均達(dá)到25%，而大型濕噴機(jī)械手噴射混凝土回彈率可控制在10%以內(nèi)（本項(xiàng)目平均9.20%），大大降低材料損耗。

（3）人員配置少

1臺(tái)傳統(tǒng)的泵送式濕噴機(jī)需配備5名作業(yè)人員 （混凝土上料人員1人，速凝劑添加人員1人，噴槍操作人員1人，輔助人員2人），2個(gè)洞口正常需配備3臺(tái)濕噴機(jī)才能滿足施工要求，共需作業(yè)人員15人，而使用機(jī)械手噴射時(shí)僅需要3～4名作業(yè)人員（操作手1人，輔助工2人，修理工1人）即可完成整個(gè)噴射混凝土施工任務(wù)，其中修理工可由具備維修保養(yǎng)能力的操作手或輔助工兼任。

（4）污染較小

傳統(tǒng)的泵送式濕噴機(jī)作業(yè)工作環(huán)境極差，粉塵濃度普遍在40mg/m3以上，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于2mg/m3的規(guī)定標(biāo)準(zhǔn)。而濕噴機(jī)械手作業(yè)時(shí)粉塵很少，噪音也小，操作手在駕駛室進(jìn)行遙控操作，其他人員可站在噴射臺(tái)車后面，由于機(jī)械臂較長，人員所處位置距噴射面較遠(yuǎn)，工作環(huán)境較為舒適，同時(shí)通過佩戴面罩等防塵裝置，可進(jìn)一步降低對(duì)作業(yè)人員身體健康的影響。

（5）費(fèi)用較低

在同等條件下，HPS3016S濕噴機(jī)械手噴射施工平均使用費(fèi)用為589.16元/m3，傳統(tǒng)的HBTS15-6-22S泵送式濕噴機(jī)平均使用費(fèi)用為626.60元/m3，每噴射1m3混凝土可節(jié)省費(fèi)用約37.44元，高山隧道5000m3噴射混凝土，使用濕噴機(jī)械手合計(jì)可節(jié)省18.72萬元。沈海復(fù)線福安至蕉城漳灣段全線10座隧道，噴射混凝土設(shè)計(jì)量約8.4萬方，在不考慮其他因素的情況下，如若均采用濕噴機(jī)械手施工，僅在噴射混凝土施工方面合計(jì)可節(jié)省約300萬元。

（6）操作簡單，質(zhì)量好

精準(zhǔn)的速凝劑跟隨系統(tǒng)和自動(dòng)噴射功能，無需人工時(shí)時(shí)操作，鍵盤操作更是簡單方便。同時(shí)濕噴作業(yè)由于水灰比人為影響小，易于控制，可極大改善噴射混凝土的質(zhì)量，使噴射混凝土均勻性好、強(qiáng)度高。

4.2 對(duì)比劣勢(shì)

與傳統(tǒng)濕噴機(jī)相比，濕噴機(jī)械手具有很大優(yōu)勢(shì)，但同時(shí)也存在很明顯的不足，如設(shè)備售價(jià)高、維修成本高、不夠靈活等。

（1）濕噴機(jī)械手售價(jià)高，如項(xiàng)目選用HPS3016S型混凝土噴射臺(tái)車售價(jià)達(dá)300萬元，而且設(shè)備零配件國產(chǎn)化程度低，很多要從國外進(jìn)口，修理成本較高，周期較長。普通小型濕噴機(jī)售價(jià)僅20余萬元，設(shè)備維修方便。

（2）濕噴機(jī)械手結(jié)構(gòu)較復(fù)雜且較為精細(xì)，要求操作手具有一定的專業(yè)技術(shù)水平，維修保養(yǎng)人員需經(jīng)專業(yè)培訓(xùn)，且設(shè)備需經(jīng)常性檢查清潔保養(yǎng)。

（3）設(shè)備尺寸較大，靈活性較差。HPS3016S型混凝土噴射臺(tái)車整機(jī)尺寸 11234×2500×3200（mm），而高山隧道人行橫洞設(shè)計(jì)開挖斷面尺寸僅2700×4000（mm），難以靈活展開施工。

（4）因濕噴機(jī)械手設(shè)備故障維修周期長、局部洞室無法使用，導(dǎo)致施工方必須另外配套普通濕噴機(jī)，以補(bǔ)充使用，人員設(shè)備費(fèi)用將相應(yīng)增加。

5 結(jié)束語

近年來，全國工程領(lǐng)域都在推行標(biāo)準(zhǔn)化及機(jī)械化施工，2017年福建省高速公路施工標(biāo)準(zhǔn)化管理提出了再提升要求，在此背景下，本項(xiàng)目先后投入了8臺(tái)濕噴機(jī)械手用于全線長隧道初期支護(hù)施工，取得了良好效果。隨著務(wù)工人員工費(fèi)不斷上漲和施工機(jī)械化要求的不斷提高，以及濕噴機(jī)械手設(shè)備的進(jìn)一步改進(jìn)優(yōu)化，適用性和實(shí)用性不斷增強(qiáng)，憑借其能提高初期支護(hù)施工質(zhì)量、提高施工效率、降低施工成本、改善施工環(huán)境等優(yōu)勢(shì)，濕噴機(jī)械手不僅在隧道等地下工程領(lǐng)域具有廣闊的發(fā)展前景，在基坑施工、邊坡防護(hù)等方面也可廣泛應(yīng)用。

[1]劉生華.新型混凝土噴射機(jī)械手在隧道工程中的應(yīng)用[J].建筑機(jī)械技術(shù)與管理，2011（02）：86-89.

[2]王俊，琚元元，周洋.混凝土濕噴機(jī)械手在長大隧道中的應(yīng)用[J].建設(shè)科技，2015（15）：181-182.

[3]陳大琪.混凝土噴射機(jī)械手的應(yīng)用及構(gòu)思[J].中國水運(yùn)，2014（07）：181-182.