机械手湿喷混凝土施工技术在单线铁路隧道中的应用

张晓楠

（中铁十五局集团第五工程有限公司，天津 300133）

1 工程概况

张坊隧道为单线无砟轨道，隧道全长5755m，为锚喷支护，复合式衬砌。隧址区地层为元古界中段板岩及雪峰晚期花岗闪长岩，零星分布第四系坡洪积、坡残积层。该区构造活动强烈，受褶皱、断裂及岩浆侵入影响，岩体破碎，节理发育。侵入岩风化层厚度变化大，球状风化发育。山间谷地局部分布软土，工程性质差。

2 工作原理

机械手湿喷是隧道湿喷混凝土支护的核心设备和技术，其利用高压空气流体动力把强制式预拌制混凝土和全自动配比掺量控制的液体速凝剂混合高速度喷射于受喷面，依赖喷射过程中水泥与骨料的连续撞击、压密而形成的一种混凝土层。

3 工艺流程

机械手湿喷混凝土工艺流程如图1所示。

图1 湿喷混凝土工艺流程图

4 喷射混凝土的质量要点

喷射混凝土质量的4个主要指标：①平整度。喷射混凝土外观质量的直观表现，为后期防水卷材的铺设创造条件，加快施工进度，确保衬砌施工质量。②密实度。对喷射混凝土强度质量有直接的影响，较好的密实度能有效解决混凝土的质量缺陷，如初支渗水、强度不足等。③强度。喷射混凝土质量的核心，与混凝土本身的原材料、配合比等密切相关。④厚度。喷射混凝土质量的一个量化指标，满足设计规范要求厚度是保证初支结构强度的条件[1]。

5 湿喷机型号及人员配备

湿喷机采用铁建重工HPS3016SW，外形尺寸为11234mm×2500mm×3198mm，电机功率为55kW，柴油机功率为75kW，理论输送量为30m3/h。1台湿喷机需喷射手1人，助手兼前台指挥2人。

6 C25湿喷混凝土配合比

6.1 喷射混凝土原材料选用

喷射混凝土原材料选用具体如表1所示。

表1 喷射混凝土原材料选用

6.2 喷射混凝土的配合比选定

优化确定理论配合比，再到现场进行实施，论证混凝土的回弹率、与机械手的适用性、混凝土强度等，再局部微调，最终达到较为理想的配合比数据。

（1）喷射混凝土配合比设计要求。①耐久性、强度、密实度以及与受喷面、钢架等的黏结力满足相关标准和设计要求；②能向上喷射到指定的厚度，且回弹损失小；③与机械手适用性好，不发生堵管或喷射面流淌塌落。

（2）喷射混凝土配合比设计。①胶骨比。单位体积混凝土的不同材料用量对混凝土性能的影响如表2所示。②砂率。不同砂率对喷射混凝土性能的影响如表3所示。③水灰比。不同水灰比对混凝土性能的影响如表4所示。⑤速凝剂掺量。喷射混凝土时严格控制速凝剂掺量，根据结构对混凝土早期和后期强度的要求，并通过试验和现场验证，铁科液态速凝剂掺量应≤水泥掺量的6%。综合以上因素考虑，再结合现场试验的试喷情况，最终选定采用湿喷机械手的湿喷混凝土的配合比如表5所示。

表2 单位体积混凝土的材料用量

表3 不同砂率对喷射混凝土性能的影响

表4 不同水灰比对混凝土性能的影响

表5 施工配合比

7 施工工艺及质量控制

（1）湿喷混凝土拌合和运输。采取全自动计量强制式搅拌机严格按配合比操作，搅拌时间≥2min，由机械手自动加入速凝剂，采用混凝土运输罐车运输，并与喷混凝土速度相匹配防止坍落度损失较大。

（2）岩面整洁度。先用高压风清理受喷岩面的浮尘、岩屑，提高混凝土与岩面的黏结力。关于岩面渗水现象，一般渗水岩面可采用湿喷的方式将渗水封住，小股水或裂隙渗漏水采用导管引排后再喷射混凝土，大股涌水采用径向小导管注浆堵水后再喷射混凝土。

（3）喷射顺序及喷层厚度。喷射应按照先墙后拱的顺序进行，初喷混凝土前先在拱顶、拱脚两侧埋设控制喷射厚度的钢筋头，初喷时先将低洼处大致喷平，初喷厚度应≥40mm。复喷自下而上分段、分片、分层，分段长度≤6m，分层厚度拱部为5～8cm，边墙为7～10cm，先喷钢架与壁面间，再喷两钢架之间。台阶法开挖断面，若上下导坑同时有喷射任务，应先喷下导钢架，再喷上台阶钢架。

（4）喷射角度及距离。喷头应保持与受喷面垂直，通过现场调整喷嘴与受喷面间距控制在0.8～1.2m时回弹量最小，拱部回弹率为15%，边墙为10%；若受喷面被钢架、钢筋网覆盖时，微调喷嘴的喷射角度和与受喷面的距离，将钢架、钢筋网背后喷填密实；在喷边墙及仰拱时，需将上半断面拱脚喷射时的回弹物清理干净，防止将回弹物卷入下部喷层中形成“蜂窝”而降低支护能力。

（5）混凝土坍落度要求。混凝土坍落度控制在（180±20）mm，过小会因阻力过大无法顺利喷出而冲掉喷嘴处塑料喷头或堵管，导致终止湿喷，影响工效，过大会影响湿喷质量。

（6）喷射混凝土作业。开始喷射混凝土时回弹最大，当混凝土喷厚达到2～3cm后，回弹最小且稳定。当混凝土出现滑落、掉块时，一次喷厚达到最大，此时不能再继续喷射，需等混凝土初凝后方能复喷。终凝1h后再进行喷射时，先用风水清洗喷层表面。喷射结束前检查混凝土表面平整度和厚度，若检查出喷射空洞、拱架外漏、喷射不密实等情况应及时处理。

（7）堵管处理。该工程现场湿喷很少堵管，若堵管就关闭机械手，再关闭计量泵、振动装置和风阀，然后用清水将机内、输送管路内混凝土清除干净，再先加水喷射洗管，确保管路畅通后再次喷射施工。

（8）超喷处理。对发现的超喷处由人工采用铁锹等工具进行铲除，并补喷处理平顺，防止喷射混凝土侵占衬砌空间。

（9）混凝土养护。为保证水泥充分水化，减少和防止混凝土不正常的收缩裂缝，混凝土终凝后采用洒水养护，要求养护时间≥14d。遇特殊情况，如气温＜5℃或围岩条件不允许洒水养护时，可采用喷雾养护。

8 结束语

综上所述，文章结合湿喷机械手在蒙华铁路张坊隧道的实践应用，对喷射混凝土的配合比设计、施工工艺及质量控制等进行分析总结。实践证明，湿喷机械手在单线铁路隧道中的应用具有可行性，且发展前景广阔，能够有效推动隧道工程机械化施工的发展。