公路隧道混凝土濕噴機噴射效果提升研究

摘要：為解決濕噴機在噴射過程中存在的脈沖現象問題，提出對分配閥增設密封隔離板和混凝土輔助儲料缸，改進后的濕噴機脈動振幅和回彈率更小，混凝土噴射效率和噴射質量能得到有效提升。

關鍵詞：混凝土濕噴機;分配閥;密封隔離板;混凝土輔助儲料缸

1" "工程背景

244國道LJ-4標段起訖里程為K7+000～K8+000，線路全長1km，采用二級公路技術標準。本標段主要工程內容包括129m長的路基工程、2個暗涵、1個明涵工程以及871m長的隧道工程。隧道明挖采用分層小切口明挖，暗洞5級圍巖采用臺階法分步開挖，緊急停車帶采用單側壁導坑法開挖。隧道初期支護采用噴射混凝土+鋼筋網拱架的支護方式，噴射混凝土標號為C20，采用濕噴工藝，噴射厚度10cm。

2" "混凝土濕噴機結構及工作原理

本工程采用PSJ混凝土濕噴機組進行初期支護混凝土的噴射施工，該型號濕噴機組主要由轉子活塞式濕噴機SP-150、臂架系統、液壓系統、行走系統、電氣控制系統以及速凝劑添加系統等結構組成，見圖1。

該型號濕噴機主要包括兩個混凝土缸，主要通過兩個主液壓缸分別帶動各自的活塞來實現前推和回縮。當Ⅰ缸處于泵送狀態時，Ⅱ缸處于吸料狀態。當Ⅰ缸處于吸料狀態時，Ⅱ缸處于泵送狀態。當分配閥處于左、右擺狀態時，Ⅰ缸和Ⅱ缸均處于停止工作狀態[1-2]。

3" "存在的問題

混凝土濕噴機結構采用兩缸式交替泵送，從而實現混凝土在噴射管道內的流動。這種噴射方式會造成混凝土在噴射過程中始終存在著脈沖現象。脈沖現象不僅會引起混凝土噴射回彈率增大，噴射效率降低，增加工人的勞動強度，而且還會使噴射存在盲區，從而無法實現全過程連續化、智能化噴射施工，從而導致混凝土噴射缺陷。

濕噴機出現脈沖現象的主要原因有三[3-4]：一是換向時間過長。當主液壓缸帶動活塞前進或者后退到行程終點后，需要分配閥接受信號后進行擺動，從而實現兩個活塞的換向操作。在此期間液壓缸均是停止工作的，管路中的混凝土也會出現斷流，時間過長便會出現脈沖現象。二是混凝土缸中吸入空氣，導致填充率降低。三是混凝土材料本身具有可壓縮性，活塞向前推送過程中，先經歷一段空載過程，然后壓力升高將混凝土壓縮。

4" "結構改進

從上文分析可知：混凝土濕噴機產生脈沖現象的主要影響因素有三個，混凝土中含氣量過多屬于材料問題，一時間無法解決。為了減少脈沖現象，提升混凝土濕噴機的噴射質量，可以從減小濕噴機分配閥擺動時間以及提升濕噴機管道的密封性兩方面入手。

分配閥進料口與混凝土儲料缸的重疊部分是連通的，在分配閥左右擺動過程中，混凝土在壓縮空氣和高處混凝土的重力作用下會發生“回流”現象。這種現象只有在下一個主液壓缸泵送循環開始后才會結束。回流現象會導致濕噴機在一定時間內無混凝土噴出，混凝土間斷性中斷，從而產生脈沖現象。

對此考慮在分配閥進料口與混凝土儲料缸的重疊部分，增設一道密封隔離板，斷絕兩者之間的連通性。一旦增設密封板，為了使左、右密封板之間不能阻礙混凝土缸的吸料過程，就必須加大兩個混凝土缸之間的間距。兩個混凝土缸的間距增大，會導致分配閥的擺動角度增大，從而延長了分配閥的擺動時間。這樣反而會增加混凝土噴射時的脈沖現象。

為了解決以上問題，提出在兩個混凝土儲料缸的基礎上，增加一個混凝土輔助儲料缸，該儲料缸與分配閥的進料口是相連通的。當主油缸活塞運動至極限位置后，分配閥開始擺動時，輔助液壓缸中的混凝土可以在輔助液壓缸驅使下，進入分配閥和混凝土輸送管路中，從而實現混凝土的連續噴射，減少脈沖現象。

改進后的混凝土濕噴機結構見圖2。該結構主要包括主液壓缸、輔助液壓缸、混凝土輔助儲料缸、混凝土主輸送缸、密封隔離板、分配閥、進出料口等。輔助混凝土缸設置在分配閥的回轉軸處（密封隔離板之上），這樣無論分配怎樣轉動，都可以實現輔助混凝土缸對泵送管路的補料操作。

5" "改進前后噴射效果對比

在工程現場分別選取15m長洞段，進行濕噴機結構改進前后濕噴作業，分別測試混凝土濕噴機機械臂的脈沖振動曲線、相同時間的混凝土噴射量、混凝土噴射面平整度以及混凝土噴射回彈率四項指標。

5.1" "脈沖振動曲線

改進前后混凝土濕噴機機械臂的脈動振動曲線特征見圖3。從圖3中可知：在結構改進之前，混凝土噴射過程中機械臂呈周期性的振動，最大振動幅度達到86mm，且存在間斷性。經過結構改進之后，機械臂的振動幅度明顯減小，最大振動幅度僅為32mm。這是因為經結構改進之后，混凝土噴射時更加連續和均勻，噴頭所承受的反向作用力更小。綜上，經改進之后，混凝土濕噴機機械臂的振動明顯減小，可以在很大程度上提升濕噴機機械臂的使用壽命。

5.2" "混凝土噴射量

改進前后混凝土濕噴機，在相同噴射作業時間內的混凝土噴射量變化曲線見圖4。從圖4種可以看到：在相同時間內，改進后的濕噴機噴射混凝土量要大于改進前;改進前15min試驗時間內共噴射1.25m³，平均混凝土噴射速率為5m³/h;改進后共噴射1.63 m³，平均混凝土噴射速率為6.52m³/h。改進后的濕噴機的噴漿效率較改進前提升30.4%，這是因為密封隔離板避免了混凝土發生“回流”，從而減少了混凝土重復泵送量，提升了混凝土噴射效率。

5.3" "噴射面平整度

在噴射混凝土洞段分別隨機選取3個區域，在直徑為1m的圓周上取9個點，將圓心一個點作為檢測點，以噴射混凝土表面最低點為零點，記錄另外9個點的高度，從而確定該區域的表面平整度。

檢測結果表明：改進前，3個區域的平均高度分別為16mm、15mm，19mm，改進后3個檢測區域的平均高度分別為6.5mm、4mm，5mm。由此可見，采用改進后的濕噴機進行噴射，混凝土表面平整度明顯優于改進前。這是因為傳統濕噴機在噴射過程中無法實現自動連續噴射，存在噴射盲區，因而平整度大大降低。

5.4" "回彈率

對混凝土噴射洞段邊墻、圓弧以及頂板出噴射回彈率進行了測試，測試結果顯示：噴射邊墻時，改進后濕噴機的回彈率為6.8%，改進前為10.2%，回彈率降低了3.4%;噴射圓弧時，改進后濕噴機的回彈率為10.1%，改進前為11.8%，回彈率降低了1.7%;噴射頂板時，改進后濕噴機的回彈率為11.2%，改進前為13.2%，回彈率降低了2%;濕噴機結構改進之后，整個洞段混凝土噴射平均回彈率為9.4%，改進前為11.7%，改進后的回彈率較改進前降低了2.3%。由此可見：對濕噴機分配閥進行改進之后，能夠有效降低混凝土的回彈率，提升混凝土材料的利用率和噴射效率，降低工程成本。

6" "結語

傳統隧道混凝土濕噴機在噴射過程中因存在脈沖現象，造成混凝土噴射回彈率增大，噴射效率降低，且無法實現連續化智能化施工，易產生混凝土噴射缺陷。為解決此問題，對混凝土濕噴機分配閥進行結構改進：一是增設了密封隔離板，二是增加了混凝土輔助儲料缸。改進后的濕噴機機械臂脈動振幅更小，相同時間內的混凝土噴射量更大，噴射面平整度更好，混凝土回彈率更小，能有效提升濕噴混凝土噴射質量和效率。

參考文獻

[1] 韓曉麗.隧道施工中濕噴機械手的應用技術[J].交通世界，2021，4（11）：105-106+109.

[2] 郭海斌.公路隧道多臂鑿巖機與濕噴機組機群施工作業研究[J].山西建筑，2021，47（2）：141-143.

[3] 盛永東.香耳山一號隧道濕噴機械手混凝土配比優化研究[J].工程機械與維修，2020，4（6）：67-69.

[4] 劉計武.淺談混凝土濕噴機泵送系統問題及改進方案[J].建設機械技術與管理，2019，32（11）：63-65.