湿喷机械手在某隧道快速施工中应用

湿喷机械手在某隧道快速施工中应用中铁隧道集团x处x公司0引言近年来湿喷混凝土成为铁路、公路及水工隧道成主流施工工艺，但小型湿喷机械很难克服喷射速度慢，易损件损耗大的弊病，一般单台喷射量小于2.5m3/小时，虽然可以多台组合同时作业提高速度，但隧道内空间有限，所以，小型湿喷机械的应用越来越受到限制。要在隧道尽量提高喷射混凝土速度，目前采用大型喷射混凝土机械手已成为主流施工方式。机械手喷混凝土喷射量达到15～28m3/小时,相当于十多台小型喷射机同时作业，其作业效率可见而知。但机械手喷混凝土存在回弹量大、喷射不平顺、对操作人员技术水平要求较高等特点，使湿喷机的作业效率大打折扣，本文以某隧道2#斜井湿喷机械手应用为例，详细介绍机械手喷混凝土工艺改进和优化，并对比分析机械手喷混凝土的优势，机械手获得较为理想的效果。1工程概况及设备选型新建南广铁路某隧道位于广东省云浮市、肇庆市两市，全长12208m。其中2#斜井施工管段全长3800米，隧道洞身穿越加里东期花岗岩、寒武系砂岩、千枚岩、页岩等地层，其中Ⅳ级围岩986米、Ⅴ级围岩110米，所有初期支护采用C25湿喷混凝土。2#斜井喷射混凝土采用移动式混凝土喷射机组，该设备可以通过PLC控制系统控制各种数据，实现人机对话，如外加剂掺量、混凝土输出量、送料补偿修正值，并可以直观的检测机器工作状况、安全装置工作状况。喷射机组技术参参数最大喷射高度//m16.1理论泵送能力//m3/hh4～30最大喷射宽度//m28.2实际喷射方量//m3/hh7～20最远喷射距离//m14.3最大输送压力//MPa7.5最小可喷射隧洞洞高度/mm4料斗容量/L300大臂回转角度//°252输送管内径/mmm80主泵电动机功率率/kW55空压机电机功率率/kW75大小臂伸缩/mm2喷射骨粒最大粒粒径/mmm16喷嘴座轴向回转转/°360最大作业深度//m停放平面以下88.7整机质量/kgg160002机械手湿喷工艺2.1配合比选择调整2.1.1原材料a.水泥喷射混凝土采用硅酸盐水泥或普通硅酸盐水泥，水泥型号符合设计要求，并按规定对进场水泥进行检验强。b.粗、细骨料粗骨料采用自产碎石，花岗岩洞砟生产，最大粒径不大于15mm，骨料级配宜采用连续级配。含泥量不大于1%，泥块含量不应大于0.25%。细骨料采用西江河沙，中砂、细度模数2.5～3.0，含水率控制在5%～7%。砂中小于0.075mm的颗粒不大于20%。含泥量不大于3%，泥块含量不大于1%。c.减水剂本工程采用聚羧酸高效减水剂，掺量根据试验确定，掺量为水泥重量的0.8%。d.速凝剂本工程采用的是AC-III型液体速凝剂，掺量不超过水泥重量的5%。根据试验，混凝土添加该速凝剂初凝时间1-5min，终凝时间5-10min。它的后期强度保存率大于90%。e.水水质应符合工程用水的有关标准，水中不应含有影响水泥正常凝结与硬化的有害杂质。一般应采用饮用水。2.1.2配合比选择调整项目部根据现场实际情况，做了几组模型进行现场试验，选择最合理的一组，具体见下表。喷施混凝土配合比设计选型汇总序号水泥用量/kg水灰比速凝剂用量/%%砂率/%坍落度/cm初凝时间/miin终凝时间/miin28d强度/MMPa13600.4545013.33.76.828.223600.4045511.93.26.632.133800.4555013.54.67.537.943800.4055512.24.37.338.854100.4545012.93.36.236.864100.4055512.73.76.537.1分析得出，影响混凝土强度的主要因素为水灰比，影响凝结时间的主要因素为外加剂的掺量。实际分析考虑，在满足质量要求的情况下尽量节约成本，配合比采用5号，水泥：砂：碎石：水：速凝剂=1：2.1：2.1:0.45:0.06。2.1.3配合比优化根据喷射混凝土的设计强度，综合考虑其生产率、回弹率、一次喷砼厚度和混凝土的和易性等。水灰比过大，速凝效果愈差，回弹量增大，混凝土强度偏低；水灰比小，施工喷射困难，水泥水化不充分，强度较低，回弹增大。施工中不断调整优化试验，确定混凝土配合比，保证满足设计强度并控制坍落度在120mm±20mm。搅拌混合料采用HZ90的拌合站生产，每次搅拌时间不小于60s。拌合好的混合料运输时间不超过2小时，混合料随拌随用。2.2机械手喷混凝土工艺2.2.1工艺要求湿喷混凝土施工工艺流程图合格不合格清理混凝土喷射基面埋设喷射厚度标记检查风水电检查喷浆设备并试运行检查液态速凝剂系统作业面通风照明检查联络装置受喷面清理，排水料场配料拌合机水混凝土喷射机组速凝剂喷射作业机具清洗断面测量处理超欠挖制作试块运输复喷检查(1)喷头与受喷面的距离：湿喷机要求风压0．6～1．2MPa，喷头距受喷面太近时，压缩空气会将刚“粘”在受喷面上的混凝土拌和料吹走，使粗骨料的回弹量增大，喷射情况表明，当喷头距岩面为0.5～1.2m时较适宜。(2)喷射角度：喷头应保持与受喷面垂直，若受喷面被格栅、钢筋网覆盖时，可将喷头稍加偏斜，但不宜小于70°，如果喷头与受喷面的角度过小时，会形成混凝土物料在工作面上的滚动，出现凸凹不平的波形喷面，增加了回弹量，影响了所喷混凝土的质量。在配有钢筋网片的岩面喷射时，喷嘴应靠近受喷面，并与垂直方向有一个小角度，使钢筋后面的混凝土能喷射得更加密实，防止钢筋后漏喷，以获得较好的包裹效果。(3)喷头运动方式：机械手活动范围很大，所以应分段、分部喷射，喷射时分段长度不超过6m，由左右边墙向拱部逐层喷射。喷头应作连续不断的螺旋状圆周运动，螺旋直径约为20～30m，后一圈压前一圈三分之一。(4)喷射厚度：喷射混凝土对墙部一次喷层厚可达10以上，拱部一次喷层厚可达7cm。影响喷层厚度的主要因素是混凝土的坍落度，速凝剂的作用效果和气温。一般10～15cm左右的坍落度可获得较厚的喷层，能保证混凝土在2min内凝结的效果较好。(5)对有喷射缺陷的地段，应凿除后重新补喷。对喷射后渗、漏水处，可进行局部引排后再补喷；2.2.2人员因素由于本工程首次采用大型机械进行喷射作业，没有较为熟练的班组，我们只有采用自我摸索培训的方式在作业过程中不断提高。在机械手喷混凝土作业中，喷射手至关重要，喷射手的技术水平、经验、责任心在混凝土回弹及喷射速度乃至设备保养使用中起到决定性作用。一般来说，喷养一个较为熟练的喷射手至少要1个月以上时间，还要看喷射手悟性的高低。3湿喷机械手作业效果对比分析3.1快速性⑴喷射机组喷射速度快，效率高。在正常工况下施工，该机组的喷射量范围为7～25m3/h，平均为18m3/h。而TK500型湿喷机的喷射量为3～4m3/h。两者相比，1台的效率相当于5台TK500型湿喷机同时喷射的作业量。⑵准备时间短。喷射机组行走和喷射臂由内燃发动机作动力，行走采用四轮驱动，行走速度快，喷射机组到达工作面时，只需要将电缆卷筒的电缆接头连接在配电箱内，前后支腿支起，使用有线遥控器将大臂和小臂移动到待喷部位，整个过程只需要10min左右。若使用TK500型湿喷机，则需要用装载机分别将4台机器和放料盘并排放置在待喷部位，然后依次连接电机电缆、高压风管及速凝剂管等，整个过程需要30min以上。⑶喷射范围广且移动方便，能提高作业循环的速度。喷射机组的大臂和小臂通过油缸都可以伸缩2m的行程，在喷射机组不移动的情况下，喷射高度可达16m，宽度可达28m，特别是采用三臂凿岩台车进行新增工作面和主隧道的开挖过程中，体现了没有喷浆台架利用喷射机组进行喷浆的方便快捷性。（2）喷射机组在喷浆支护的过程中，喷射操作手通过有线遥控器（控制线长为15m）操作喷射臂的喷射位置和喷嘴的角度，而使用TK500型湿喷机进行喷浆支护作业时，喷射操作手要手持喷头和喷浆管，靠近施喷面近距离进行操作。相比而言，使用喷射机组进行喷浆作业，可以避免掌子面由于围岩较差而掉落石块伤人、喷射反弹料伤人等事故，同时可减少操作人员吸入大量喷射混凝土的粉尘而危害身体。因此，具有较好的安全性3.2经济性以某隧道2#斜井出口方向Ⅳ级围岩段施工为例，2009年10月份采用TK500型湿喷机与同年12月份采用喷射机组统计数据分析为例，如下表。喷射机组和TKK500型型湿喷机喷喷射成本比比较表设备名称PM500PCC型喷射机机组TK500型湿湿喷机购置成本价/万万元/台42010顶拱反弹率/%%1325边墙反弹率/%%815综合反弹率/%%1123.5整机总功率/kkW130（主油油泵55++空压机755）115（湿喷机机33+空压压机82）配件消耗量/元元/m325.416.8人工工时/人38速凝剂掺量/%%58喷射循环时间//h2.5～34.5～5采用喷射机组，可以使速凝剂掺量得以控制，降低喷射的反弹率并且减少混凝土罐车放料和等待喷射的时间。同时，在施工过程中可最大程度的降低设备的故障率和操作人员的劳动强度，使施工效率和经济效益得到明显提高。4.3安全性喷射机组在喷浆支护的过程中，喷射操作手通过有线遥控器（控制线长为15m）操作喷射臂的喷射位置和喷嘴的角度，而使用TK500型湿喷机进行喷浆支护作业时，喷射操作手要手持喷头和喷浆管，靠近施喷面近距离进行操作。如右图所示，相比而言，使用喷射机组进行喷浆作业，可以避免掌子面由于围岩较差而掉落石块伤人、喷射反弹料伤人等事故，同时可减少操作人员吸入大量喷射混凝土的粉尘而危害身体。因此，具有较好的安全性。4.结论湿喷机应用某隧道施工，保证了隧道施工安全与质量，加快了施工进度，减轻了对环境的污染，改善了工人的工作环境，体现出了以人为本的原则。型喷射机组具有施工机械化程度高、工作效率高、回弹量少、施工安全性强，作业环境好、总的经济效益和社会效益显著等诸多优点。但是喷射手熟练程度及技术水平的高低使得施工平整度问题还