敞開式TBM前置噴射混凝土技術研究

陳寶宗，張 嘯，王鵬星，張文艷

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

隨著我國鐵路、城市地鐵、跨區(qū)域調水等工程的大規(guī)模建設，全斷面敞開式巖石掘進機（TBM）的需求急速增加，應用范圍也由傳統(tǒng)領域不斷向公路、礦山、軍事等領域延伸。巖石掘進機適應的地質條件也逐漸向復雜、極復雜地層擴展。敞開式TBM如何在復雜地質件下安全、高效掘進顯得愈發(fā)重要。

快速及時支護對敞開式TBM安全高效掘進有著重要影響。其支護方式有：安裝鋼拱架、鋼筋排、鋼網(wǎng)片、錨桿，L1區(qū)前置噴射混凝土，L2區(qū)噴射混凝土等。本文主要對L1區(qū)前置噴射混凝土進行分析討論。

1 TBM前置噴射混凝土

L1區(qū)前置噴射混凝土的應用條件為在施工過程中，遇到軟弱破碎地層，圍巖無法實現(xiàn)自穩(wěn)時，一旦脫離護盾的支護范圍，巖石會直接墜落，對施工人員和設備安全都會造成一定的威脅，此時利用L1區(qū)前置噴射混凝土配合立鋼拱架和掛網(wǎng)等措施可對隧道完成臨時支護，使TBM能夠安全、順利地掘進通過破碎地層。

2 TBM前置噴射混凝土方法及應用

按不同標準，噴射混凝土可以分為不同的類別。根據(jù)噴射工藝的不同，主要可分為干式噴射混凝土和濕式噴射混凝土。

2.1 前置干式噴射混凝土的應用

干式噴射混凝土是將水灰比小于0.25的水泥、砂子、石子混合料和粉狀速凝劑按一定的比例混合攪拌均勻后，利用干噴機，以壓縮空氣為動力，經(jīng)輸料管到噴嘴處，與一定量的壓力水混合后，噴射到受噴面上[1]（圖1）。

圖1 干噴工作過程示意圖

干噴機按機械結構形式主要有罐缸式、螺旋式、轉子式和轉盤式[2]，目前的TBM干式噴射混凝土作業(yè)中，多使用轉子式干噴機，這種噴射機結構簡單、工作性能可靠、外形小、重量輕、維修和操作方便[3]。

在TBM施工中干噴機有兩種作業(yè)方式。一種方式是干噴機固定于TBM主機尾部銜接的連接橋區(qū)域，在干噴機附近儲存有干拌料，干噴機工作時可直接使用儲存的干拌料進行作業(yè)，該方式可保證支護及時，缺點是拌合料需要二次倒運，儲存的干拌料有限，不能進行長時間支護作業(yè)。

另一種方式是將干噴機固定于平板車上，平板車放置有儲存干拌料的料斗，平板車平時放置于洞外，TBM作業(yè)需要前置噴射混凝土時，將平板車運至TBM主機尾部區(qū)域進行干噴作業(yè)，該方式干噴機不占用TBM設備空間，平板車攜帶有足夠干拌料，可進行長時間的支護作業(yè)，缺點是平板車運輸需要一定時間，不能做到及時支護。

干式噴射混凝土噴射效果如圖2所示，該技術在以往的TBM施工項目中大量使用，主要具有輸送距離長、設備簡單、耐用、干拌料可以儲存較長時間等優(yōu)點，但由于它是干拌混凝土在噴嘴處與水混合，所以也具有施工作業(yè)粉塵濃度高，回彈率高，噴射混凝土強度低，產(chǎn)生的粉塵危害工人健康等缺點[1]。

圖2 噴射效果圖

2.2 前置濕式噴射混凝土的應用

如圖3所示，濕式噴射混凝土是將水泥、砂子、石子、水按一定比例混合后攪拌成混凝土，用泵將攪拌好的混凝土經(jīng)輸料管壓送至噴嘴處，與液體速凝劑相混合，借助風壓補充的能量將混凝土噴射到受噴面上[1]。

濕式混凝土噴射機可分為泵送型和氣動型兩大類，泵送型濕噴機是將輸送管路出口處安裝噴嘴并壓入壓縮空氣，將混凝土噴射出去，主要有柱塞泵式、螺桿泵式和擠壓泵式。氣送型濕噴機是利用壓縮空氣將物料在輸料管中以“稀薄流”的形式輸送至噴嘴處直接噴出，主要有轉子型和轉子活塞型[4]。目前的TBM濕式噴射混凝土作業(yè)中，多使用泵送型的柱塞泵式濕噴機，該類型濕噴機具有送料連續(xù)性好，輸送距離長，不易堵管，風耗小，風壓穩(wěn)定，可一機兩用（可做混凝土泵）等優(yōu)點。

圖3 濕噴工作過程示意圖

濕式噴射混凝土作業(yè)流程為洞外拌制好的混凝土倒入混凝土罐，由機車牽引至TBM后配套區(qū)域，通過轉運平臺或者是轉運吊機，將混凝土罐轉運至濕噴機位置，混凝土倒入落料口進行噴射作業(yè)。混凝土泵與受噴面距離較長時，也可采用雙臺濕噴機接力作業(yè)，1臺用做混凝土泵泵送混凝土，另1臺用作濕噴機進行濕噴作業(yè)。

與干噴相比濕噴的明顯優(yōu)勢是生產(chǎn)率高、回彈率低，大大降低了噴射機旁和噴射區(qū)域的粉塵濃度，減輕了對工人健康的危害。但濕噴機設備投資大，對物料要求也相對較高。

3 新型前置噴射混凝土機構

在傳統(tǒng)的敞開式TBM施工中，護盾處沒有機械式的噴混裝置，只有工作人員手持噴頭人工噴混，作業(yè)環(huán)境差，勞動強度大，在洞內的空氣流動不通暢，導致工作效率低，不利于開敞式TBM快速、安全的掘進通過圍巖破碎區(qū)，并且破碎圍巖會從鋼拱架之間、鋼筋網(wǎng)的網(wǎng)格之間墜落，人員和設備都存在潛在的危險性問題。

針對開敞式TBM設計了一種前置混噴機構，集成于敞開式TBM主機部分的鋼拱架安裝平臺，在不增加主機長度的基礎上，能夠對脫離護盾支護的圍巖進行及時的支護，保證機器順利的通過圍巖破碎區(qū)，提高施工的效率。

具體采用的結構方案如圖4所示，安裝平臺分為左右對稱的兩部分，兩部分可以在軸向移動油缸的控制下沿著軌道獨立的運動。如圖5所示，噴混小車攜帶有驅動總成和傳動齒輪，在大齒圈上做回轉運動。

正常掘進且?guī)r石狀況較好的時候，不需要使用混噴機構進行噴混作業(yè)，噴混小車可以放置在操作平臺的任意位置。此時，如圖5所示，噴嘴與混凝土輸送管路斷開。

圖4 噴混機構安裝位置示意圖

圖5 噴混機構結構示意圖

當巖石狀況較差時，此時已無法正常掘進，需要采用前置混噴機構加固洞壁。控制噴混小車沿著操作平臺運動到合適的位置（利于人員操作），連接噴嘴與混凝土輸送管路，同時做好混凝土送料準備。當機器向前掘進，破碎圍巖脫離護盾的支護后，啟動混凝土泵，開始向洞壁噴射混凝土，根據(jù)噴射量及其回彈情況，調整噴射角度和噴射位置，控制噴混小車到需要噴射加固的區(qū)域。兩側噴混小車可以同時獨立操作，提高支護的效率。

當支護作業(yè)完成后，要將混凝土泵處的混凝土料換成水，繼續(xù)通過泵和管路，再由噴口噴出，清洗里面遺留的混凝土。待沖洗完成后，將噴嘴與混凝土輸送管路斷開，整理管路并儲存于相應的位置。同時采用高壓水槍將操作平臺上回彈的混凝土料沖洗到洞底，由TBM清渣系統(tǒng)轉運至洞外。

4 結 語

1）干噴和濕噴在TBM前置噴射混凝土施工中都已大量使用，干噴雖然工藝簡單、操作方便，但是回彈率高、施工粉塵大、影響作業(yè)環(huán)境的同時還會對施工人員的身體造成傷害，比較而言，濕噴在前置噴射混凝土施工中更具優(yōu)勢。

2）破碎圍巖的支護是敞開式TBM施工中面臨的主要問題之一，新型前置噴射混凝土機構能夠實現(xiàn)對破碎圍巖及時、有效、快捷、安全地支護，實際工程掘進使用效果良好，具有較高的推廣應用價值。

[參考文獻]

[1]張向東，張樹光，李永靖．噴射混凝土技術的發(fā)展與應用[J]．煤，2001，10（1）：19-21.

[2]馬井雨，馬忠誠，汪 瀾，等．國內噴射混凝土用噴射機的發(fā)展概述[J]．混凝土，2012，（10）：142-144.

[3]樊 華．混凝土噴射機的概述及改進[J]．山西建筑，2007，（32）：346-347。

[4]王 平．礦用噴射混凝土的發(fā)展及現(xiàn)狀[J]．山東煤炭科技，2015，（12）：28-29+3．