机械手湿喷混凝土工艺在施工中的应用

　　摘要：喷射机械手湿喷混凝土施工技术。从喷射机械手的工艺特点、工艺原理、工艺流程、操作要点
　　关键词：机械手，湿喷，工艺
　　1引言
　　近年来，湿喷工艺取代了原干喷工艺，成为铁路、公路及水工隧道施工的主要喷射工艺。湿喷机的选择是实施湿式喷射混凝土工艺的关键，随着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已成为铁路、公路及水工隧道施工的主流工艺，也使喷射作业进入现代工业化时代。
　　由中铁一局集团第五工程有限公司施工的云桂铁路石林隧道采用大型喷射混凝土机械手湿喷工艺施工技术取得了成功，具有较好的社会经济效益。
　　2工艺特点
　　⑴施工进度快，最高每小时可喷混凝土20m3；
　　⑵喷射混凝土附着力较好、密实度较高，强度较传统湿喷混凝土高出20%左右；
　　⑶机械化程度高，操作人员较少，操作人员劳动强度低；
　　⑷作业范围大，最大喷射高度可达26m，一次定位喷射移动距离12m；
　　⑸喷射回弹率低，回弹率可控制在12%以内；
　　3工艺原理
　　通过泵送作用（稠密流运输）湿混物经管道流到喷嘴处，泵送物不通过压力作用流出，仅仅由喷嘴上的高压空气使之喷射，通过调节高压空气使浪费最少并使材料达到很好的效果。同时在高压空气中加入速凝剂，既能保证混合物在喷射表面迅速凝固，也不会产生烟尘，且使用更少的空气并减少损耗。
　　CSS3喷射机械手湿喷混凝土基本构造，见图1。
　　4工艺流程及操作要点
　　4.1工艺流程
　　CSS3喷射机械手湿喷工艺流程，见图2。
　　图2机械手湿喷工艺流程图
　　4.2操作要点
　　4.2.1机械手湿喷C25混凝土推荐配合比
　　⑴配合比设计技术要求，见表1。
　　表1配合比设计技术要求
　　序号 项目 技术要求 序号 项目 技术要求
　　1 使用部位 隧道初期支护 7 配制强度 33.2Mpa
　　2 拌和方法 机械拌和 8 速凝剂掺量 5.0%
　　3 工地施工方法 喷射 9 减水剂掺量 1.0%
　　4 要求坍落度 140-180mm 10 粉煤灰掺量 21%
　　5 设计强度等级 C25 11 胶凝材料限值 ≥400㎏/m³
　　6 标准差 5.0Mpa 12 最大水胶比 0.50
　　⑵原材料的选用
　　①水泥：P•042.5普通硅酸盐水泥，水泥用量400kg/m3；
　　②粉煤灰：F类C50以下混凝土用粉煤灰；
　　③细骨料：机制砂、细度模数3.3，石粉含量5.3%，泥块含量0.1%；
　　④粗骨料：5～10mm碎石，连续级配，含泥量0.7%，泥块含量0.1%；
　　⑤速凝剂：KT-5型液体速凝剂，掺量为胶凝材料的4%；
　　⑥减水剂：KDSP-1聚羧酸高效减水剂，掺量为胶凝材料的1.0%；
　　⑦水：饮用水。
　　⑶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=0.40
　　用水量:W=208（根据前期坍落度调试后取值）
　　胶凝材料用量：C=208/0.40=520(kg/m³)
　　速凝剂用量：520×5%=26(kg/m³)
　　减水剂用量：520×1.0%=5.2(kg/m³)
　　砂率选用:SP=68%（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=（2400-208-520-26-5.2）×68%=1116(kg/m³)
　　粗集料用量：G=2400-208-520-26-5.2-1116=525(kg/m³)
　　⑷试拌调整，确定基准配合比
　　经试拌，混凝土坍落度为170mm，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。
　　表2基准配合比
　　水胶比 混凝土各材料用量（kg/m³）
　　 水泥 粉煤灰 砂 碎石 水 速凝剂 减水剂
　　0.40 410 110 1116 525 208 26 5.2
　　⑸各项指标测试
　　拟定三个不同水胶比的配合比，见表3。
　　表3不同水胶比的配合比
　　水胶比 混凝土各材料用量（kg/m³）
　　 水泥 粉煤灰 砂 碎石 水 速凝剂 减水剂
　　0.40 410 110 1116 525 208 26.0 5.2
　　0.35 469 125 1062 500 208 29.7 5.9
　　0.45 365 97 1158 544 208 23.1 4.6
　　水胶比 坍落度（mm） 1天抗压MPa 7天抗压MPa 28天抗压MPa 容重（kg/m³）
　　     
　　0.40 170 18.5 31.4 37.4 2400
　　0.35 150 22.4 32.6 38.6 2400
　　0.45 180 14.8 28.9 36.8 2400
　　⑹理论配合比确定
　　根据以上试验结果，拟用W/C=0.40的配合比为试验室配合比，实测容重和理论容重相差较小，其校正系数δ均小于2%，故容重不需要调整，确定的理论配合比，见表4。
　　表4确定的理论配合比
　　水胶比 混凝土各材料用量（kg/m³）
　　 水泥 粉煤灰 砂 碎石 水 速凝剂 减水剂
　　0.40 410 110 1116 525 208 26.0 5.2
　　4.2.2机械手湿喷混凝土操作要点
　　机械手湿喷混凝土作业时，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。CSS3喷射机械手湿喷作业时，喷头距岩面的距离宜为0.8～1.2m。
　　(4)喷头移动。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、角度及动机械手大臂，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。
　　4.2.3机械手湿喷混凝土风压、风量调整
　　风压调整应根据工作面距离，合理选用CSS3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。
　　4.2.4机械手湿喷混凝土喷射方量及液体速凝剂调整
　　在CSS3机械手运行过程中可根据风量、喷射要求等对混凝土喷射方量进行相应调整，具体喷射方量在屏幕菜单上有显示；液体速凝剂可进入配比菜单，根据每立方混凝土中水泥用量按2％设置速凝剂添加量。
　　5材料与设备
　　机械手湿喷混凝土主要机械设备配置，见表5。
　　表5主要机械设备配置表
　　设备名称 数量及备注
　　HZS-90混凝土搅拌站 2台(带自动计量配料装置)
　　CSS3型喷射机械手 1台
　　混凝土运输搅拌车 2台
　　机械手易损件 备用
　　6劳动力组织
　　隧道施工中，初期支护的混凝土喷射应在开挖后尽快施作，人员配置必须合理，通过实践，总结出一个工作面比较理想的人员配置，见表6。
　　表6一个工作面作业人员配置表
　　作业人员 人数(人)
　　混凝土拌合站 3
　　混凝土输送司机 3
　　机械手操作人员 3
　　机械手保养人员 1
　　7质量措施
　　⑴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。
　　⑵喷射过程中严格按操作规程进行，调整好速凝剂参数，降低喷射回弹率。
　　⑶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。
　　⑷喷射混凝土应与围岩、钢架、钢筋网结合紧密，背后无空洞、无杂物；喷射混凝土表面应密实、平整，无裂缝、脱落、漏喷、漏筋、空鼓，锚杆头无外露。
　　⑸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。
　　⑹材料采购前对分供方进行评定，选择合格的分供方厂家购料。所购材料必须附有说明书、合格证、技术检验证等质量证件，并满足本工程要求。
　　⑺进入工地的主要材料严格按规定和设计要求把关，所有厂制材料须有出厂合格证和必要的检验、试验单。对进场料、设备按技术质量标准、样品进行严格检验。
　　⑻严格按配合比施工，控制好水灰比，控制好各种外加剂。
　　8安全措施
　　⑴施工中严格按《CSS3喷射机使用手册》操作设备。
　　⑵注意按周期进行设备维护、保养。
　　⑶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。
　　⑷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。
　　⑸设备行走中应注意安全，在设计允许坡度、速度范围行走。
　　⑹速凝剂操作过程中应注意防止速凝剂泄漏灼伤。
　　⑺机械手操作员应佩戴头部防护装置，防止混凝土回弹伤人。
　　9环保及节能措施
　　⑴采用机械手湿喷混凝土，充分利用动力电压，减少了油料的消耗，同时喷射同体积方量的混凝土，其耗电量远低于普通湿喷机，达到节能和环保的要求。
　　⑵喷射机械手的喷射走位灵活，变换自由，能选择到最佳喷射位置，最大限度的减小混凝土回弹率8%～15%，极大降低混凝土施工成本。
　　⑶机械手布料区域广，输出方量大，且移动方便，喷射位高不用筑台，机械就位时间快，节约时间，同时较人工湿喷操作人员减小3～4人。
　　⑷机械手使用功能强大，混凝土喷射速度快，能加快施工进度，相同混凝土喷射速度提高一倍以上，对大方量混凝土更节约时间。
　　⑸机械手喷射时产生的粉尘少，作业环境得到极大改善，能有效的保护工作人员的健康。
　　参考文献
　　1.关宝树，隧道工程施工要点集〔M〕.北京：人民交通出版社，2003；
　　2.关宝树，隧道工程设计要点集〔M〕．北京：人民交通出版社，2004；
　　3.高速铁路隧道工程施工技术指南(铁建设〔2010〕241号)；
　　4.高速铁路隧道工程施工质量验收标准(TB10753-2010)；
　　5.铁路混凝土工程施工技术指南(铁建设〔2010〕241号)
　　6.铁路混凝土工程施工质量验收标准(TB10424-2010)；

《机械手湿喷混凝土工艺在施工中的应用》

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