謝江勝 廖太昌 賈林鵬 申運濤

（中鐵二十局集團有限公司 陜西西安 710016）

1 工程概況

新建蒙西至華中地區(qū)鐵路煤運通道線路全長1 814.41 km，從南至北跨越內(nèi)蒙古、陜西、山西、河南、湖北、湖南、江西等七個省級行政區(qū)［1］。

蒙華鐵路MHTJ-7標段位于陜西省延安市，正線全長為35.688 km，本標段隧道總長31.863 km，占標段線路長度的89.28%。隧道長度及數(shù)量見表1。

表1 蒙華鐵路MHTJ-7標段隧道統(tǒng)計

2 噴射混凝土施工設(shè)備選型基本要求

（1）安全可靠：結(jié)構(gòu)設(shè)計合理，安全度高。

（2）噴射混凝土質(zhì)量好：速凝劑和混凝土高效混合，回彈率低。

（3）適用范圍廣：適應(yīng)不同路況及不同斷面噴射作業(yè)［2-3］。

（4）經(jīng)濟環(huán)保：日常維修費用低、設(shè)備損壞率低、污染小。

（5）施工效率高：宜采用噴射量不小于15 m3/h濕噴機械手。

本項目累計使用噴射混凝土機械手25臺，其中鐵建重工HPS3016S型混凝土噴射機械手（臺車）15臺、成都巖峰TKJ-15型混凝土噴射機械手（機組）10臺。

3 噴射混凝土原材料及配合比

3.1 噴射混凝土原材料

水泥、細骨料、粗骨料、速凝劑、減水劑、拌和用水等原材料要符合現(xiàn)行規(guī)范要求。

3.2 噴射混凝土配合比

3.2.1 設(shè)計參數(shù)基本要求

（1）噴射混凝土設(shè)計強度等級為C25，1 d強度不小于10 MPa；

（2）坍落度設(shè)計為100～120 mm；

（3）水膠比不大于0.50；

（4）膠凝材料用量不小于 400 kg/m3；

（5）減水劑摻量0.5%～1.0%；

（6）速凝劑摻量4%～5%；

（7）砂子細度模數(shù)2.6～3.2，砂率45%～60%；

（8）粗骨料最大公稱粒徑5～10 mm，連續(xù)級配；

（9）粗灰比宜為 1∶4～1∶5。

3.2.2 其他注意事項

除考慮上述基本參數(shù)以外，還需考慮濕噴臺車的各項性能指標，混凝土坍落度、骨料最大粒徑對不同型號機械手噴射的混凝土效果不同。因此，根據(jù)本工程具體情況，采用HPS3016S型（鐵建重工）、TKJ-15型（成都巖峰）噴射機械手，分別設(shè)計了兩組不同參數(shù)的混凝土配合比（C25）進行隧道初支噴射試驗［9-10］，見表2～表 3。

表2 隧道噴射混凝土理論配合比選定（HPS3016S型）

表3 隧道噴射混凝土理論配合比選定（TKJ-15型）

4 機械手噴射混凝土施工工藝

為了保證機械手操作空間，將上臺階高度調(diào)整為4 m。對于臺階預(yù)留的核心土，在噴射混凝土前進行挖除或局部修整，以確保機械手有足夠正常作業(yè)空間。機械手噴射工藝流程［11］見圖1。

圖1 濕噴混凝土機械手噴射工藝流程

4.1 施工準備

（1）復(fù)核開挖斷面：檢查開挖斷面凈空尺寸是否滿足設(shè)計要求。

（2）設(shè)置厚度控制標：埋設(shè)控制噴混凝土厚度的標志（見圖2），現(xiàn)場利用設(shè)計的定位鋼筋頭作為控制噴射混凝土厚度的標志。

圖2 埋設(shè)噴射混凝土厚度標志

（3）平整場地：采用挖機對初支仰拱臨時回填面進行平整，確保混凝土噴射臺車在穩(wěn)定、平整的場地上完成支腿工作。

（4）通風(fēng)及照明：保證作業(yè)區(qū)內(nèi)具有良好通風(fēng)和照明條件。

（5）電源接入：機械手使用外界接入電源為380 V，并檢查相關(guān)設(shè)備及接入的電力線路。

（6）設(shè)備調(diào)試：檢查設(shè)備電力線路、液壓、氣壓系統(tǒng)等正常后，啟動設(shè)備。先少量打入速凝劑試噴，確認液體速凝劑管路暢通。

（7）噴射基面處理：采用機械手高壓風(fēng)沖洗受噴面上的浮塵、巖屑。如果受噴面有小股水或裂隙滲漏水，采用土工布包裹φ90盲管引排至排水溝；如有大量積水時采用積水坑集中匯水后用潛水泵排至排水溝；如開挖面有大量滲水應(yīng)在施工前進行超前注漿堵水處理。

（8）環(huán)境溫度保證：現(xiàn)場保證噴射混凝土作業(yè)的環(huán)境溫度不得低于5℃，必要時采用暖風(fēng)機或搭設(shè)暖棚進行保溫。

4.2 機械手噴射混凝土作業(yè)

圖3 混凝土噴射作業(yè)

（1）初噴

沿隧道開挖斷面從一側(cè)拱腳開始噴射經(jīng)過拱部直至另一側(cè)拱腳結(jié)束（見圖3）。邊墻首次噴射時噴射厚度應(yīng)控制在10～15 cm，拱部首次噴射應(yīng)控制在5～10 cm。待混凝土初凝后再自下而上進行復(fù)噴。仰拱在噴射時應(yīng)先噴射中間再噴射兩邊，中間噴射厚度應(yīng)大于兩邊厚度。

（2）復(fù)噴

邊墻復(fù)噴時在第一次初噴基礎(chǔ)上直接噴射至設(shè)計厚度。拱部每次噴射厚度應(yīng)控制在4～5 cm，每次噴射間隔5～10 min，這樣可以大量減少回彈量。噴射過程中噴嘴與受噴面間距宜為1.0～1.5 m，噴嘴噴射過程中連續(xù)、緩慢做橫向或環(huán)向移動。若受噴面被鋼架、鋼筋網(wǎng)遮擋時，根據(jù)具體情況變換噴嘴的噴射角度和與受噴面的距離，將鋼架、鋼筋網(wǎng)背后噴填密實。

在噴邊墻下部（臺階法施工上半斷面拱腳）及仰拱時，需將上半斷面噴射時的回彈物清理干凈，防止將回彈物卷入下部噴層中形成“蜂窩”，造成初支混凝土強度降低。

噴射過程中如遇到受噴面有裂隙滲漏水時，應(yīng)先噴射無水處再逐漸噴射覆蓋至有滲水處。在噴射滲水處時速凝劑使用量可在標準摻量的基礎(chǔ)上增加0.5%～2.0%的用量，總的摻量不得超過水泥用量的6.0%。

（3）混凝土的養(yǎng)護

噴射混凝土后應(yīng)立即進行潮濕性養(yǎng)護，一般養(yǎng)護不少于14 d或養(yǎng)護至隧道二襯混凝土施工。噴射混凝土作業(yè)的環(huán)境溫度不得低于5℃。

4.3 異常情況處理措施

（1）超挖過大處理

當出現(xiàn)局部超挖（≤50 cm）時應(yīng)在噴射過程中分層布設(shè)鋼筋網(wǎng)片分層噴射混凝土回填；當出現(xiàn)局部超挖（＞50 cm）時應(yīng)埋設(shè)注漿管，待噴射混凝土達到10 MPa后及時注漿填充或C20泵送混凝土填充。

（2）常見設(shè)備故障

常見的設(shè)備故障有高壓油管爆裂、噴頭爆裂及堵管等，可通過及時更換備用易損件快速處理，施工作業(yè)前應(yīng)加強檢查。出現(xiàn)堵管的主要原因有混凝土坍落度偏小、原材料中混入了其它粒徑的石料、噴射待料時間間隔過長（大于40 min）、設(shè)備出現(xiàn)故障等。

出現(xiàn)混凝土堵管時應(yīng)通過目測和敲擊檢查確定堵管部位。一般情況下四臂處的軟管和底盤處軟管容易堵塞，根據(jù)檢查結(jié)果快速處理。

應(yīng)在出廠前和到達施工現(xiàn)場后分別檢查混凝土坍落度，不滿足規(guī)定嚴禁出廠。當現(xiàn)場實測坍落度小于規(guī)定要求時，現(xiàn)場試驗人員可通過配置好的減水劑調(diào)整坍落度。

5 質(zhì)量檢測

5.1 噴射混凝土厚度檢測

施工過程中隨時采集斷面數(shù)據(jù)，通過噴射混凝土前及噴射混凝土結(jié)束后掃描斷面對比以及鉆芯取樣檢測噴射厚度（見圖4）。噴混凝土的厚度應(yīng)符合以下規(guī)定：平均厚度大于設(shè)計厚度；檢查點數(shù)的80%及以上大于設(shè)計厚度；最小厚度不小于設(shè)計厚度的2/3。

圖4 現(xiàn)場初支取芯檢查

5.2 噴射混凝土密實度檢測

初支噴射混凝土背后與圍巖之間存在空洞時會導(dǎo)致圍巖松弛致使支護結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎曲應(yīng)力，從而損傷支護結(jié)構(gòu)的功能，降低其承載力，極大地影響隧道的安全使用。由于初支內(nèi)部和背后從表面觀察難以發(fā)現(xiàn)問題，在現(xiàn)場實踐中采用方便快捷的地質(zhì)雷達連續(xù)檢測法和效果直觀的局部鉆芯取樣法對初支噴射混凝土進行密實度缺陷檢測，隨時掌握初支噴射混凝土質(zhì)量，以便施工過程中隨時調(diào)整施工參數(shù)、采取處理措施及時改進施工質(zhì)量（見圖5）。

5.3 噴射混凝土強度檢測

采用射釘法檢測噴射混凝土1 d（24 h）抗壓強度（見圖6），檢測方法為每一作業(yè)循環(huán)或每工班檢測一次，每次應(yīng)檢測3個測區(qū)。

圖5 初支斷面地質(zhì)雷達掃描檢測

圖6 射釘法檢測1 d強度

6 濕噴機械手與小型噴射設(shè)備綜合分析

6.1 混凝土噴射機械手優(yōu)點

（1）作業(yè)效率大幅提高

濕噴機械手設(shè)備功能齊全，無需外接高壓風(fēng)，減少了施工準備時間。噴射作業(yè)實現(xiàn)了大功率機械化，噴射速度快，大大節(jié)省施工時間，加快了施工速度。以拱部為例，小型濕噴機作業(yè)時間需8.5 h，機械手作業(yè)時間為2.5 h，機械手工效為小型濕噴機的3.4倍。

（2）作業(yè)環(huán)境明顯改善

濕噴機械手作業(yè)過程中可達到對混凝土和速凝劑流量及頻率的同步程序控制，在實現(xiàn)對速凝劑精確添加、保證速凝劑最優(yōu)摻量的同時，有效降低了因煙塵和速凝劑揮發(fā)而造成的空氣污染。采用機械手濕噴工藝，作業(yè)人員可站在距噴射面約10 m以外的安全位置，通過操作“遙控器”來控制噴射臂手進行噴砼作業(yè)。與小型濕噴機需人工手持噴槍短距離噴射方式相比，作業(yè)環(huán)境有很大改善，更環(huán)保、更利于作業(yè)人員職業(yè)健康。

（3）實體質(zhì)量更加穩(wěn)定

普通濕噴機添加速凝劑為人工操作方式，誤差相對較大，同時常規(guī)小型濕噴機需采用人工手持噴槍近距離噴射（約1.2～1.5 m），回彈石子、作業(yè)粉塵、圍巖軟弱破碎部位的掉塊風(fēng)險及上下作業(yè)臺架不便等都會對手持噴槍工人產(chǎn)生影響，造成噴射距離、角度不能嚴格執(zhí)行標準而帶來噴射砼質(zhì)量不穩(wěn)定。

濕噴機械手配備液態(tài)添加劑自動計量輸送裝置，能夠精確地添加速凝劑，能自動對混凝土和速凝劑流量同步控制，保證速凝劑的最優(yōu)摻量；機械手噴砼可以保證噴射角度、距離，再加上機械手噴射的流量穩(wěn)定、速度均勻，并能實現(xiàn)現(xiàn)場連續(xù)濕噴，濕噴混凝土表面平整度較好，初期支護混凝土強度高、整體性強、密實度好；濕噴混凝土機械手的大臂和小臂通過油缸行程，在噴射機組不移動的情況下，噴射高度可達16 m，噴射寬度可達28 m，具有較高的方便快捷性，可以噴射到人工無法噴射的死角部位。

（4）作業(yè)安全性更高

普通濕噴機進行施工時，作業(yè)人員需在尚未進行支護的圍巖下面進行作業(yè)，人員作業(yè)安全難以保證。采用機械手施工，濕噴機械手處于已經(jīng)完成初期支護的位置，操控作業(yè)人員可在遠離支護作業(yè)面（10 m左右）對濕噴機臂手進行遙控操作，避免了掌子面塌方對作業(yè)人員和機械設(shè)備的安全威脅，作業(yè)安全性大大提高。

6.2 混凝土噴射機械手不足之處

（1）一次性投入設(shè)備購置費用較高。

（2）設(shè)備電壓穩(wěn)定性要求較高（通過現(xiàn)場調(diào)查，設(shè)備接入電壓低于360 V時設(shè)備將無法啟動；接入電壓低于400 V時，設(shè)備工作狀態(tài)不穩(wěn)定）。

（3）設(shè)備體積較大，需占用較大作業(yè)空間。

（4）設(shè)備高度智能化，需要配備專業(yè)的操作和檢修人員（經(jīng)過統(tǒng)計，專業(yè)人員達到熟練操作需要90 d）。

6.3 設(shè)備經(jīng)濟性分析

由表4可知［12］，HPS3016S型與 GWSP-9型濕噴機相比，1 m3噴射混凝土綜合費用節(jié)省約25.4元。

表4 設(shè)備經(jīng)濟性分析（1 m3噴射混凝土）

7 結(jié)論

全標段共采用了25臺機械手經(jīng)過兩年的濕噴工藝施工表明，與小型噴射機相比，作業(yè)效率提高3倍以上，噴射混凝土332 155.42 m3，節(jié)約成本約843.7萬元。經(jīng)實體質(zhì)量檢測全部達到設(shè)計要求，噴射混凝土產(chǎn)生的粉塵含量大大減少，作業(yè)環(huán)境明顯改善，作業(yè)人員職業(yè)健康得到保障；操控人員可遠離支護面作業(yè)，安全性大大提高。