CIFA-CSS3混凝土喷射机在连江口隧道应用研究

摘要：本文介绍CIFA-CSS3混凝土喷射机的基本构成、工作原理及其在隧道施工中的工艺流程及控制要点。

关键词：基本构成；工作原理；工艺流程；控制要点

Abstract: This paper introduces the CIFA-CSS3 concrete jetting machine's basic structure working principle and in the process of tunnel construction process and control points.

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,Key word: Basic structure;working principle; process flow; control points

中图分类号：TU643 文献标识码：A 文章编号：

连江口隧道工程概况

连江口隧道按设计围岩分类，处于Ⅲ级以下，洞口残坡积覆盖层较厚，进、出口Ⅴ级加强段较长，洞内部分岩体破碎、节理发育、层间结合力差，地质资料揭示有3处地质构造带，地下水可能富集。连江口隧道左洞2265米，右洞2168米，分两头进行开挖。此隧道采用机械化施工，使用CIFA-CSS3混凝土喷射机械手进行砼喷射支护。

2. CIFA-CSS3混凝土喷射机简介

CIFA-CSS3混凝土喷射机械手主要由三大系统（如图1所示）组成：混凝土输送系统、外加剂计量系统、压缩空气系统;外加底盘行驶系统。该设备最大理论输出方量为30m3/h，最大输出压力为65 bar，喷嘴轴向转角180°，喷嘴径向转角±45°，臂架纵向滑移行程3.7 m，喷射骨料最大粒径为20mm，装机功率（电机-柴油机）45-61 kW，能在2m≤R≤14 m的断面隧道内使用；该设备采用无线摇控操纵，配备uniflux EAS-2 (外加剂计量系统)能精确测量并自动调节外加剂添加量，适合所有液态外加剂，在泵送参数发生变化时保持外加剂添加比率恒定，并具有人机对话、施喷数据设置、记录储存、即时表现喷射工况、故障警告等先进自动控制系统。

图1 CIFA-CSS3混凝土喷射机械手三大系统

3. CIFA-CSS3混凝土喷射机在连江口隧道施工工作简介

CIFA-CSS3混凝土喷射机是采用致密流湿喷法模式来进行喷射作业的喷射设备。其工作原理实质上是通过柱塞泵来挤送拌和料，使用液态速凝剂和压缩空气在混合器中混合，然后进入喷嘴与泵送出的混凝土瞬时拌合后从喷嘴高压喷出，喷向工作面，以取得混凝土坚固的速凝效果。操作机械手应遵循“转台移动与小臂伸缩定距离、转台与中小臂旋转定位置、喷嘴定角度”的原则，寻找最佳方位喷射混凝土。具体喷射时首先伸展机械手大臂，然后伸展中臂与小臂，完成臂架伸展后旋转臂架，使喷头落在边墙底部的施喷位置上，调整喷头角度，完成上述工作后可开始喷射，启动喷射机时，先送风，再加料，待混凝土从喷嘴喷出后，然后供给液态速凝剂。喷射过程中，喷头尽可能垂直岩面，角度控制在75-90°，喷嘴应均匀地呈螺旋形转动，最佳喷射距离控制在1m为宜。

4. CIFA-CSS3混凝土喷射机在连江口隧道施工工艺控制

（1）喷头与受喷面的距离：CIFA-CSS3混凝土喷射机要求风压0.6～1.2MPa ，喷头距受喷面太近时，压缩空气会将刚“粘”在受喷面上的混凝土拌和料吹走，使粗骨料的回弹量增大。喷射情况表明，当喷头距岩面为1～2m 时较适宜；主要因素是混凝土的坍落度，速凝剂的作用效果和气温。一般8cm左右的坍落度可获得较厚的喷层，能保证混凝土在2min内凝结的效果较好，作业面的气温在15℃以上为宜；

（2）喷射角度：喷头应保持与受喷面垂直，若受喷面被格栅、钢筋网覆盖时，可将喷头稍加偏斜，但不宜小于70°。如果喷头与受喷面的角度过小时，会形成混凝土物料在工作面上的滚动，出现凸凹不平的波形喷面，增加了回弹量，影响了所喷混凝土的质量。在设有盲管的区段，必须正对盲管喷射，使盲管后面形成透水空隙。在配有钢筋网片的岩面喷射时，喷嘴应靠近受喷面，并与垂直方向有一个小角度，使钢筋后面的混凝土能喷射得更加密实，防止钢筋后漏喷，以获得较好的包裹效果；

（3）喷头运动方式：喷射应分段、分部、分块，（喷射时分段长度不超过6m，分部为先下后上，分块大小为2m ×2m），喷头应作连续不断的螺旋状圆周运动，螺旋直径约为20～30m，后一圈压前一圈三分之一，喷射路线应自上而下，呈“S”形运行，如图3所示。隧道内喷射混凝土先边墙、后拱部，混凝土喷射走向如图4所示；

（4）喷射厚度：喷射混凝土对墙部一次喷层厚可达10cm以上，拱部一次喷层厚可达7cm，影响喷层厚度的主要因素是混凝土的坍落度、速凝剂的作用效果和气温。一般8cm左右的坍落度可获得较好的喷层，能保证混凝土在2min内凝结的效果较好，作业面在15度以上为宜。

（5）对有喷射缺陷的地段，应凿除后重修补喷。对喷射后渗、漏水处，可进行局部引排或堵漏后再补喷，

图2：喷射工艺流程

5. CIFA-CSS3混凝土喷射机喷射砼的回弹率

喷射砼的回弹，是一个较复杂的综合现象。常用回弹量占总喷射量之百分率来表示， 称为回弹率。

回弹率取决于诸多因素，其中较主要的因素有以下几点 ①．喷射角度；②．喷嘴聚集喷射流的能力；③．喷射料的速度 ；④．湿式喷射和干式喷射对回弹率的影响；⑤．石子含量和砂石级配；⑥．目标面状况；⑦．速凝剂特性及其掺量；⑧．瞬时混凝土层的厚度；⑨．钢筋网。

6. 隧道喷射混凝土空洞缺陷的成因及处理方案

6.1空洞成因分析

隧道初期支护出现空洞及喷射混凝土不密实，是由多种原因造成的。经分析主要有以下几个方面：

1）.地质条件复杂

该隧道地区地质条件复杂，围岩较差，基本上为Ⅲ类和IV类围岩，在隧道初期支护时必须先立拱架和扎钢筋网后才能进行混凝土的喷射。且同一区域的岩层喷射面岩石性质各异，某些岩层表面粘附力明显差于别的岩层表面及开挖后存在大量松动岩石。在施喷之前，未对喷射面用水冲洗及清理松动的岩石。由于喷射岩石表面粘附力各异及松动岩石的掉落，导致空洞的形成。

2). 隧道断面开挖超欠挖现象严重

超挖较大部分采用增加短锚杆挂小网的方式喷混凝土回填，喷前用高压水将岩面冲洗干净，对遇水易潮解的岩层，则用高压风清扫岩面。而在实际施工中，喷射混凝土前未彻底清理岩层表面，为空洞的形成创造了条件；钢筋网片施工工序错误，对喷射混凝土直接接触岩面起到了一定的阻碍作用，特别是钢架后面和边角处，不易喷实，易形成空洞。

3).未严格按照混凝土喷射工艺进行喷射

在施喷过程中，没有严格按照混凝土喷射工艺进行喷射。在某个局部喷射过厚，导致混凝土坠落，而坠落的混凝土在坠落在钢筋网片上时没有砸碎挂在钢筋网片上而挡住了网片后面还未填平的喷射区域，导致空洞的形成。

4).混凝土料不稳定

在施喷过程中，一般是分层喷射，每层以不掉落的临界状态为准，最后达到喷射厚度即可。但是由于喷射混凝土料不稳定，操作手无法把握不掉落的临界状态的时机，而导致混凝土成块掉落，导致空洞的形成。

6.2.预防措施及处理方案

为确保初期支护的质量，根据以上分析，在施工过程中，为避免空洞的形成应采取以下措施：

1).在施喷之前，先对喷射的岩石表面的松动岩石进行清理，表面进行修整。然后再用水清洗喷射岩石表面提高岩石表面的粘附力。如果不能用水清洗的岩石表面则用高压空气对岩石表面进行清理。

2). 因为超挖是空洞形成的先决条件，故在施工过程中，要严格控制超挖。当超挖已经形成，在对超挖严重的地方进行混凝土喷射时，要在超挖区域先挂小网喷射混凝土填平后，再进行下一道工序。不能两道工序合并，超挖严重的区域与其他区域一并挂网立拱架进行喷射。

3). 严格按照混凝土喷射工艺进行喷射

开始喷射时, 先观察喷射面整体超欠挖的情况，然后初扫一遍整环喷射面, 再从边墙到拱顶逐次喷射超挖较严重的地方, 即先补坑，且把坑填平，喷射速度宜控制在20～24m3/h。喷射作业应以适当厚度分层进行，一次喷射厚度以不坠落时的临界状态或达到所需厚度为宜，初喷厚度宜控制在4～6cm，复喷每层厚度拱顶不得大于10cm、边墙不得大于15cm。采用先墙后拱、由下而上、分段和分片的顺序进行，纵向3m分段，不宜超过6m，宽2m分片，分片喷射要先喷钢架与壁面间混凝土，再喷两钢架之间混凝土，从下部水平方向旋转移动，往返一次喷射，再向上移动。Ⅱ级围岩，喷射混凝土厚度在10cm以下，从边墙到拱顶一次喷射到位。Ⅲ、Ⅳ和Ⅴ级围岩有钢架和钢筋网, 在第二层喷射混凝土时应进行初次找平, 距离钢架内缘线预留5～8cm，喷射速度宜保持在18～22 m3/h。第三层喷射混凝土，喷头要大幅度的转动和移动，喷射速度宜保持在12～14 m3/h。精平时，应仔细观察喷射面，若喷射料刚好把钢架盖住，整体显现拱架的痕迹，即已达到喷射厚度。

4).工地现场严格控制喷射混凝土的质量，保证混凝土料的稳定。

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