陈庆飞

（中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司，辽宁 沈阳 312452）

1 工程概述

张裕1#隧道为单洞双线湿陷性黄土隧道，全长596m，隧道主要采用三台阶临时仰拱法施工，初期支护采用60cm间距格栅拱架，喷射30cm厚的C25砼进行支护。初期支护是隧道的主要承载结构，是施工安全最关键、最重要的保障。通过采取初期支护及时封闭成环、仰拱紧跟下台阶施工的措施，确保了隧道施工安全，取消了传统的隧道施工安全步距之说。隧道初期支护施工引进了湿喷机械手，即HPS3016S混凝土喷射台车，采用湿喷工艺，更好地确保了初支的密实度、强度等，同时缩短了初支砼喷射的时间，提升了整体施工效率。

2 湿喷机械手初期支护施工特点

（1）湿喷机械手集行走、泵送和喷射三大功能为一体。主要特点如下：①生产效率高。单位时间内喷射方量可在10～30m2/h范围调整，有利于现场快速施工。②回弹率低。干喷作业回弹率在40%左右、小湿喷机作业回弹率在35%左右、喷射机械手作业回弹率在15%左右，大幅度减小了材料浪费。③喷射效果好。湿喷机械手作业的砼由拌和站集中拌和罐车运输至现场，水灰比在控制范围内，保证了使用的砼质量，近而保证了初期支护结构质量，确保形成的初支混凝土的强度和密度。④污染小。湿喷机械手作业使用的是拌和好的砼，显著降低了作业环境的粉尘密度，减小了因空气污染对人体呼吸系统的危害。⑤操作简单。机械手将行走、泵送、喷射三大功能集为一体，明显减少了操作工人的劳动程度，并且拥有精确的速凝剂跟随系统和自动喷射功能，操作起来简单方便。

（2）隧道采用三台阶开挖，上台阶预留给机械手的操作空间有限，机械手伸缩旋转方式需要熟练地操作。

（3）采用机械喷射砼，隧道初期支护平整度是质量控制难点也是重点。

（4）喷射砼性能的好坏直接影响机械手的喷射质量，保证喷射砼的质量是做好初期支护质量控制的关键。

（5）黄土隧道初期支护快速封闭成环，采用三台阶开挖、仰拱紧跟下台阶施工的措施，确保了隧道施工安全，对湿喷机的工作效率和湿喷砼的质量要求较高。

3 隧道湿喷机械手在初期支护中的应用

3.1 湿喷机械的选用

隧道施工中初期支护喷射混凝土采用HPS3016S混凝土喷射台车进行喷砼作业，该机械手是活塞式湿喷机。HPS3016S混凝土喷射台车如图1所示。

图1 HPS3016S混凝土喷射台车

3.2 原材选用及施工配合比优化

混凝土原材中细骨料粗砂级配合理且细度模数在2.5～3.2，粗骨料碎石直径为5～10mm，选用的水泥要与混凝土设计标号相适应，且符合技术指标规定，一般采用普通硅酸盐水泥（P·O42.5）。根据现场喷射作业经验，混凝土坍落度低于160mm时，容易出现堵管现象；混凝土坍落度高于200mm时，形成的初支混凝土自稳性能差，容易脱落或滑塌，检测的混凝土强度也偏低。对于HPS3016S混凝土喷射台车，该机械手是活塞式湿喷机，砼的喷送成功与否与砼的质量有着密切的关系。保持砼的可泵送性、砼适中的坍落度（可塑性、流动性）和良好的和易性等有着密切的关系，因此砼生产时必须明确责任人，随时检测新进仓即将使用的砂石料含水率，及时调整喷射砼施工配合比，确保生产的砼性能良好。实践证明喷射砼性能良好，初支的各项质量指标也越好，喷射操作更加顺利，每个循环只需要2.5h，相比前期每个循环可节省0.5h。

3.3 机械手喷射要点

湿喷机械手的操作要点，喷射时尽量使三臂平行于拱架，喷嘴垂直于喷射面。首先通过四臂伸缩来实现纵向喷射混凝土作业，然后通过垂直回转和一臂的展开和伸缩来实现环向喷射混凝土作业，最后通过纵向及环向作业同时配合喷嘴的上下左右摆动进行找点即可实现隧道初支喷射施工。机械手湿喷工艺是一个动态施工过程，应该根据现场情况及时调整喷射角度、喷射距离、风压及混凝土坍落度等，因此要对操作人员提前培训，使其熟练掌握湿喷机的性能和操作要领。初期支护时要先整体喷射打底，然后自下而上逐段喷平（堆喷），最后减小风压补喷凹陷位置，切记局部喷射要控制好风压，切勿因喷量过大造成喷射面突出，高于设计面。

（1）喷嘴角度及喷射面距离。操作湿喷机械手时，起拱线以上一般将喷嘴垂直于喷射面进行作业。边墙喷射喷嘴下俯10°左右，自下而上形成堆喷作业，可有效减小垂直或角度过小造成的回弹现象，也能避免初支面受混凝土束影响产生波形喷面。喷嘴到喷射面的距离应根据机械手的单位时间喷射方量来确定，一般控制喷嘴至受喷面距离在1～1.5m为宜，主要以正常作业回弹量最小为宜。

（2）初期支护喷射方法。初期支护采用分层逐步喷射的方法，每次形成的初支控制在5～8cm厚度左右；开始喷射混凝土前在岩面埋设厚度量测组件，确保喷射厚度，不出现侵限或厚度不足现象；喷射后移动喷嘴至其他段待前一层硬化达到一定强度后方可喷射下层，确保两层之间不出现脱落现象；喷射作业应避免一次过薄回弹量大或一次过厚下坠流淌。

（3）初期支护的喷射顺序及时间间隔。隧道初期支护喷射顺序从下而上，分段、分片进行。喷射时按环向4～6m一段，分片宽度控制在1～1.2m，每段均应自下部起水平方向平移旋转往返数次喷射完成后方可向上移行，喷射最初要先找平坑凹处（坑洼处较大时要提前挂网），之后将喷头成螺旋形或“S”形缓慢均匀移动，每圈压前面半圈，现场随机调整喷射范围，主要根据混凝土速凝效果来确定，最终保证混凝土面平顺光滑；底层砼达到速凝效果后进行下一层喷射作业，两层砼间隔宜控制在10～15min。

（4）调整混凝土回弹量。喷射过程中由于岩面、钢筋或骨料相互碰撞而从受喷面上弹落下来的拌和物被称为初期支护回弹量，回弹量的多少反映了喷射作业砼的浪费程度，取决于很多因素，主要包括两类：一是操作原因如喷射位置、喷嘴角度、空气压力等；二是混凝土本身速凝剂参量、水泥标号及用量、原材级配及质量情况等。岩面初喷时回弹量较大，岩面反弹较多，因此在初期要尽量减小风压，当初期支护形成砼塑性层后可加大风压使砼束快速喷出，粗骨料也易嵌入底层砼从而减少回弹量。

（5）整平。隧道初支平整度直接影响外观质量，平整度超标会给防水板铺设等后续作业带来质量隐患，因此保证初支平整度良好是初支施工质量控制的重要环节。HPS3016S混凝土喷射台车原设置喷射能力在13～30m2/h，工作效率较高，但初支收面时难以控制，手柄最低只能将喷射能力调到13m2/h，收面时操作不当将会出现堆喷鼓包现象，导致初支表面平整度超标。经过厂家对风压的调整，将最小喷射能力调至9m2/h。补喷扫面后将不会再出现初期支护上堆喷块状砼的现象，调整前后现场左右两侧初支平整度效果对比如图2所示。

图2 调整喷射量前后补喷效果对比图

3.4 速凝剂的使用和参量调节

液体速凝剂参量的多少直接影响砼的硬化时间，液体速凝剂的敏感性和差异性每一批次均不相同，因此在喷射作业之前要根据试验结果来确定基本的参量值，考虑到成本控制，只要能达到速凝的效果，参量越少越好。机械手的速凝剂泵送系统是可以调整的，实际操作时要同风压一起确定计量泵流量。

3.5 特殊部位处理

（1）上台阶初期支护喷射砼施工。隧道起拱线以上因为喷射面下垂的原因，初喷时砼与岩面通常难以黏结，喷射时要循序渐进地扫面堆喷。同时因隧道为单洞双线湿陷性黄土隧道，进洞施工时为确保安全，上台阶预留核心土，核心土与拱顶间距离要大于1.4m，留给机械手操作空间，以便机械手可正常进行平移旋转操作，进行湿喷作业。机械手上台阶喷浆作业如图3所示。

图3 机械手上台阶喷浆作业

（2）格栅主骨架处混凝土喷射。黄土隧道Ⅴ类围岩设计采用“230”格栅拱架进行支护，钢架间距为0.6m。格栅背后设置20mm×20mm钢筋网片。主骨架间砼喷射较为容易，但拱架内部的初支砼层质量不宜控制。喷射到拱架内部时，要近距离（贴近）低风压、上下左右变换喷射角度去喷。喷射混凝土量宜控制在10～15m2/h，喷嘴距拱架控制在0.5m左右。拱架的背后以同样的方式进行操作，然后再充填钢筋网背后，最后采取正常湿喷方法喷实拱架之间段落。

4 结论

（1）工程实例中铁建大桥工程局集团第三工程有限公司蒙华项目张裕1#隧道初期支护前期湿喷施工过程中的经验表明，混凝土坍落度控制在160～200mm时，HPS3016S混凝土喷射台车喷射速度和喷射效果较好。

（2）HPS3016S混凝土喷射台车进行隧道初期支护喷射砼施工具有提高效率、降低回弹率、减少污染、操作简单等优点。

（3）HPS3016S混凝土喷射台车进行隧道初期支护喷射砼施工喷射效果好，保证了初支的质量，但作业过程中要提供足够的操作空间，把握好喷射角度及喷浆速度。