隧道工程機械手噴射混凝土質(zhì)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(shù)優(yōu)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(shù)和高性能混凝土，大幅提升了施工效率，作業(yè)環(huán)境得到極大改善，混凝土回彈率降低，保證了噴射混凝土質(zhì)量，綜合效益突出。
關(guān)鍵詞：隧道施工；濕噴機械手；混凝土質(zhì)量控制
引言
隧道掘進(jìn)工程中，與傳統(tǒng)的干噴機及小型濕噴機施工技術(shù)相比，濕噴機械手噴射混凝土技術(shù)具有作業(yè)靈活、快速、方便、經(jīng)濟、安全的特點，不僅填補了傳統(tǒng)施工工藝的技術(shù)缺陷，也能在施工中實現(xiàn)節(jié)能環(huán)保[1]。目前，公路和鐵路隧道施工中，濕噴機械手已經(jīng)逐漸發(fā)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(shù)在隧道施工中濕噴質(zhì)量進(jìn)行分析。
1混凝土濕噴的優(yōu)勢分析
1.1濕噴機械手的發(fā)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(jié)合（圖1），擁有電機與發(fā)動機雙動力系統(tǒng)。在水利水電建設(shè)、公路隧道以及地下設(shè)施的建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用[2]。我國的混凝土噴射設(shè)備研制開始于二十世紀(jì)六十年代。早期型號包括：原冶金工業(yè)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(xué)研究院研制的HLP-701型。至目前為止，濕式混凝土噴射機已經(jīng)成為大型隧道工程噴射混凝土作業(yè)主要機具，其在世界各國的應(yīng)用情況如表1所示[3-4]。
1.2混凝土濕噴機械手的施工優(yōu)點
1.2.1混凝土質(zhì)量較高（1）噴射混凝土機械手實現(xiàn)了對混凝土噴射機噴嘴進(jìn)行遠(yuǎn)距離控制，用于實現(xiàn)噴射作業(yè)機械化，以提高噴射質(zhì)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(diào)控，施工過程中可依據(jù)需要調(diào)配混凝土配比并運至機械手進(jìn)行噴射作業(yè)，確保濕噴混凝土質(zhì)量。而干噴技術(shù)常處于不可控狀態(tài)，混凝土的水灰比往往依靠操作者的經(jīng)驗進(jìn)行控制，導(dǎo)致了操作者的技術(shù)水平直接影響著混凝土質(zhì)量。（3）濕噴混凝土的附著力、密實度更高，混凝土強度較傳統(tǒng)混凝土濕噴工藝的強度高約20%。
1.2.2保護操作者，節(jié)約混凝土采用濕噴機械手進(jìn)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(fā)生；另一方面，由于干噴噴嘴周圍的粉塵濃度較其他區(qū)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(nèi)能見度降低，導(dǎo)致操作者只追求客觀上的噴射數(shù)量，卻忽視了噴射質(zhì)量，造成材料的浪費[5]。
1.2.3生產(chǎn)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(yè)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(dá)到15～30m3/h，相當(dāng)于多臺小型噴射機同時作業(yè)，其作業(yè)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(shù)的回彈率達(dá)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(nèi)。所以濕噴的生產(chǎn)成本更低，效益更高[6]。
2噴射混凝土質(zhì)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(cè)壁導(dǎo)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(jìn)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(xì)骨料率s/a。通過噴射試驗確定現(xiàn)場采用的最佳配比。經(jīng)過計算得到試驗配合比，本工程經(jīng)過試拌調(diào)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(guī)定的施工方法及配比進(jìn)行試驗噴射施工。根據(jù)混凝土的強度，得到適合的噴射混凝土施工方法及現(xiàn)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(diào)整主要依據(jù)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(diào)整通過噴板進(jìn)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(zhì)量的影響因素
濕噴混凝土在作業(yè)時，噴射距離、角度、噴射順序、噴頭移動等均會對混凝土的質(zhì)量、回彈性質(zhì)產(chǎn)生影響。
2.3.1噴射順序噴射應(yīng)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(jìn)行。從隧道兩側(cè)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(yīng)保持與受噴面垂直。垂直于巖石噴射時，連續(xù)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(fēng)壓較大，如果噴頭距受噴面太近，高壓風(fēng)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(yè)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(jìn)行時，混凝土的回彈最高，當(dāng)混凝土的噴厚達(dá)到2～3cm時，混凝土的回彈開始變小并趨于穩(wěn)定，當(dāng)混凝土被噴射到巖面達(dá)到一定厚度后，混凝土出現(xiàn)滑落和流淌，這時噴厚達(dá)到最佳狀態(tài)，可停止噴射，待混凝土達(dá)到初凝后進(jìn)行復(fù)噴[8]。噴射混凝土?xí)r，首先伸展機械手大臂，調(diào)整噴頭至邊墻底部，調(diào)節(jié)機械手與隧道邊墻保持平行，再調(diào)節(jié)噴頭角度與距離等，完成后便可執(zhí)行噴射作業(yè)，噴射過程中切勿再次調(diào)整噴頭的各項參數(shù)，只調(diào)節(jié)機械手進(jìn)行自動伸縮來控制噴頭的自動伸縮，完成一次噴射作業(yè)。然后操作大臂伸展進(jìn)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(huán)可確保巖面的整體噴涂。
3結(jié)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(shù)和高性能混凝土，大幅提升了施工效率，作業(yè)環(huán)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(zhì)量，綜合效益突出，值得大力推廣。
參考文獻(xiàn)：
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作者：趙建祥 單位：中交路橋建設(shè)有限公司
