楊偉華

(中鐵二十二局集團(tuán)第五工程有限公司,重慶 400700)

近年來(lái),我國(guó)工程建設(shè)行業(yè)的迅猛發(fā)展,濕噴法逐漸取代干噴法,在公路、鐵路隧道施工中得到較為廣泛應(yīng)用,伴隨著機(jī)械化程度的日益成熟,濕噴機(jī)械手也被應(yīng)用在越來(lái)越多的工程建設(shè)當(dāng)中取得了良好的效益。如某鐵路工程[1]引進(jìn)鐵建重工HPS3016S 型混凝土濕噴臺(tái)車,整機(jī)機(jī)動(dòng)性好、自動(dòng)化程度高、臂架噴射范圍大、性能穩(wěn)定、操作簡(jiǎn)單。田克昭[2]以CIFA CSS-3 型型混凝土濕噴機(jī)械手為例提出了機(jī)械手操作的噴射角度、噴射距離、噴射順序以及機(jī)械手噴頭的移動(dòng)均對(duì)噴射效果造成一定影響,明確了機(jī)械手的噴頭與受噴面之間的最佳保持距離為1.0～1.5m。曾磊[3]通過(guò)對(duì)一年中氣溫差異較大的夏冬兩季水泥成份含量變化的檢測(cè)與分析結(jié)合速凝劑與水泥的作用機(jī)理,研究了液體速凝劑在水泥成份含量變化后對(duì)凝結(jié)時(shí)間的影響。卜小龍[4]在鷓鴣山隧道通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)研究引用了增粘速凝劑,結(jié)果表明,增粘速凝劑相對(duì)于目前市場(chǎng)通用的速凝劑,其摻量更低,反應(yīng)速度更快,使用范圍更廣泛,可使混凝土與圍巖的粘結(jié)更強(qiáng)。肖軍等人[5]在已有室內(nèi)基準(zhǔn)配合比上進(jìn)行深入研究,在某隧道現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)濕噴混凝土試驗(yàn)試驗(yàn),得到了現(xiàn)場(chǎng)濕噴混凝土配比參數(shù)建議值。趙華鋒[6]針對(duì)PM500PC 型機(jī)械手噴射所作業(yè)參數(shù),混凝土坍落度等進(jìn)行了設(shè)計(jì)。

國(guó)內(nèi)在整裝機(jī)械化、機(jī)械手噴射工藝、噴射混凝土用速凝劑的研究和工程實(shí)踐已取得了一定的成果和經(jīng)驗(yàn)。但仍然存在濕噴機(jī)械手在富水、材料性能、機(jī)械手作業(yè)方法等復(fù)雜條件的影響下回彈率過(guò)大的問(wèn)題。降低濕噴機(jī)械手回彈率,有效保障作業(yè)人員職業(yè)健康,提升生產(chǎn)效率,降低施工成本,仍然是濕噴機(jī)械手應(yīng)用需要繼續(xù)解決的問(wèn)題之一。本文以銀西高鐵大斷面黃土弱富水隧道的工程實(shí)踐,應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試方法,重點(diǎn)以濕噴機(jī)械手“一次噴射厚度”的這一影響因素為研究對(duì)象,分析不同部位及工序環(huán)節(jié)的一次噴射厚度對(duì)濕噴回彈率的變化規(guī)律,以期為同類工程提供參考。

1 工程概況

上閣村隧道位于甘肅省慶陽(yáng)市寧縣境內(nèi),是銀西高鐵的控制性工程之一,西安端進(jìn)口位于黃家溝左岸斜坡,銀川端出口下穿焦村鄉(xiāng),位于街上村黃土塬頂。起訖里程:DK207+517.55～DK214+300,全長(zhǎng)6782.45m,隧道拱部、洞身呈軟塑狀態(tài)黏質(zhì)黃土,圍巖穩(wěn)定性差。

按照新奧法原理進(jìn)行設(shè)計(jì),采用復(fù)合式襯砌,Ⅴe 復(fù)合式襯砌,初期支護(hù)采用I25a 型鋼鋼架,間距0.6m/榀,網(wǎng)噴C25混凝土,厚度35cm。

2 濕噴機(jī)械手基準(zhǔn)工藝參數(shù)選取

2.1 機(jī)械配置

選用1 臺(tái)鐵建重工集團(tuán)研制的HPS3016S 車載式混凝土濕噴機(jī)械手。該設(shè)備采用的是四輪驅(qū)動(dòng)、四輪轉(zhuǎn)向系統(tǒng),總質(zhì)量19.5T,最大爬坡度不大于58%,最高車速20Km/h,方便工地調(diào)配,濕噴機(jī)械手設(shè)備參數(shù)如表1。

表1 鐵建HPS3016S 型設(shè)備參數(shù)

2.2 人員配置

濕噴機(jī)械手配備操作手1 人,加裝速凝劑工人1 人,安裝管及掌子面清理普工2 人。

2.3 濕噴機(jī)械手作業(yè)參數(shù)

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況,考慮本隧道機(jī)械手回彈率多因素影響研究,擬定采用濕噴機(jī)械手施工作業(yè)參數(shù):

2.3.1 濕噴機(jī)械手工作適宜的水膠比為0.4～0.5,砂率55%,坍落度100～130mm。

2.3.2 噴射角度采用垂直噴射方法,噴射順序?yàn)榉制⒎侄巫韵露?先找平坑凹處,之后將噴頭呈螺旋形或S 形緩慢均勻移動(dòng),每圈要壓半圈,旋轉(zhuǎn)直徑＜30cm,噴嘴噴射過(guò)程中連續(xù)、緩慢做橫向或環(huán)向移動(dòng)。

保水劑稱高吸水劑、超強(qiáng)吸水樹脂(superabsorbent polymer，SAP)，是一種能夠吸收自身原來(lái)尺寸和重量數(shù)倍水分的化合物。保水劑吸水后形成的水凝膠可緩慢釋放水分供作物利用，同時(shí)又能增強(qiáng)土壤保水性，改良土壤結(jié)構(gòu)，影響土壤理化性質(zhì)、作物根系生長(zhǎng)發(fā)育等，進(jìn)而影響水分和溶質(zhì)在土壤中的運(yùn)移規(guī)律和作物生理機(jī)能，提高化肥的利用率（見圖1、圖2、圖3）。

2.3.3 噴頭和受噴面之間的距離設(shè)定0.8～1.2m 之間。環(huán)向分片4～6m 一段,分片寬度1～1.2m,邊墻首次噴射厚度應(yīng)控制在10～15cm,拱部首次噴射應(yīng)控制在5～10cm,復(fù)噴時(shí)拱部噴射厚度4～5cm,每次噴射間隔5～10min[7]。

2.3.4 工作風(fēng)壓設(shè)定在0.2～0.4 MPa,噴射過(guò)程中,邊墻噴射混凝土速率一般為10～20m3/h,拱部噴射混凝土速率約為10m3/h。

3 回彈率測(cè)定方法

傳統(tǒng)回彈率檢測(cè)方法是采用在現(xiàn)場(chǎng)鋪墊塑料收集噴射混凝土,以收集的回彈物質(zhì)量除以噴出總質(zhì)量計(jì)算回彈率,受場(chǎng)地、收集方法等不確定因素影響較大。考慮濕噴料配比中主要骨料為5～10mm 瓜米石,因此由此單一因素進(jìn)行計(jì)算回彈率,遵循如下公式[8]進(jìn)行計(jì)算:

式中,K- 混凝土濕噴回彈率,%；q- 罐車出料口取定量樣品篩洗碎石烘干質(zhì)量百分比；q1- 噴砼面已粘結(jié)料取相同定量樣品篩洗碎石烘干質(zhì)量百分比；q2- 回彈料中取相同定量樣品篩洗碎石烘干質(zhì)量百分比。

3.1 測(cè)試用具

3.1.1 量程為50Kg 電子秤1 臺(tái)。

3.1.2 篩網(wǎng):網(wǎng)孔一般采用4.75mm 篩孔,無(wú)破裂、無(wú)松弛。

3.1.3 取樣袋若干,以裝3Kg 樣品重量為宜。

3.2 測(cè)定方法

3.2.1 從罐車出料口取攪拌好的濕噴混凝土樣本3 份,每份重2Kg,稱重求樣本平均值,記作Q。然后用篩網(wǎng)立即篩洗去掉全部細(xì)骨料及膠凝材料,篩分后骨料烘干測(cè)定粗骨料重量,然后求三次稱重平均值,記作Q'。

在回彈料中取試樣3 份,每份重約2Kg；在噴砼面已粘結(jié)料取樣3 份,每份約重2Kg；同樣方法以公式(2)測(cè)出q1、q2。

3.2.3 用公式(1)計(jì)算回彈率K。

需要注意取樣要有代表性,取料位置應(yīng)均勻分布?；貜椢镏腥×蠒r(shí),盡量選取回彈料偏多的部位,以免摻入過(guò)多雜物影響計(jì)算誤差；噴砼面已粘結(jié)料中取樣時(shí),位置應(yīng)分散,不宜過(guò)于集中；罐車出料口取料時(shí)應(yīng)在混凝土漿體比穩(wěn)定時(shí)取樣。

4 噴射厚度回彈率影響規(guī)律分析

機(jī)械手進(jìn)行混凝土噴射作業(yè)時(shí),按照先邊墻,后拱腳,再拱頂?shù)捻樞?分層分段進(jìn)行,過(guò)程中,要控制好各層厚度,保證其均勻性。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)噴射厚度薄則容易產(chǎn)生回彈量較大[9],噴射厚度較厚則易出現(xiàn)成片滑落或流淌,而且因前后分層噴射時(shí)間長(zhǎng)短的影響,噴射混凝土質(zhì)量常常不穩(wěn)定,噴射回彈量不易控制。為此,考慮拱部、邊墻的初噴、復(fù)噴工作程序,并針對(duì)噴射厚度2cm、3cm、5cm、6cm、8cm、10cm 六種工況條件,同時(shí)結(jié)合前后兩層噴射間隔時(shí)間按5min、8min、10min 時(shí)程條件對(duì)噴射混凝土回彈率進(jìn)行實(shí)測(cè)分析。

由表2 結(jié)果分析可知,拱部初噴過(guò)程中不同層厚表現(xiàn)噴射混凝土回彈率不同,且呈現(xiàn)出越薄或者約厚均出現(xiàn)回彈率較大的情況,且隨著厚度增加噴射混泥土回彈率降低,但增加到一定程度就會(huì)出現(xiàn)回彈率逐漸增大的情形,分析為在最初的階段,混凝土的回彈率是最高的,隨著受噴面的厚度達(dá)到3cm 后,混凝土的回彈率逐漸降低,說(shuō)明:噴射時(shí),連續(xù)的噴射混凝土在射速穩(wěn)定條件下對(duì)反彈物有二次嵌入的作用,可以降低回彈率。但是隨著一次噴射厚度增加,骨料粘結(jié)作用因堆積和擾動(dòng)作用,實(shí)粘體不足以承擔(dān)后噴混凝土重力而出現(xiàn)混凝土滑落、流淌,導(dǎo)致噴射混凝土落物增大。

表2 拱部初噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

另一方面,前后兩層噴射間隔時(shí)間也對(duì)噴射回彈量影響較大,一般情況下隨著間隔時(shí)間增大而噴射回彈率增加,這是由于隨著時(shí)間推移,前一層混凝土硬化粘結(jié)效果越來(lái)越明顯,從而后層混凝土在噴射時(shí)的反彈作用大,噴射骨料堆噴嵌入作用下降,而引起回彈量增加。

通過(guò)對(duì)表2 數(shù)據(jù)分析得到:拱部初噴適宜的每次噴層厚度5～6cm,前后兩層噴射間隔時(shí)間宜控制5min。

由表3 結(jié)果分析可知,拱部復(fù)噴時(shí),隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,拱部復(fù)噴適宜的每次噴層厚度2～5cm。前后兩層噴射間隔時(shí)間宜控制5～8min。

表3 拱部復(fù)噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

由表4 結(jié)果分析可知,邊墻初噴時(shí),隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,邊墻初噴適宜的每次噴層厚度4～6cm。前后兩層噴射間隔時(shí)間宜控制在5min。

表4 邊墻初噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

由表5 結(jié)果分析可知,邊墻復(fù)噴時(shí),也會(huì)隨著一次噴射厚度增加,噴射混凝土回彈率K 增加,邊墻復(fù)噴適宜的每次噴層厚度4～5cm。前后兩層噴射間隔時(shí)間宜控制在5min。

5 結(jié)論

5.1 通過(guò)對(duì)比表2～表5 分析可知,隧道分拱部及邊墻兩部分,噴射過(guò)程中,初噴時(shí)回彈率＞復(fù)噴回彈率＞邊墻回彈率,這是由于拱部為曲面,實(shí)粘體不足以承擔(dān)后噴混凝土重力而出現(xiàn)混凝土滑落、流淌,導(dǎo)致噴射混凝土落物增大。

表5 邊墻復(fù)噴不同厚度工況下噴射混凝土回彈率

5.2 當(dāng)初噴噴層厚度5～6cm 時(shí),噴射砼受風(fēng)壓、堆噴作用,連續(xù)的噴射混凝土在射速穩(wěn)定條件下對(duì)反彈物有二次嵌入的作用,可以降低回彈率,但厚度進(jìn)一步增加后噴射混凝土回彈量反而增加。因此,如果在噴射過(guò)程中出現(xiàn)混凝土滑落或流淌時(shí),一次噴射厚度已達(dá)到上限,此時(shí)已經(jīng)不能再對(duì)同一地方噴射,轉(zhuǎn)換下一段進(jìn)行噴射,應(yīng)等混凝土初凝后在回過(guò)來(lái)復(fù)噴,復(fù)噴應(yīng)按照2～5cm 為宜分層噴射并直至設(shè)計(jì)厚度。

5.3 噴射作業(yè)環(huán)向分片宜4～6m 一段,寬度宜1～1.2m。噴射作業(yè)應(yīng)避免一次過(guò)薄回彈量大或一次過(guò)厚下墜流淌,邊墻初噴時(shí)一次噴射厚度應(yīng)控制在4～6cm,拱部初噴時(shí)一次噴射厚度應(yīng)控制在5～6cm,復(fù)噴時(shí)拱部噴射厚度4～5cm,每次噴射間隔5～8min。