摘要：在铁路基建中，隧道建设是搞好铁路建设的核心问题之一，而隧道初期支护中的混凝土喷射又是搞好隧道施工的关键工序之一。文章以大中山隧道采用的喷射混凝土机械化作业设备为例，分析了影响机械化喷射混凝土作业/实效的关键影响因素，并为今后铁路隧道工程的机械化配套提供了借鉴和参考。

关键词：湿喷机械手；隧道工程；机械化；铁路基建；混凝土喷射 文献标识码：A

中图分类号：U49 文章编号：1009-2374（2017）05-0167-03 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2017.05.081

喷射混凝土广泛应用于铁路、公路、水利水电、市政、矿山、军事等行业隧道及地下工程领域，是对隧道及地下工程进行围岩支护，确保围岩稳定的主要手段之一。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。现存湿喷作业主要模式（小型湿喷机，手持喷嘴作业）虽然解决了质量控制和改善环境（降低粉尘）问题，但喷射作业的危险性、高强度劳动、效率低等问题没有得到解决。小型湿喷机的主要特点是：设备采购成本低，比较灵活，对隧道断面适应性强。随着我国隧道施工技术的发展和人力成本的上升，现有的小型混凝土喷射机已经不能满足长大隧道快速机械化施工的要求，而且小型湿喷机的自动化程度低，劳动强度大、人员安全性保障弱、需要操作的人员多，因此使用成本越来越高，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，且工人的喷射技术决定了混凝土喷射的质量，不确定性太大，容易造成比較大的浪费。目前，由于人工费用不断的增长以及机械化水平的不断提高，未来必然会在公路、铁路、水工隧道施工中选择喷射效率高，机械化程度高的大型喷射混凝土机械手。

本文就大中山隧道采用的TKJ-20型混凝土喷射机械手（以下简称“机械手”）湿喷工艺施工技术成功应用进行介绍。

1 概况

中铁上海工程局集团有限公司（以下简称“中铁上海局”）承建的大中山隧道，位于河南省三门峡市卢氏县五里川镇及瓦窑沟乡境内，是蒙西至华中地区铁路（以下简称“蒙华铁路”）全线重点控制性工程。该隧道为双线单洞隧道，隧道长度14533m，隧道进口里程DK789+556，出口里程为DK804+089。隧道埋深一般为80～500m，最大埋深710m，纵坡为人字坡。3#横洞：位于线路左侧，交于线路DK802+360处，与线路小里程夹角115.25°，斜井综合坡度为-0.3%，长336m。

大中山隧道位于豫西秦岭东段，构造水文地质条件较复杂，场区以侵蚀构造中低山为主，地形陡峭，沟谷狭长，多呈“V”字型。隧道穿越砂砾岩、云母石英片岩、片麻岩、大理岩等弱风化地层，局部浅埋段，构造段位于强风化破碎基岩，可溶岩表面可见溶蚀现象，花岗岩地段可见不均匀风化现象；山坡自然坡度一般为40°～70°。区内标高700～1500m，最高标高点为1492.3m。山坡植被发育，田地及村舍一般沿沟谷分部。

区内溪沟十分发育，属长江水系。南部少量溪沟汇入五里川河，后汇入老灌河，过西峡至淅川县汇入点丹江口水库；大部分溪沟汇入瓦窑沟河，后汇入淇河，经西峡汇入丹江。河谷的特点是落差大，水流急，弯曲度大，峡谷河段长，支流多，水量分部不均，旱季沟谷水流小甚至断流，洪水季节水量大，甚至出现山洪。

2 设备选型

2.1 TKJ-20型混凝土喷射机械手性能匹配

在隧道机械化施工中，混凝土湿喷机械手是非常重要的设备。混凝土机械化的作业线由三部分组成，分别是机械手、混凝土搅拌站、搅拌运输车。隧道开挖后采用中铁岩锋TKJ-20型混凝土喷射机械手（以下简称“机械手”）进行初期支护混凝土喷射，该机械手和早高强喷射混凝土技术配合使用，就形成了软弱围岩隧道快速机械化施工成套技术，在采用隧道台阶法施工时，通过喷射混凝土，作业无死角；地盘选用轮式装载机时，具备机动灵活、性能优良、通过性能高以及便于维修等优点；采用电机和柴油机两个动力系统，能够根据需求进行更换，适应性强。

主要性能参数见表1，设备外观见图1：

2.2 TKJ-20型混凝土喷射机械手特性

2.2.1 独特喷射机械手结构。该机组使用的机械手是一种具有移动式回转支柱的两级臂架结构，在我国的软弱围岩台阶法施工时，非常适用，能够在三台阶环形开挖留核心土功法喷射作业进行全面覆盖。

2.2.2 均匀稀薄流湿喷技术。国外机组（国内仿制机型）均采用泵送稠密流湿喷技术，机械、液压、电控系统复杂，对混凝土拌合物和易性要求高，胶凝材料用量大，难以普及推广。中铁岩锋长期致力于均匀稀薄流湿喷技术研究，在本领域处于国际领先水平。

2.2.3 底盘结构。采用专用底盘，其技术特征为四轮驱动，铰接转向，大型越野轮胎，具有机动灵活、维护简便等特点，适应隧道作业路面工况，喷射作业时无需底盘支撑，可最大程度实现快速进退场要求。

上述三个技术特点，使TKJ-20型混凝土喷射机组实现了液压系统的极致简化，这种简单化使该设备具备良好的普及推广前景。同时，该机组在作业期间该机械手完成单循环4.2m的初喷用时约40分钟，作业效率较高。

3 施工工艺关键管控要点

混凝土喷射施工作业实效与混凝土拌合物性能（设计强度、和易性、流动性等）、混凝土喷射设备作业效率、作业人员操作技能水平、施工工序组织及衔接等诸多因素息息相关，任一方面的短板都会影响整体工序的工效，其中需要重点关注的包含以下方面：

3.1 混凝土物料配合比设计

喷射混凝土与模筑混凝土用途不一，但对拌合物配合比设计要求提出了更高的要求，工程建设管理人员在进行配合比设计时一定要非常注意，应该预先建立一个混凝土拌合物“工作度”的概念。配合比设计必须对强度、工作度、耐久性等多个指标进行控制。应该首先考虑速凝剂和射流密实等因素，然后再确定基准配制强度。

喷射混凝土的强度、回弹率以及初喷层的厚度都会影响到喷射混凝土配合比。根据设计的强度确定水和灰的配比后，应该注重选择混凝土和速凝剂，要控制坍落度在14～18cm之间，并且应该有很好的黏聚性，将混凝土的综合回弹率（含拱部、边墙）控制在15%以内。

计算以后，调整试拌，然后确定基准配合比，混凝土坍落度为185mm，混凝土粘聚性良好，工作性能满足施工需要。确定为基准配合比，见表2：

3.2 混凝土原材料选择

3.2.1 泥：商洛尧柏龙桥水泥有限公司P.O42.5水泥。

3.2.2 粗骨料：莫家沟碎石场，5～10mm碎石。

3.2.3 細骨料：卢氏县军鹏砂场，中砂。

3.2.4 速凝剂：安徽中铁工程材料科技有限公司ZTC-S1001。

3.2.5 减水剂：安徽中铁工程材料科技有限公司RAWY101标准型。

3.2.6 水：搅拌混凝土用水。

3.3 机械手操作要点

在机械手进行混凝土喷射工作时，各个方面都会影响到混凝土喷射的质量，比如喷射的角度、喷射距离、喷射顺序以及喷头的移动轨迹。

3.3.1 喷射顺序。在喷射混凝土时，应该首先喷射墙面，然后再喷射拱梁，并且从下向上进行喷射，移动轨迹要以S曲线进行移动喷射。在对隧道进行混凝土喷射时，应该首先喷射隧道两侧边墙的底部，喷射到拱顶中心线位置时闭合机械手，完成了一环的混凝土喷射工作。

3.3.2 喷射角度。在喷射混凝土时，喷头应该和被喷射的墙面垂直。在喷头和受喷面之间的夹角较小时，混凝土更加容易回弹，降低了混凝土喷射的密实度；在喷头和受喷面垂直时进行喷射，连续喷射的混凝土会将反弹的混凝土继续喷射到受喷面上，可以有效降低回弹率，增加了一次喷射厚度。

3.3.3 喷射距离。在进行湿喷时，需要的风压较大，当喷头和受喷面之间的距离较近时，高压风会将受喷面上贴附不太紧实的混凝土吹掉，增加了混凝土的回弹率。在喷射机械手进行湿喷工作时，喷头和受喷面之间的距离应该在0.8～1.2m之间。

3.3.4 喷头移动。在进行混凝土喷射时，在最初的阶段，混凝土的回弹率是最高的，当受喷面的厚度达到2～3cm后，混凝土的回弹率是最小的，并且非常稳定，当喷射在受喷面上的混凝土滑落、流淌时，一次喷厚达到最大，这个时候不能再继续进行喷射了，等到喷射的混凝土初步凝固后再进行第二次喷射。

在进行混凝土喷射时，首先伸展机械手的大臂，调整喷头在边墙底部施喷的位置，通过机械手小臂上的自动平行功能调整小臂和地面之间的水平位置，应和隧道边墙相平行，最后调整喷头距离、角度，然后进行喷射，在进行混凝土喷射的过程中，不要再调整喷头的距离和角度以及机械手的大小臂，只需通过使用自动伸缩功能调整喷头在小臂上的位置，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，调整喷头和受喷面之间的角度和距离，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。

4 施工效果总结及探讨

4.1 作业功效对比

4.1.1 机械手施工作业效率高。

4.1.2 机械手喷射效率与施工组织匹配度高。基本无待料窝工。

4.1.3 进退作业场所时间短。

4.1.4 该臂架结合与台阶法施工适合度强。

4.1.5 该机械手使用期间配件成本费用较为稳定，且费率较低。截至2016年8月，该隧道已完成喷射混凝土31352.92m3，据统计，折算到每m3混凝土，配件及耗材综合成本为10.40元/m3。

4.1.6 作业人员安全性保障强。

4.2 经济效益成本简析

经测算，在湿喷工艺条件下，以该设备为主构建的初期支护机械化作业模式相对于传统的小型湿喷机半机械化作业模式，具有显著经济效益：

4.2.1 节省人工成本。喷射混凝土机械化作业工班仅需3名作业人员，相对于传统模式的6～10人，预计每年可节省人工成本20万元以上。

4.2.2 节省材料成本。机械化作业模式由于可以准确控制喷嘴角度和距离，可以降低回弹5%～10%，预计年度效益在30万元以上。

4.2.3 时间效益。机械化作业模式可以提高作业效率，减少喷射混凝土作业循环时间。综合分析，该机械手可通过降低成本在1年内收回购置成本。

5 结语

在大中山隧道施工时，采用的是TKJ-20型混凝土湿喷机械手，在实际的工作中，更加容易了解、学习相关的知识，能够更好地掌握大型喷射混凝土设备的湿喷施工技术，不仅能够提高喷涂施工的质量，还提高了工作的效率，也减少了施工的成本，改善了工作周围的环境，同时对于施工人员的身体健康有了进一步的保障。在铁路隧道施工中，湿喷喷射机械手相较于干喷喷射机械手而言，能够更好地解决回弹、粉尘等问题。并且和半机械化（人工抱喷头）作业湿喷工艺相比较，有很大的优越性，在隧道初期支护中使用喷射机械手，具有很强的生命力和很好的发展前景。

参考文献

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[2] 杜海若.工程机械概论[M].成都：西南交通大学出版社，2009.

[3] 禹跃云.铁路隧道机械化施工探讨[J].科技创新与应用，2014，（4）.

[4] 罗朝廷，郑朝保.喷浆机械手在支护工程中的应用[J].铁道建筑，2015，（11）.

[5] 陈生.机械手湿喷技术在高天隧道中的应用[J].建筑机械，2014，（11）.

作者简介：汪小俊（1984-），男，湖北武汉人，中铁上海工程局集团有限公司工程师，研究方向：施工设备管理。

（责任编辑：小 燕）