机械手湿喷技术在高天隧道中的应用

混凝土干喷工艺作业环境差、劳动强度大、质量控制水平低，材料消耗高、生产效率低。与目前的社会经济发展水平极不适应，湿喷工艺克服干喷工艺的缺点，使喷射作业实现集中搅拌(搅拌站)与自动计量、机械化运输与上料，使喷射作业向前迈进了一大步。而湿喷机的选择又是实施湿式喷射混凝土工艺的关键，随着机械化程度的不断提高，选择喷射速度快、机械化程度高、回弹率低的大型喷射混凝土机械手已成为公路和铁路的隧道施工的主流工艺，也使喷射作业进入现代工业化时代。

本文就高天隧道采用大型喷射混凝土机械手湿喷工艺施工技术成功应用进行介绍。
1 工程概况
高天隧道是贵广铁路重点控制工程之一，为双线隧道，全长7.4k m，位于贵州省凯里从江县，进口里程D2K266+310，出口里程D2K273+720,该隧道进口段位于平曲线R =9k m右偏曲线上，出口段位于平曲线R =12km左偏曲线上，其他位于直线上。初期支护为锚喷支护，复合式衬砌。隧道位于中低山侵蚀地貌区，地形起伏大，沟壑纵横，河流、道路蜿蜒曲折，冲沟发育。进口段多呈“V”型谷，地势陡峭，出口属低山缓坡地貌。测区地面标高350～750m，相对高差100～300m，自然坡度一般20～50°。坡顶、坡面普遍覆盖坡残积土层，植被发育较好，多开垦为旱地、良田，呈现出层层梯田的壮美景观，部分地带树木茂密。在沟谷、河谷坡脚多见基岩出露，山脊上局部见有基岩露头。隧道出口地形较缓，未见基岩出露；进口地形较陡，有基岩露头。
2 设备选型
T K J-15系列混凝土喷射机组(又称机械手、车载式湿喷机)是实现隧道机械化施工的关键设备。机组与混凝土搅拌站、搅拌运输车组成混凝土机械化作业线。T K J-15系列混凝土喷射机组与早高强喷射混凝土技术相结合，可形成软弱围岩隧道快速机械化施工成套技术，通过喷射混凝土施工的及时特性和早强特性，提高初期支护控制围岩变形能力，用台阶法替代C D或C RD法，提高施工速度，降低成本。该设备对混凝土拌合物适应性好，胶凝材料和外加剂用量低；采用具有移动回转支柱的二级臂架结构，


适宜于隧道台阶法施工，可满足三台阶环形开挖留核心土工法喷射，作业无死角；采用轮式装载机作为底盘，具有性能优良、机动灵活、高通过性能和维修方便等特点；电机与柴油机双动力系统，可根据需要快速切换，适应性强。主要性能参数见表1。
3 施工工艺
3.1 混凝土配合比设计
必须高度重视配合比设计，建立混凝土拌和物工作度概念。配合比设计必须按强度、工作度、耐久性进行多指标控制。基准配制强度确定时必须考虑速凝剂和射流密实因素的影响。
喷射混凝土配合比与喷射混凝土强度、回弹率、初喷层厚度有密切相关。根据设计强度确定水灰比后，喷射混凝土配合比设计重点应放在混凝土和易性和速凝剂的选择上，要保证坍落度控制在14～18cm，并具有良好的黏聚性，考虑混凝土回弹率控制在15％以内。
经计算，试拌调整，确定基准配合比，混凝土坍落度为170mm，混凝土粘聚性良好，工作性能满足施工需要。确定为基准配合比，见表2。
3.2 原材料选择控制、
(1) 水泥：p042.5普通硅酸盐水泥, 水泥用量≥400kg/m3；
(2) 粗骨料：5～10mm碎石, 连续级配, 含泥量0.7%, 泥块含量0.1%;
(3) 细骨料：机制砂、细度模数3.3, 石粉含量5.3%, 泥块含量0.1%;
(4) 速凝剂：k t-5型液体速凝剂，掺量为胶凝材料的3～5%;
(5) 减水剂：kdsp-1聚羧酸高性能减水剂, 掺量为胶凝材料的0.8～1.5%;
(6) 水：饮用水。


3.3 机械手湿喷混凝土操作要点
机械手湿喷混凝土作业时，喷射距离、角度、喷射顺序、喷头移动等对喷射混凝土质量、回弹都有很大影响。
3.3.1 喷射顺序
喷射应先墙后拱，从下至上、以s曲线移动进行喷射。隧道从两侧边墙底部开始喷射，喷射到拱顶中心线位置闭合，完成一环喷射混凝土的一次试喷。
3.3.2 喷射角度
喷射时，喷头应保持与受喷面垂直。喷射交角过小将增加混凝土的回弹率，降低喷射密实度；垂直于岩面喷射时，连续的混凝土“稀薄流”对反弹物有二次嵌入作用，可以降低回弹率，增加一次喷射厚度。
3.3.3 喷射距离
由于湿喷要求的风压较大，如果喷头距受喷面太近，高压风会将刚“附着”在受喷面上的混凝土吹掉，使混凝土的回弹量增大。喷射机械手湿喷作业时，喷头距岩面的距离宜为0.8～1.2m。
3.3.4 喷头移动
喷射混凝土回弹在刚喷射时最大，当岩面喷厚达到2～3cm后，回弹最小，且稳定，当喷射到附着在岩面的混凝土滑落、流淌时，一次喷厚达到最大，此时不能再继续喷射，应等喷射混凝土初凝后方能进行复喷。喷射时首先伸展机械手大臂调整喷头在边墙底部施喷位置，使用机械手小臂自动平行功能调整小臂与地面水平，与隧道边墙平行，调整喷头距离、角度，完成上述工作后可开始喷射，喷射中尽量不要再调整喷头距离、角度及机械手大臂，仅需使用自动伸缩功能控制喷头在小臂上自动伸缩，即从一端缓慢运行到另一端来回2～3次可完成一遍喷射；然后伸展大臂30c m左右(在拱部根据隧道轮廓小臂做适当翻转)，大臂做垂直、水平移动，确保喷头与岩面的角度和距离，按上述顺序喷射下一部位，如此循环完成需喷混凝土的喷面。
3.3.5 堵管处理
喷射施工中极少发生堵管，若发生时应立即关闭机械手及计量泵，关掉输送风，拍打软管，并倒掉管内存留混凝土，堵管处理完成后应先加水喷射洗管，确保管路畅通无误后才能进行再次喷射施工。
3.4 机械手湿喷混凝土风压、风量调整
风压调整应根据工作面距离，合理选用机械手的输送管直径，确保合适的混凝土出口速度，实际施工中应根据混凝土和易性、风压稳定性影响进行调整，以保证喷射混凝土在喷射口形成连续喷射、无流淌、并使得喷射混凝土能以合适速度垂直射向受喷面。
3.5 机械手湿喷混凝土喷射方量及液体速凝剂调整
在机械手运行过程中可根据风量、喷射要求等对混凝土喷射方量进行相应调整，具体喷射方量在屏幕菜单上有显示；液体速凝剂可进入配比菜单，根据每立方混凝土中水泥用量按2％设置速凝剂添加量。
3.6 质量控制措施
(1) 喷射前应先对岩面进行处理，软岩采用高压风吹洗、硬岩可采用水洗。
(2) 喷射过程中严格按操作规程进行，调整好速凝剂参数，降低喷射回弹率。
(3) 一次试喷完成后，应间隙5～10min才能复喷，防止混凝土自重较大未初凝而掉块。
(4) 喷射混凝土应与围岩、钢架、钢筋网结合紧密，背后无空洞、无杂物；喷射混凝土表面应密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、漏筋、空鼓，锚杆头无外露。
(5) 严格按配合比施工，控制好水灰比，控制好各种外加剂。
3.7 安全控制措施
(1) 施工中严格按规范操作设备，并按周期进行设备维护、保养
(2) 速凝剂操作过程中应注意防止速凝剂泄漏灼伤。
(3) 机械手操作员应佩戴头部防护装置，防止混凝土回弹伤人。
4 施工效果总结及探讨
通过泵送作用(稠密流运输)湿混凝土经管道流到喷嘴处，由喷嘴上的高压空气使之喷射，通过调节高压空气使浪费最少并使材料达到很好的效果。同时在高压空气出风口加入速凝剂，既能保证混合物在喷射表面迅速凝固，也不会产生烟尘，且使用更少的空气并减少损耗。
(1）机械手使用功能强大，混凝土喷射速度快，能加快施工进度，相同混凝土喷射速度提高一倍以上，对大方量混凝土更节约时间。最高每小时可喷混凝土20m3；
(2）喷射混凝土附着力较好、密实度较高，强度较传统湿喷混凝土高出20%左右；
(3）机械手布料区域广，输出方量大，且移动方便，喷射位高不用筑台，机械就位时间快，节约时间，同时较人工湿喷操作人员减小3～4人。机械化程度高，操作人员较少，操作人员劳动强度低；
(4）作业范围大，最大喷射高度可达26m，一次定位喷射移动距离12m；
(5）喷射机械手的喷射走位灵活，变换自由，能选择到最佳喷射位置，最大限度的减小混凝土回弹率8%～15%，极大降低混凝土施工成本。喷射回弹率低，回弹率可控制在12%以内，经济效益显著；
(6）采用机械手湿喷混凝土，充分利用动力电压，减少了油料的消耗，同时喷射同体积方量的混凝土，其耗电量远低于普通湿喷机，达到节能和环保的要求。机械手喷射时产生的粉尘少，作业环境得到极大改善，能有效的保护工作人员的健康。
5 结束语
在高天隧道出口的施工过程中通过使用T K J-15系列混凝土喷射机械手，经过实践，在实践中进行消化吸收，成功地掌握了大型喷射混凝土设备的湿喷施工技术，保证了施工质量，降低了施工成本，提高了施工效率，改善了作业环境，同时也满足了职业健康安全方面的要求。在铁路隧道施工中，湿喷喷射机械手在解决回弹、粉尘、混凝土施工质量方面相比干喷表现出了很大的优越性，推广喷射机械手在隧道初期支护中的应用，具有很强的生命力和广泛的发展前景。