大型喷射混凝土机械手湿喷工艺施工工法.doc

大型喷射混凝土机械手湿喷工艺
施工工法
中国中铁四局集团第二工程有限公司
1. 前言
近年来，湿喷工艺取代了原干喷工艺，成为公路、铁路、水工隧道施工主要喷射工艺。国内现有的湿喷设备，大多结构简单、功能单一、生产效率低，施工时需要人工手持喷枪进行喷射，工人劳动强度大，骨料的反弹及喷射产生的粉尘对施喷人员健康有极大的危害,且混凝土的喷射质量主要依赖于工人的技术水平，随意性大，混凝土的回弹率高达30-40%，造成比较大的浪费。随着人员工费上涨和机械化程度的不断提高，选择喷射速度快、机械化程度高、回弹率低的大型喷射混凝土机械手将成为公路、铁路、水工隧道施工发展的必然。
吉图珲香水隧道位于吉林省蛟河市境内，全长4560m，隧道围岩以Ⅲ、IV级为主,设计喷射混凝土14800m³，施工中采用大型喷射混凝土机械手进行施工，显著改善了喷射混凝土质量，提高了工效，减少了回弹量，取得了较好的效果。经总结施工经验形成该工法。
2. 工法特点
2.1 施工速度快，每小时喷射混凝土量可达到10~25m³。
2.2 喷射混凝土附着力较好、密实度较高，工艺可控性高、强度较传统干喷混凝土高出20%左右，喷射混凝土表面平顺性较干喷好。
2.3 机械化程度高，操作人员较少，操作人员劳动强度低。
2.4 作业范围大，最大喷射宽度可达30m，最大喷射高度可达17m。
2.5 喷射回弹率低，回弹率可控制在15%以内。
2.6 作业环境较好，也较安全。
3. 适用范围
本工法适用于铁路、公路及水工隧道喷射混凝土施工。

4. 工艺原理
大型喷射混凝土机械手工作原理是将水泥、骨料、水和外加剂等按设计配合比经强制式搅拌机搅拌均匀后，利用混凝土运输罐车运送至喷射地点加入喷射机，通过喷射机泵将稠密流料泵送至喷头处，与电脑全自动配比掺量控制的液体速凝剂混合，再用高压空气进行喷射的一种方法。
大型喷射混凝土机械手工作基本原理见图4.1。

图4.1 大型喷射混凝土机械手工作基本原理

5. 施工工艺流程及操作要点
5.1工艺流程
大型喷射混凝土机械手湿喷工艺流程见图5.1。

施工准备

原材料进场检验

受喷面处理

选定混凝土配合比

埋设喷层厚度标钉

混凝土

喷射机械手就位

合格
自动计量搅拌混凝土

连通电源，开机调试

清洗、保养喷射机械手
混凝土运输车运输

初喷混凝土

加入液体速凝剂

施作锚杆、钢架（如果有）、挂钢筋网

补喷，调整配合比
复喷混凝土作业

质量检查

不合格

合格
机械手退出，结束

图5.1 大型喷射混凝土机械手湿喷工艺流程

5.2操作要点
5.2.1机械手湿喷C25混凝土推荐配合比
1、配合比设计技术规范
根据TB10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》规定，喷射混凝土水胶比不大于0.50，胶凝材料用量不小于400kg/m3，粗骨料最大料径不大于16mm，细骨料细度模数应大于2.5。
2、原材料的选用
1）水泥：PO42.5普通硅酸盐水泥；
2）细骨料：天然河砂、细度模数2.9，石粉含量2.4%，泥块含量0.1%；
3）粗骨料：5~10mm碎石，连续级配，含泥量0.7%，泥块含量0.1%；
4）速凝剂：ZB-6型液体速凝剂，掺量为凝胶材料的4%；
5）减水剂：RAWY101型，聚羧酸系高性能减水剂，掺量为凝胶材料的0.5%；
6）水：饮用水。
3、基准配合比计算
配制强度：fcu，o=25+1.645×5.0=33.2(MPa)
水胶比：w/c=0.45
用水量:W=207L（根据前期坍落度调试后取值）
胶凝材料用量：C=207/0.45 = 460 (kg/m³)
速凝剂用量：460×4%=18.4 (kg/m³)
减水剂用量：460×0.5%=2.3(kg/m³)
砂率选用: SP=50%（根据前期混凝土和易性调试后取值）
混凝土容重：ρ取2400 (kg/m³)
细集料用量：S=（2400-207-460-18.4-2.3）×50%=856(kg/m³)
粗集料用量：G=2400-207-460-18.4-2.3-856=856(kg/m³)
4、试拌调整，确定理论配合比
在计算配合比的基础上进行试拌，试拌后进行喷射实验，经过多次调整，确定基准配合比见表5.2。
表5.2喷射混凝土基准配合比
项目
水泥
（kg）
粗骨料（kg）
细骨料（kg）
速凝剂（kg）
减水剂（kg）
水
（L）
用量
460
701
1009
18.4
4.6
207
按此配合比进行拌制，混凝土坍落度为170mm，混凝土粘聚性良好，混凝土拌合物性能符合施工要求。对试拌确定的配合比进行三个不同水胶比的28d强度试验验证，所选配合比能满足设计及施工要求，且经济性合理，确定为理论配合比。
5.2.2 大型喷射混凝土机械手湿喷工艺操作要点
机械手湿喷混凝土作业时，骨料最大粒径、混凝土的和易性、风压大小、岩面整洁度、速凝剂掺量、一次喷射厚度、操作手经验水平、喷射距离、角度、喷射顺序、喷头移动等对喷射混凝土质量、回弹都有很大影响。
1、喷射顺序
喷射应先墙后拱，从下至上、以S曲线移动进行喷射。隧道从两侧边墙底部开始喷射，喷射到拱顶中心线位置闭合，完成一环喷射混凝土的一次试喷。
2、喷射角度
喷射时，喷头应保持与受喷面垂直。喷射交角过小将增加混凝土的回弹率，降低喷射密实度；垂直于岩面喷射时，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。
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。喷头距岩面的距离宜为0.8～1.2m。
4、喷射混凝土作业
喷射混凝土回弹在刚喷射时最大，当岩面喷厚达到2～3cm 后，回弹最小，且稳定，当喷射到附着在岩面的混凝土滑落、流淌时，一次喷厚达到最大，此时不能再继续喷射，应等喷射混凝土初凝后方能进行复喷。
喷射时首先伸展机械手大臂调整喷头在边墙底部施喷位置，使用机械手小臂自动平行功能调整小臂与地面水平，与隧道边墙平行，调整喷头距离、角度，完成上述工作后可开始喷射，喷射中尽量不要再调整喷头距离、角度及机械手大臂，仅需使用自动伸缩功能控制喷头在小臂上自动伸缩，即从一端缓慢运行到另一端来回2～3 次可完成一遍喷射；然后伸展大臂30cm 左右(在拱部根据隧道轮廓小臂做适当翻转)，大臂做垂直、水平移动，确保喷头与岩面的角度和距离，按上述顺序喷射下一部位，如此循环完成需喷混凝土的喷面。
5、堵管处理
喷射施工中极少发生堵管，若发生时应立即关闭机械手及计量泵，关掉输送风，拍打软管，并倒掉管内存留混凝土，堵管处理完成后应先加水喷射洗管，确保管路畅通无误后才能进行再次喷射施工。
6、混凝土坍落度要求
骨料最大粒径应小于16mm，否则会因阻力过大无法顺利喷出而冲掉喷嘴处塑料喷头而短时中止施喷，影响工效；混凝土坍落度宜为10～18cm。
7、工作风压、风量
工作风压宜为0.2～0.4MPa，工作风压的选择与混凝土的和易性有关，和易性越好，工作风压较小，反之偏大。风压调整应根据工作面距离，合理选用机械手的输送管直径，确保得到合适的混凝土出口速度，实际施工中应根据混凝土和易性、风压稳定性影响进行调整，以保证喷射混凝土在喷射口形成连续喷射、无流淌、并使得喷射混凝土能以合适速度垂直射向受喷面。
8、岩面整洁度
对于较脏岩面，先用高压风或水清洗受喷面，提高混凝土与岩面的黏结力以达到喷射最佳效果。欠挖超标过多的先行局部处理。对于渗水岩面，一般情况下湿喷可以将渗水封住，对于渗水较严重，形成水流时就需要打排水孔、挂防水板，然后进行喷护作业。
9、喷射层厚度
一次喷射层太厚，在自重作用下，喷层会出现错裂甚至引起坍落:太薄时大部分粗集料会回弹，喷层仅留砂浆，将影响喷射效果和质量。
10、速凝剂掺量
掺量过大导致回弹增大，混凝土喷层密实性变差；掺量过小导致喷层流淌下坠形成微裂纹或掉块。因此须在进行喷射混凝土作业时严格控制其掺量，以达到质量控制和节省成本的目的。一般拱部部分速凝剂掺量较边墙部分稍大，且喷射速度也相应较慢。
11、维修、保养
喷射结束后，应将机械手开至洞外或不影响正常施工的其他地点，按操作堆积对机器进行维护、保养。因机械手的维修难度和费用较高，因此机械手的日常维护保养工作显得十分的重要。
5.2.3 劳动组织
劳动力组织见表5.2.3。
表5.2.3 主要人员组织表
序号
工种
人数
工作内容/职责
备注
1
现场负责人
1
现场指挥、协调

2
安全员
1
负责施工中的安全防护

3
质检员
1
负责质量监控检查

4
技术员
2
负责技术指导、技术交底、测量放线

5
试验员
1
负责现场混凝土等

6
领工员
2
现场施工组织、控制

7
设备操作手
1
操作

8
辅助工
2
指挥罐车倒料，控制放料速度

9
修理工
1
喷射混凝土机械手日常维修保养

10
电工
1
负责现场电力设施维护等

6. 材料与设备
本工法主要机具设备见表6。
表6 主要机具设备表
序号
设备名称
单位
数量
备注
1
强制式搅拌机
台（套）
2
负责供应所需湿喷混凝土
2
罐车
台
3
运送混凝土
3
混凝土喷射机
台
1
挪曼尔特7110WPC混凝土喷射机
4
供水设备
套
6
用以清洗机械手混凝土输送管及软管
5
坍落度筒
个
1
用以测试喷射混凝土坍落度
7. 质量措施
7.1 质量控制标准
为确保湿喷混凝土厚度、均匀性、平顺性、强度达到设计要求，必须严格按照设计图纸施工，执行现行的《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）、TB10424-2010《铁路混凝土工程施工质量验收标准》及其他相关规定。
7.2 质量控制措施
影响喷层质量的主要因素有混凝土拌合物工作度、设备性能、操作手水平、速凝剂掺量、材料及混凝土配合比等。
7.2.1采用分层喷射、“动大臂、移小臂”的操作要点，确保移动喷射点由点到线再到面保证喷射混凝土的平整度。
7.2.2优化配合比，选择高质稳定的速凝剂，严格控制水胶比和速凝剂掺量，确保混凝土强度。
7.2.3采用预埋钢筋、分层喷射来保证喷射混凝土厚度。
7.2.4喷射前应先对岩面进行处理，软岩采用高压风吹洗、硬岩可采用水洗，以提高喷射混凝土与岩面黏结强度。
7.2.5喷射过程中严格按操作规程进行，调整喷头至岩面的角度和距离、工作风压、速凝剂掺量等工艺参数至最佳状态，降低喷射回弹率。
7.2.6一次试喷完成后，应间隙5～10分钟才能复喷，防止混凝土自重较大未初凝而掉块。
7.2.7挑选责任心强、有一定工作经验的施工人员成立专业班组，通过对专业班组的实战培训以及厂家现场跟踪指导，快速有效的提高机械手喷射技术。
7.2.8进入工地的主要材料严格按规定和设计要求把关，所有进场材料须有出厂合格证和必要的检验报告。对进场料、设备尤其是速凝剂的质量严格按技术质量标准进行检验。
7.2.9严格按配合比施工，控制好水灰比，控制好各种外加剂尤其是速凝剂的掺量。
8. 安全措施
8.1施工中严格按操作规程进行操作。
8.2注意按周期进行设备维护、保养。
8.3施工中注意电、风、液体速凝剂连接检查及出现问题的紧急处理。
8.4设备仅准许培训过的操作工人操作，其他参与喷射施工的工人不能动设备按钮。
8.5设备行走中应注意安全，在设计允许坡度、速度范围行走。
8.6速凝剂操作过程中应注意防止速凝剂泄漏腐蚀。
8.7机械手操作员应佩戴头部防护装置，防止混凝土回弹伤人。
8.8湿喷机械手进行喷混凝土作业时，施工人员应站在已经初期支护完成的安全位置，机器本身也应停在初期支护完成的部位，操作人员通过机械臂伸缩到掌子面进行喷射作业。

9. 环保节能措施
9.1成立以项目经理为组长的环保、文明施工领导小组，对施工现场的环境保护和文明施工进行监督、指导、检查。
9.2隧道内应加强通风和照明，在有粉尘的作业环境中作业，除洒水和通风外，作业人员还必须配备劳保防护用品。
9.3加强设备养护，减少设备漏油施工机械的废油废水，采用隔油池等有效措施加以处理，不得超标排放。
9.4 隧道内施工污水必须经治理净化处理后排放，不得直接排入河道，做好排水系统，保证排水通畅。
9.5施工现场应尽量减小噪音，施工人员按指定地点和时间活动，尽量不影响周围居民的正常工作和生活。
9.6施工现场机械设备更换的零、配件应及时回收；废油、废水等进行回收处理，不得随意乱倒。

10经济效益分析
在喷射混凝土回弹率方面，如采用传统小型干喷机作业，喷射混凝土回弹率超过30%，而使用大型喷射混凝土机械手施工，喷射混凝土回弹率小于15%，喷射混凝土回弹率可大大降低。在人员配置方面，使用耿力干喷机进行喷射混凝土作业时，1台干喷机需配备5名作业人员（包括上料人员，添加速凝剂人员，喷枪操作人员及辅助人员），一般需配备3台才能满足施工作业，作业人员需约15人，而使用喷射机械手时仅需要4名作业人员（设备操作手1人，辅助工2人，修理工1人）即可控制整个施工过程。可以节省11名劳动力。在施工效率方面，三台耿力干喷机在实际应用中其喷射混凝土量约为8.5 m³/h，一台大型喷射混凝土机械手喷射混凝土量超过10.5 m³/h，生产效率是三台耿力干喷机的1.2倍。在职业健康保障方面，传统干喷作业中，粉尘浓度普遍在80 mg/m³以上，有的高达100 mg/m³，远高于标准规定的2mg/m³，工作环境极差。使用机械手进行喷混凝土作业时，粉尘很少，噪音小，作业人员可站在距喷射面5～10m的位置遥控操作，工作环境较为舒适，通过佩戴防尘装置，可基本避免对作业人员身体健康的损伤，减小对企业形成的潜在风险。
经过对比测算，采用大型喷射混凝土机械手湿喷技术进行喷射混凝土施工（以Spraymec 7110 WPC湿喷机械手为例），与传统小型喷射机（以耿力干喷机为例）相比，每喷射1m³混凝土可节省费用约153.63元。
11. 应用实例
新建吉林至珲春段铁路客运专线JHSⅠ标段香水隧道，全长4560m，其中Ⅱ级围岩长2310m，Ⅲ级围岩长1659m，Ⅳ级围岩长384m，Ⅴ级围岩长113m，其余为明洞段，隧道为单洞双线隧道。
隧道断面12m*14m（最高*最宽）,Ⅱ级围岩喷C25混凝土5cm,Ⅲ级围岩喷C25混凝土12cm,Ⅳ级围岩喷C25混凝土25cm（I18）,Ⅴ级围岩喷C30混凝土28cm（I20），设计喷射混凝土14800m³。
自2013年4月挪曼尔特（normen）spraymec7110喷射机进场以来，二公司吉图珲客专第一经理部通过摸索和实验，成功掌握了大型喷射混凝土机械手湿喷工艺技术，显著改善了喷射混凝土质量，减少混凝土回弹量，提高了经济效率。本工法成功运用在香水隧道，取得了较好的经济效益和社会效益。

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