湿喷机械手在磨心山隧道机械化施工中应用与混凝土施工过程质量控制

湿喷机械手在磨心山隧道机械化施工中应用与混凝土施工过程质量控制

李小云

保利长大工程有限公司

摘要：隧道是交通基础设施建设过程中的重要内容，本文依托C25混凝土湿喷机械手在岱山高亭至石化小区至双峰新城公路工程磨心山隧道实际应用为例，介绍了湿喷机械手湿喷混凝土工艺要求，并从喷射混凝土的配合比设计、施工效率、回弹量、施工质量、速凝剂掺量、作业环境等方面对湿喷机械手的全过程阐述及分析。在隧道施工过程中加强对施工技术的控制和管理，以提高隧道施工质量。

关键词：湿喷机械手；在磨心山隧道机械化施工；混凝土施工；质量控制

随着隧道施工技术的发展，隧道在新建铁路线路中所占的比例亦逐渐增大，为保证隧道快速安全施工，对隧道的初期支护提出更高的要求，传统干喷法已经无法满足隧道施工质量、环保、职业健康方面的要求，而且工效较低，采用机械化喷射混凝土作业成为喷射混凝土技术发展的一种趋势，同时喷射混凝土机械正向着高效、安全、环保、实用和自动化方向发展。目前隧道中采用湿喷机械手进行作业对保障操作人员作业环境，提高施工质量具有重要意义。本文介绍湿喷机械手在磨心山隧道作业中，其混凝土早期强度较高，回弹量少，节约了材料且减少了粉尘污染，使作业环境得到改善，为同类工程的施工组织提供了借鉴。

一、工程概况

本项目岱山高亭至石化小区至双峰新城公路工程路线全长为5.124公里。工程起点位于环城北路与蓬莱路交叉口，自大岙水库东侧进洞，穿越磨心山，在太婆岙水库东侧出洞，途径板井潭村、石化小区，终点位于规划海悦路与 G526 国道交叉口。路线全长5.124km，其中磨心山隧道设计为左右线分离式，左洞全长2149米，右线洞身全长2173米，本项目按一级公路标准设计，设计速度为60km/h。

二、湿喷机械手施工工艺

（一）喷射混凝土机械设备

磨心山隧道在施工过程中使用云南途腾智能装备有限公司生产的TUC3016M型混凝土湿喷机械手，主要由喷射臂、混凝土泵、液压系统、速凝剂泵、电控箱。

如图1所示。

（二）喷射混凝施工设备基本要求

2、1安全可靠:结构设计合理，安全度高。

2、2喷射混凝土质量好:速凝剂和混凝土高效混合，回弹率低。

2、3适用范围:适应不同路况及不同断面喷射作业。

2、4经济环保:日常维修费用低、设备损坏率低、污染小。

2、5施工效率高:采用喷射量能达到30m3/h湿喷机械手。

（三）C25湿喷混凝土配合比设计

3、1配合比设计依据

1、  《公路工程水泥及水泥混凝土试验规程》  JTG 3420-2020

2、  《通用硅酸盐水泥》 GB 175-2007

3、  《建设用砂》 GB/T 14684-2022

4、  《建设用卵石、碎石》GB/T 14685-2022

5、  《混凝土外加剂》 GB 8076-2008

6、  《混凝土用水标准》 JGJ63-2006

7、  《普通混凝土配合比设计规程》  JGJ 55-2011

8、  《岱山高亭至石化小区至双峰新城公路工程施工图设计》

9、 《喷射混凝土应用技术规程》  JTG/T 372-2016

10、《公路隧道施工技术规范》(JGJ/T 3660-2020)

3、2喷射混凝土原材料的品种、规格及主要技术指标

1、喷射混凝土设计强度等级为 C25,使用部位：初期支护,坍落度设计为80mm-120 mm，1d 强度不小于8 MPa。

2、水泥：选用普通硅酸盐水泥，厂家为宁海强蛟海螺水泥有限公司生产的P.O42.5水泥，相关指标符合现行国家标准 《通用硅酸盐水泥》GB 175-2007设计要求，胶凝材料用量不小于 400 kg/m3。

3、细集料：采用坚硬耐久的中砂，细度模数大于2.5，产地为山东威海，相关指标符合现行国家标准 《建设用砂》 GB/T 14684-2022设计要求，细集料细度模数 2.6-3.0，砂率45%-60%。

4、粗集料：采用坚硬耐久的碎石，粒径不宜大 于12mm，产地为东垦山石场，相关指标符合现行国家标准《建设用卵石、碎石》GB/T 14685-2022设计要求，粗集料最大公称粒径5-10 mm，连续级配。

5、水：拌合用水采用自来水，所检指标符合现行国家标准《混凝土用水标准》 JGJ63-2006，水胶比0.4-0.5。

6、减水剂：选用缓凝型VIVID-500聚羧酸高性能减水剂，生产厂家为上海三瑞高分子材料股份有限公司，相关指标符合现行国家标准《混凝土外加剂》 GB 8076-2008，减水剂掺量 0.5%-1.0%。

7、速凝剂：应选择速凝效果好，对强度和收缩影响小的速凝剂，其初凝时间应不大于3min，终凝时间应不大于12min，生产厂家为山西康瑞建材新技术有限责任公司，规格是KRS-4无碱速凝剂，符合现行标准《喷射混凝土用速凝剂》 (GB/T35159-2017)相关规定，速凝剂掺量4%-5%。

3、3混凝土配合比设计步骤

1、计算初步配合比（1计算砼配制强度、2确定水胶比、3单位用水量确定、4胶凝材料、矿物掺合料、水泥用量确定、5砂率的确定、6粗集料和细集料的确定）

2、试拌调整提出基准配合比

3、检验强度、确定试验室配合比

4、换算施工配合比

5、检验混凝土配合比强度及各个参数指标

将基准配合比按水胶比上下波动0.05(另外两个水胶比分别为0.44和0.54),采用以上三个水胶比，砂率上下波动1%(另外两个砂率分别为48%和50%),用水量不变的情况下各拌三组 450mm×350mm×120mm大板试模，切割成100mm×100mm×100mm混凝土试件，测其实际容重、坍落度，强度，观察其粘聚性及和易性，数据如下：

B组别混凝土配合比的坍落度、强度、粘聚性、和易性满足现场施工要求，采用B组别（水胶比0.49）的配合比用于本标段喷射混凝土的施工。

（四）现场施工工艺

1、现场施工工艺流程

本隧道工程混凝土采用湿喷工艺，以减少回弹及粉尘，创造良好隧道作业施工环境。喷射混凝土采用机械拌制，并拌合均匀，搅拌时间不少于2min，罐车运输至现场。

喷射混凝土施工工艺流程见下图。

2、施工准备
施工前应首先检查隧道准备喷射作业的开挖轮廓是否符合设计要求。测量人员应测量受喷围岩的基本尺寸，对欠挖部位应补凿，并敲帮找顶、清除浮石，并采用高压水或高压风对围岩面进行冲洗。其次检查湿喷机工作是否正常。湿喷机运至作业面后，通电进行空载运转，检查电源供应是否正常，风压系统是否稳定，管路是否畅通及进料口振动筛是否安设妥当，湿喷机溜槽是否安装到位，同时施工人员是否到位。
3、供风
供风是将集中供风的高压风经过风管后进入混凝土喷射机，湿喷机内的混凝土在压缩空气的推动下被输送到喷头部位后再以较高的速度喷射到受喷面上，喷射过程中混凝土被冲击和压实而形成致密的混凝土。风压一般控制在0.2-0.7mpa范围内，避免由于风压过大粗骨料碰到围岩后回弹或风压过小粗骨料不能冲进砂浆层而脱落，其适宜风压是混凝土回弹量小、易粘附、表面湿润光泽等。

4、湿喷作业
从隧道底部由下而上喷射混凝土，以免喷射时的回弹料污染已冲洗好的岩面；喷射时，喷嘴距岩面约1.0m，严格按风压要求喷射，混凝土输料管速凝剂管，以免当喷伸手改变方向时导致输料管内产生急弯或别劲现象，造成堵管或出料不均匀和速凝剂断料等现象。
   喷射时，要按照施工设计确定一次喷射厚度，如果喷射厚度不够骨料就可能回弹，如果喷射厚度超出设计要求，喷层就会下坠、流淌，甚至产生空鼓等缺陷。一般情况下，一次喷射厚度至少为骨料粒径的2倍，采用湿喷法进行喷射，一次喷射的喷层大概厚5cm，二次喷射喷层的厚度至少为10cm，合理安排分层喷射的时间间隔；同时为了使上下层混凝土的粘接满足施工规范，进行二次喷射时先要对表面进行喷水湿润。
5、整平
完成混凝土的喷射后进行自然整平能增加结构的耐久性，并确保其强度达到设计要求。喷射后如果进行振动整平，可能会造成混凝土与钢筋的连接，而且混凝土内也可能有裂缝出现，这些现象都对结构强度造成一定程度的破坏。实际上，采取自然整平的处理方法也有不妥之处，成立后的混凝土表面太粗糙，会对后期二衬施工产生影响，所以在整平施工过程中，待混凝土初凝后，操作人员可采用刮刀剔除多余的混凝土，再用水泥浆、喷浆找平。
 

三、湿喷机械手施工质量

1、喷混凝土平整度

湿喷混凝土采用分层喷射，混凝土本身附着力较好，喷射混凝土的平整度、密实度能够得到保证，能够达到喷射混凝土表面平整、内部密实。通过实践总结出“动大臂，移小臂”的操作要点，通过大小臂之间的协调旋转，操作人员可以掌握小臂行程速度，确保移动喷射由点到线再到面，保证喷射混凝土的平整度。喷射混凝土完成后采用靠尺进行检测，要求有钢架处不大于5cm，无钢架处不大于10cm，经检查，均符合要求。

2、喷混凝土强度与厚度

喷射混凝土强度从配合比的配制、水灰比控制以及速凝剂的选择等各方面入手，保证喷射混凝土的生产质量。在喷射过程中，喷射机械手通过混凝土泵将生产的混凝土在喷头处，利用设备自带液态添加剂计量输送装置，精确添加速凝剂，保证不同部位的喷射混凝土与速凝剂的充分结合，保证喷射混凝土的强度。现场喷射混凝土的抗压强度达到设计要求。现场采用预埋钢筋，分层喷射，覆盖钢筋来保证喷射混凝土的厚度。

3、 湿喷机械手回弹量

由于湿喷机械手的大臂、小臂、喷头之间能够灵活地转动，在施工中喷头与喷射面之间的角度和距离能够始终保持在最佳角度；湿喷机械手自带空压机，最大工作压力0.7 MPa，电动机驱动，具有独立供风系统，施工时能够提供稳定风压; 湿喷机械手配置液态添加剂计量输送装置，可以精确添加速凝剂；PLC 程序模块对混凝土和速凝剂流量同步程序控制，保证速凝剂的最佳掺量；加上操作人员的熟练操作，使喷射混凝土的回弹率大幅降低。从现场施工实际收集回弹的混凝土量与使用量的比较，计算得出喷射隧道拱部回弹率为10%，喷边墙回弹为5%，明显低于《铁路隧道施工质量验收标准》中拱部回弹率≤25%、边墙回弹率≤15%的规定，大大节约初期支护喷射混凝土成本。

4、机械手湿喷的作业环境

湿喷机械手进行喷混凝土施工时，施工人员可站在已经初期支护完成的安全位置，利用遥控装置对喷头进行有效控制，施工安全性有很大的提高。湿喷机械手采用机械臂伸缩到掌子面进行喷射施工，机器本身停留在已经初期支护完成的部位，即使掌子面出现塌方也不会威胁到机器本身。

现场喷射作业环境：粉尘浓度低于2mg/m3，整个工作面及作业区域空气较好，几乎没有粉尘，有效改善了作业环境，满足职业健康安全方面的要求。

四、存在问题及建议

4、1 存在的问题

（1）湿喷工艺对河砂、碎石的质量要求较高，河砂、碎石级配不稳定容易引起堵管，对速凝剂的质量要求较高，现场采用的速凝剂，经常存在质量不稳定，造成回弹率较大、一次喷层厚度不够等缺陷。

（2）机械手整机结构复杂，对操作人员和维修保养人员水平要求较高。

4、2 建议

（1）进一步优化混凝土施工配合比，筛选、比较、选用性能良好的河砂、碎石速凝剂，合理解决湿喷作业存在的问题。

（2）加强对机械手的操作人员和维修保养人员理论知识和实操技能学习，对所使用的设备做到“四懂（懂性能、懂原理、懂结构、懂用途）”“三会（会操作、会保养、会排除故障）”