隧道工程机械手喷射混凝土质量分析

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摘要：分析了隧道工程中湿喷机械手喷射混凝土的技术优势，并以太行山高速涞曲段塔子沟隧道项目为例，重点论述了湿喷混凝土最佳配合比试验原则与流程。研究表明，塔子沟隧道初期支护采用混凝土湿喷技术和高性能混凝土，大幅提升了施工效率，作业环境得到极大改善，混凝土回弹率降低，保证了喷射混凝土质量，综合效益突出。

关键词：隧道施工；湿喷机械手；混凝土质量控制

引言

隧道掘进工程中，与传统的干喷机及小型湿喷机施工技术相比，湿喷机械手喷射混凝土技术具有作业灵活、快速、方便、经济、安全的特点，不仅填补了传统施工工艺的技术缺陷，也能在施工中实现节能环保[1]。目前，公路和铁路隧道施工中，湿喷机械手已经逐渐发展为主流的施工方法。本文以太行山高速涞曲段塔子沟隧道项目为例，对湿喷机械手喷射混凝土技术在隧道施工中湿喷质量进行分析。

1混凝土湿喷的优势分析

1.1湿喷机械手的发展

湿喷机械手是一款大型隧道初期支护混凝土喷射机械臂，采用专用汽车底盘或工程底盘与混凝土喷射机械臂完美结合（图1），拥有电机与发动机双动力系统。在水利水电建设、公路隧道以及地下设施的建设领域发挥着至关重要的作用[2]。我国的混凝土喷射设备研制开始于二十世纪六十年代。早期型号包括：原冶金工业部建筑研究院制造的冶建-65型，原扬州机械厂研制的PH30-74型以及原煤炭科学研究院研制的HLP-701型。至目前为止，湿式混凝土喷射机已经成为大型隧道工程喷射混凝土作业主要机具，其在世界各国的应用情况如表1所示[3-4]。

1.2混凝土湿喷机械手的施工优点

1.2.1混凝土质量较高（1）喷射混凝土机械手实现了对混凝土喷射机喷嘴进行远距离控制，用于实现喷射作业机械化，以提高喷射质量和效率，改善工人的劳动条件。（2）湿喷混凝土的配合比易于调控，施工过程中可依据需要调配混凝土配比并运至机械手进行喷射作业，确保湿喷混凝土质量。而干喷技术常处于不可控状态，混凝土的水灰比往往依靠操作者的经验进行控制，导致了操作者的技术水平直接影响着混凝土质量。（3）湿喷混凝土的附着力、密实度更高，混凝土强度较传统混凝土湿喷工艺的强度高约20%。

1.2.2保护操作者，节约混凝土采用湿喷机械手进行施工，一方面不需要施工人员过于靠近工作面，避免了安全事故发生；另一方面，由于干喷喷嘴周围的粉尘浓度较其他区域高，而湿喷喷嘴旁粉尘浓度低于潮喷喷嘴。采用干喷混凝土工艺时，一般会因为粉尘的浓度过高而引起隧道内能见度降低，导致操作者只追求客观上的喷射数量，却忽视了喷射质量，造成材料的浪费[5]。

1.2.3生产率高干式混凝土喷射机工作效率不超过5m³/h；小型湿喷机作业时单台喷射量不超过4m³/h；而采用机械手喷射混凝土量可以达到15～30m3/h，相当于多台小型喷射机同时作业，其作业效率较高。

1.2.4回弹率低湿喷机械手施工具有较低的回弹率，可以有效控制施工成本。干喷技术的回弹率达35%～50%，普通湿喷机回弹率约20%左右，而湿喷机机械手回弹率可控制在15%以内。所以湿喷的生产成本更低，效益更高[6]。

2喷射混凝土质量影响因素实例分析

2.1工程概况

太行山高速涞曲段塔子沟隧道K28+438-K29+233，是太行山高速公路涞源至曲阳段的一座中隧道，左线长812m，右线长795m，围岩级别为Ⅴ、Ⅵ级围岩，其中Ⅴ-a衬砌段左线长266m，右线长260m，最大开挖断面156.6m2，为大断面隧道。二次衬砌浇筑采用模板台车，开挖工法：洞身Ⅳ级围岩采用台阶法开挖，洞身Ⅴ级围岩采用双侧壁导坑法开挖。Ⅳ级围岩二次衬砌到掌子面的距离不大于90m，Ⅴ级围岩二次衬砌到掌子面的距离不大于70m。

2.2喷射混凝土的最佳配比试验

塔子沟隧道喷射混凝土配比试验施工分为两步。（1）进行试验拌和，确定塌落度，按确定好的塌落度，通过回弹试验和强度试验决定最佳的水灰比W/C和最佳细骨料率s/a。通过喷射试验确定现场采用的最佳配比。经过计算得到试验配合比，本工程经过试拌调整及强度验证确定试验配合比为：水泥∶砂∶碎石∶速凝剂∶水=1：1.91∶1.91∶0.04∶0.42。（2）采用规定的施工方法及配比进行试验喷射施工。根据混凝土的强度，得到适合的喷射混凝土施工方法及现场配比。试验证明，施工所使用的材料、试件制作、试验方法等均与施工一致，符合要求。表2是湿喷试验中每方混凝土的用水情况，通过几次试喷确定单方混凝土用水量为200kg。砂率的调整主要依据混凝土的回弹量，回弹量大则说明砂率不合格，这时需要增加砂率来控制混回弹量。水泥用量调整通过喷板进行强度试验，最佳配合比为能满足混凝土配置的水灰比前提下消耗最小的水泥量。通过试验，塔子沟隧道喷射混凝土采用高强度混凝土，确定采用湿喷机械手喷射的混凝土配合比为：水泥∶砂∶碎石∶速凝剂∶水=1∶1.96∶1.81∶0.04∶0.45。

2.3湿喷混凝土质量的影响因素

湿喷混凝土在作业时，喷射距离、角度、喷射顺序、喷头移动等均会对混凝土的质量、回弹性质产生影响。

2.3.1喷射顺序喷射应先从墙面开始而后喷射隧道拱部，从上至下、以S曲线移动进行。从隧道两侧边墙底部开始喷射，喷射到拱顶中心线位置闭合，完成一次完整喷射。

2.3.2喷射角度喷射时，喷头应保持与受喷面垂直。垂直于岩石喷射时，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。喷射交角过小将增加混凝土的回弹率，降低混凝土的密实度。

2.3.3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。机械手湿喷作业时，喷头距岩面的距离宜为0.8～1.2m[7]。

2.3.4喷头移动喷射刚进行时，混凝土的回弹最高，当混凝土的喷厚达到2～3cm时，混凝土的回弹开始变小并趋于稳定，当混凝土被喷射到岩面达到一定厚度后，混凝土出现滑落和流淌，这时喷厚达到最佳状态，可停止喷射，待混凝土达到初凝后进行复喷[8]。喷射混凝土时，首先伸展机械手大臂，调整喷头至边墙底部，调节机械手与隧道边墙保持平行，再调节喷头角度与距离等，完成后便可执行喷射作业，喷射过程中切勿再次调整喷头的各项参数，只调节机械手进行自动伸缩来控制喷头的自动伸缩，完成一次喷射作业。然后操作大臂伸展进行垂直与水平上的移动，保证机械手喷头与岩面处于合理的角度与距离，如此循环可确保岩面的整体喷涂。

3结语

混凝土湿喷对隧道施工具实用价值和安全价值。塔子沟隧道初期支护采用混凝土湿喷技术和高性能混凝土，大幅提升了施工效率，作业环境得到极大改善，降低了混凝土回弹率，保证了喷射混凝土质量，综合效益突出，值得大力推广。

参考文献：

[1]杨凯，邓宗刚.湿喷机械手在秦岭天华山隧道中的应用[J].铁道建筑技术，2015（7）：33-36.

[2]王俊，琚元元，周洋.混凝土湿喷机械手在长大隧道中的应用[J].建设科技，2015（15）：181-182.

[3]郑文.隧道湿喷机械手喷射混凝土质量技术研究[J].工程技术（文摘版），2016（1）：25.

[4]刘年.混凝土湿喷机械手技术在隧道施工中的应用探索[J].建筑工程技术与设计，2018（5）：394.

[5]张梅.蒙华铁路确保隧道施工质量安全关键措施[J].隧道建设（中英文），2017（12）：1503-1507.

[6]吴梦军，吴庆良.山岭公路隧道机械化施工现状与展望[J].重庆交通大学学报（自然科学版），2020，39（3）：14-21.

[7]熊成宇，张强.湿喷机械手在公路隧道施工中的优势探讨[J].施工技术，2017（S1）：1109-1111.

[8]田克昭.隧道作业喷射混凝土施工对CIFA混凝土湿喷机械手的应用[J].工程技术，2015（12）：88.

作者：赵建祥 单位：中交路桥建设有限公司