隧道工程機械手噴射混凝土質量分析

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摘要：分析了隧道工程中濕噴機械手噴射混凝土的技術優勢，并以太行山高速淶曲段塔子溝隧道項目為例，重點論述了濕噴混凝土最佳配合比試驗原則與流程。研究表明，塔子溝隧道初期支護采用混凝土濕噴技術和高性能混凝土，大幅提升了施工效率，作業環境得到極大改善，混凝土回彈率降低，保證了噴射混凝土質量，綜合效益突出。

關鍵詞：隧道施工；濕噴機械手；混凝土質量控制

引言

隧道掘進工程中，與傳統的干噴機及小型濕噴機施工技術相比，濕噴機械手噴射混凝土技術具有作業靈活、快速、方便、經濟、安全的特點，不僅填補了傳統施工工藝的技術缺陷，也能在施工中實現節能環保[1]。目前，公路和鐵路隧道施工中，濕噴機械手已經逐漸發展為主流的施工方法。本文以太行山高速淶曲段塔子溝隧道項目為例，對濕噴機械手噴射混凝土技術在隧道施工中濕噴質量進行分析。

1混凝土濕噴的優勢分析

1.1濕噴機械手的發展

濕噴機械手是一款大型隧道初期支護混凝土噴射機械臂，采用專用汽車底盤或工程底盤與混凝土噴射機械臂完美結合（圖1），擁有電機與發動機雙動力系統。在水利水電建設、公路隧道以及地下設施的建設領域發揮著至關重要的作用[2]。我國的混凝土噴射設備研制開始于二十世紀六十年代。早期型號包括：原冶金工業部建筑研究院制造的冶建-65型，原揚州機械廠研制的PH30-74型以及原煤炭科學研究院研制的HLP-701型。至目前為止，濕式混凝土噴射機已經成為大型隧道工程噴射混凝土作業主要機具，其在世界各國的應用情況如表1所示[3-4]。

1.2混凝土濕噴機械手的施工優點

1.2.1混凝土質量較高（1）噴射混凝土機械手實現了對混凝土噴射機噴嘴進行遠距離控制，用于實現噴射作業機械化，以提高噴射質量和效率，改善工人的勞動條件。（2）濕噴混凝土的配合比易于調控，施工過程中可依據需要調配混凝土配比并運至機械手進行噴射作業，確保濕噴混凝土質量。而干噴技術常處于不可控狀態，混凝土的水灰比往往依靠操作者的經驗進行控制，導致了操作者的技術水平直接影響著混凝土質量。（3）濕噴混凝土的附著力、密實度更高，混凝土強度較傳統混凝土濕噴工藝的強度高約20%。

1.2.2保護操作者，節約混凝土采用濕噴機械手進行施工，一方面不需要施工人員過于靠近工作面，避免了安全事故發生；另一方面，由于干噴噴嘴周圍的粉塵濃度較其他區域高，而濕噴噴嘴旁粉塵濃度低于潮噴噴嘴。采用干噴混凝土工藝時，一般會因為粉塵的濃度過高而引起隧道內能見度降低，導致操作者只追求客觀上的噴射數量，卻忽視了噴射質量，造成材料的浪費[5]。

1.2.3生產率高干式混凝土噴射機工作效率不超過5m³/h；小型濕噴機作業時單臺噴射量不超過4m³/h；而采用機械手噴射混凝土量可以達到15～30m3/h，相當于多臺小型噴射機同時作業，其作業效率較高。

1.2.4回彈率低濕噴機械手施工具有較低的回彈率，可以有效控制施工成本。干噴技術的回彈率達35%～50%，普通濕噴機回彈率約20%左右，而濕噴機機械手回彈率可控制在15%以內。所以濕噴的生產成本更低，效益更高[6]。

2噴射混凝土質量影響因素實例分析

2.1工程概況

太行山高速淶曲段塔子溝隧道K28+438-K29+233，是太行山高速公路淶源至曲陽段的一座中隧道，左線長812m，右線長795m，圍巖級別為Ⅴ、Ⅵ級圍巖，其中Ⅴ-a襯砌段左線長266m，右線長260m，最大開挖斷面156.6m2，為大斷面隧道。二次襯砌澆筑采用模板臺車，開挖工法：洞身Ⅳ級圍巖采用臺階法開挖，洞身Ⅴ級圍巖采用雙側壁導坑法開挖。Ⅳ級圍巖二次襯砌到掌子面的距離不大于90m，Ⅴ級圍巖二次襯砌到掌子面的距離不大于70m。

2.2噴射混凝土的最佳配比試驗

塔子溝隧道噴射混凝土配比試驗施工分為兩步。（1）進行試驗拌和，確定塌落度，按確定好的塌落度，通過回彈試驗和強度試驗決定最佳的水灰比W/C和最佳細骨料率s/a。通過噴射試驗確定現場采用的最佳配比。經過計算得到試驗配合比，本工程經過試拌調整及強度驗證確定試驗配合比為：水泥∶砂∶碎石∶速凝劑∶水=1：1.91∶1.91∶0.04∶0.42。（2）采用規定的施工方法及配比進行試驗噴射施工。根據混凝土的強度，得到適合的噴射混凝土施工方法及現場配比。試驗證明，施工所使用的材料、試件制作、試驗方法等均與施工一致，符合要求。表2是濕噴試驗中每方混凝土的用水情況，通過幾次試噴確定單方混凝土用水量為200kg。砂率的調整主要依據混凝土的回彈量，回彈量大則說明砂率不合格，這時需要增加砂率來控制混回彈量。水泥用量調整通過噴板進行強度試驗，最佳配合比為能滿足混凝土配置的水灰比前提下消耗最小的水泥量。通過試驗，塔子溝隧道噴射混凝土采用高強度混凝土，確定采用濕噴機械手噴射的混凝土配合比為：水泥∶砂∶碎石∶速凝劑∶水=1∶1.96∶1.81∶0.04∶0.45。

2.3濕噴混凝土質量的影響因素

濕噴混凝土在作業時，噴射距離、角度、噴射順序、噴頭移動等均會對混凝土的質量、回彈性質產生影響。

2.3.1噴射順序噴射應先從墻面開始而后噴射隧道拱部，從上至下、以S曲線移動進行。從隧道兩側邊墻底部開始噴射，噴射到拱頂中心線位置閉合，完成一次完整噴射。

2.3.2噴射角度噴射時，噴頭應保持與受噴面垂直。垂直于巖石噴射時，連續的混凝土稀薄流對反彈物有二次嵌入作用，可以降低回彈率，增加一次噴射厚度。噴射交角過小將增加混凝土的回彈率，降低混凝土的密實度。

2.3.3噴射距離由于濕噴要求的風壓較大，如果噴頭距受噴面太近，高壓風會將剛附著在受噴面上的混凝土吹掉，使混凝土的回彈量增大。機械手濕噴作業時，噴頭距巖面的距離宜為0.8～1.2m[7]。

2.3.4噴頭移動噴射剛進行時，混凝土的回彈最高，當混凝土的噴厚達到2～3cm時，混凝土的回彈開始變小并趨于穩定，當混凝土被噴射到巖面達到一定厚度后，混凝土出現滑落和流淌，這時噴厚達到最佳狀態，可停止噴射，待混凝土達到初凝后進行復噴[8]。噴射混凝土時，首先伸展機械手大臂，調整噴頭至邊墻底部，調節機械手與隧道邊墻保持平行，再調節噴頭角度與距離等，完成后便可執行噴射作業，噴射過程中切勿再次調整噴頭的各項參數，只調節機械手進行自動伸縮來控制噴頭的自動伸縮，完成一次噴射作業。然后操作大臂伸展進行垂直與水平上的移動，保證機械手噴頭與巖面處于合理的角度與距離，如此循環可確保巖面的整體噴涂。

3結語

混凝土濕噴對隧道施工具實用價值和安全價值。塔子溝隧道初期支護采用混凝土濕噴技術和高性能混凝土，大幅提升了施工效率，作業環境得到極大改善，降低了混凝土回彈率，保證了噴射混凝土質量，綜合效益突出，值得大力推廣。

參考文獻：

[1]楊凱，鄧宗剛.濕噴機械手在秦嶺天華山隧道中的應用[J].鐵道建筑技術，2015（7）：33-36.

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

[3]鄭文.隧道濕噴機械手噴射混凝土質量技術研究[J].工程技術（文摘版），2016（1）：25.

[4]劉年.混凝土濕噴機械手技術在隧道施工中的應用探索[J].建筑工程技術與設計，2018（5）：394.

[5]張梅.蒙華鐵路確保隧道施工質量安全關鍵措施[J].隧道建設（中英文），2017（12）：1503-1507.

[6]吳夢軍，吳慶良.山嶺公路隧道機械化施工現狀與展望[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2020，39（3）：14-21.

[7]熊成宇，張強.濕噴機械手在公路隧道施工中的優勢探討[J].施工技術，2017（S1）：1109-1111.

[8]田克昭.隧道作業噴射混凝土施工對CIFA混凝土濕噴機械手的應用[J].工程技術，2015（12）：88.

作者：趙建祥 單位：中交路橋建設有限公司