淺析隧道濕噴機械手回彈率控制

蔣旭鵬

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南 長沙 410111）

濕噴混凝土是一種常用的隧道支護材料，它通過噴射和凝固形成隧道壁面的支護結構。然而，在濕噴施工過程中，機械手在噴射混凝土時會產生回彈現象，即一部分混凝土顆粒無法黏附在壁面上，而是彈回到施工區域。機械手回彈率是衡量濕噴施工質量的重要指標，它直接影響噴射混凝土的厚度、均勻性和強度。高回彈率會導致噴射混凝土厚度不足、空洞和裂縫等質量問題，降低隧道的穩定性和耐久性。因此，控制機械手回彈率成為提高濕噴施工質量和效率的關鍵問題。研究隧道濕噴機械手回彈率控制的關鍵在于深入理解回彈機理和影響因素。通過分析混凝土物料的性質、噴射參數、機械手運動軌跡等因素對回彈率的影響，可以探索合適的控制方法和技術手段。通過優化機械手設計、調整噴射參數和改進施工工藝，可以有效降低回彈率，提高濕噴施工的質量和效率。

1 隧道濕噴施工技術的重要性和應用現狀

隧道濕噴施工技術在隧道工程中具有重要的地位和作用。它能夠提供快速、高效、安全的隧道支護解決方案。通過濕噴混凝土的噴射和凝固過程，可以形成堅固的隧道壁面結構，提供支撐和保護，增強隧道的穩定性和耐久性。濕噴施工技術還可以適應不同的地質條件和隧道形狀，靈活應用于不同類型的隧道工程，包括公路隧道、鐵路隧道和地鐵隧道等。

隧道濕噴施工技術在隧道工程領域得到了廣泛應用并不斷發展。目前，許多國家和地區已經采用濕噴施工技術進行隧道的支護和施工。濕噴混凝土具有較好的工作性能和強度發展潛力，可以滿足不同隧道工程的要求。同時，隨著技術的不斷進步，濕噴施工技術也得到了改進和優化。例如，引入自動化噴射系統、提高噴射混凝土的質量控制、優化噴射參數等，都能夠提高濕噴施工的效率和質量。隨著大型隧道工程的增多，濕噴施工技術將繼續得到推廣和應用，為隧道工程的建設提供可靠的支護解決方案。

2 隧道濕噴機械手回彈率的影響因素分析

2.1 噴射材料的特性與性能因素

噴射材料的黏度、黏度、密度、顆粒大小和分布以及成分和配比都是影響隧道濕噴機械手回彈率的重要因素。優化和控制這些因素，可以降低回彈率，提高濕噴施工的效果和質量。

（1）噴射材料的黏度。噴射材料的黏度是指材料的流動性和黏稠度。黏度過高會導致材料在噴射過程中難以均勻附著在壁面上，增加回彈率。（2）噴射材料的黏度。噴射材料的黏度影響著材料在噴射過程中的黏附性和流動性。較低的黏度有助于材料在噴射時更好地與壁面接觸并附著，減少回彈率。（3）噴射材料的密度會影響其在噴射過程中的慣性和碰撞力。較高的密度會增加材料的慣性和反彈力，導致較高的回彈率。（4）顆粒大小和分布的不均勻性會影響噴射材料的流動性和附著性。較大的顆粒和不均勻的分布會增加材料的回彈率。（5）噴射材料的成分和配比，影響其流動性、黏附性和硬化過程。不合適的成分和配比會導致材料的回彈率增加。

2.2 噴射工藝參數的選擇與調整因素

通過合理選擇和調整噴射工藝參數，如混凝土配合比、噴射壓力、噴射距離和噴嘴角度以及混凝土黏結劑和外加劑的使用，可以有效控制隧道濕噴機械手回彈率，提高噴射混凝土的附著性和施工質量。

（1）混凝土配合比，直接影響其流動性和黏附性，進而影響回彈率。合適的配合比可以提供適當的流動性和黏附性，減少回彈現象的發生。（2）噴射壓力，對噴射混凝土的流動性和附著性有重要影響。過高的噴射壓力會導致混凝土過度分散，增加回彈率；而過低的噴射壓力則可能導致不足的黏附力，同樣會增加回彈率。因此，選擇合適的噴射壓力對控制回彈率至關重要。（3）噴射距離和噴嘴角度，會影響噴射混凝土的噴射速度和流動性。較大的噴射距離和合適的噴嘴角度可以提供較好的噴射流動性，減少回彈率。（4）混凝土黏結劑和外加劑，改善混凝土的黏附性和流動性，減少回彈率。常用的黏結劑和外加劑包括增黏劑、改性劑和黏結劑等。

2.3 機械手操作技術與控制因素

（1）機械手操作技術，直接影響混凝土噴射的均勻性和黏附性。操作人員需要熟練掌握機械手的操作方法，包括噴射速度、噴射角度、噴射距離等。準確地控制機械手的運動軌跡和速度可以實現均勻噴射，減少回彈率。（2）機械手參數調整，包括噴射速度、噴嘴直徑、噴嘴角度和噴嘴間距等。通過調整這些參數，可以使混凝土噴射的流動性和黏附性達到最佳狀態，從而減少回彈率。（3）噴嘴清潔和維護。機械手的噴嘴在噴射過程中容易受到混凝土的堵塞和結塊，影響噴射效果和回彈率。定期進行噴嘴的清潔和維護工作，保持噴嘴的通暢和良好的噴射狀態，可以減少回彈現象的發生。（4）自動化控制系統。隨著技術的進步，越來越多的機械手操作已實現自動化控制。自動化控制系統可以通過精確的傳感器和控制算法來實時監測和調整機械手的運動，以達到更準確的噴射控制和回彈率的控制。

2.4 其他因素

（1）環境溫度和濕度，對混凝土的凝固和硬化過程有影響。較高的溫度和濕度可以促進混凝土的早期凝結，降低回彈率。而較低的溫度和濕度則可能延緩混凝土的凝結，增加回彈率。（2）施工速度，指的是機械手在噴射混凝土時的前進速度。過快或過慢的施工速度都可能導致混凝土噴射的均勻性和黏附性降低，從而增加回彈率。

3 隧道濕噴機械手回彈率控制策略

3.1 機械手參數調整控制

隧道濕噴機械手的回彈率控制涉及多個參數的調整和控制。（1）噴射壓力，指混凝土在噴射過程中的壓力。較高的噴射壓力可以增加噴射強度，但也可能導致較高的回彈率。調整噴射壓力時，可以逐漸增加或減小壓力，以找到合適的噴射壓力，從而降低回彈率。（2）噴射速度，指混凝土在噴射過程中的流動速度。較高的噴射速度可能導致混凝土的分散和分離，增加回彈率。調整噴射速度時，可以逐漸增加或減小速度，以控制混凝土的流動性，減少回彈率。（3）噴嘴直徑，影響噴射時混凝土的流量和速度。較大的噴嘴直徑可以增加流量，但也可能增加回彈率。調整噴嘴直徑時，可以嘗試不同的直徑，找到適合的噴射條件，以降低回彈率。

3.2 材料配合比優化

在實際操作中，需要根據具體工程的要求和材料特性，通過試驗和實踐來優化混凝土的配合比。可以進行多次試驗，調整水、水泥、骨料和摻合料等成分的比例，評估不同配合比下的流動性、黏附性和回彈率，找到最佳的配合比方案。同時，還需要考慮材料的可獲得性、成本和工程實際施工的可行性，綜合考慮各種因素，制定合理的配合比優化策略。

（1）水灰比控制。水灰比是水與水泥的質量比例，直接影響混凝土的流動性和黏附性。較低的水灰比可以降低回彈率，但過低的水灰比可能導致混凝土難以流動。通過合理控制水灰比，可以在保證混凝土流動性的前提下降低回彈率。（2）骨料粒徑分布。骨料的粒徑分布對混凝土的流動性和黏附性有影響。合理選擇和控制骨料的粒徑分布，可以增加混凝土的內聚力和黏附力，降低回彈率的發生。一般情況下，采用多粒徑骨料配合可以提高混凝土的流動性和減少回彈率。（3）摻合料的應用。適量加入摻合料如粉煤灰、礦渣粉等可以改善混凝土的流動性和黏附性，減少回彈率。摻合料能填充混凝土中的孔隙，增加內聚力和減少分散力，提高混凝土的黏附性。（4）使用減水劑。減水劑是常用的混凝土摻合劑，能夠降低混凝土的黏性和表面張力，改善流動性和降低回彈率。減水劑的使用可以在一定程度上調節混凝土的黏度和黏附性，使混凝土更易于附著在噴射面上。

3.3 噴射工藝優化

在實際操作中，需要結合具體工程要求和施工條件，進行試驗和實踐，不斷調整和優化噴射工藝。通過對噴射距離、角度、面積的控制，保證噴射的均勻性和連續性，以及選擇合適的噴射設備和調整設備參數，可以有效降低回彈率，提高噴射效果。（1）噴射距離控制。選擇適當的噴射距離可以使混凝土更好地附著在噴射面上，并減少回彈的發生。噴射距離過遠可能導致混凝土在空中失去流動性，回彈率增加；而噴射距離過近可能導致混凝土過度堆積，同樣會影響噴射效果。通過試驗和調整噴射距離，找到最佳的噴射距離，可以降低回彈率。（2）噴射角度和噴射面積控制。控制噴射角度和噴射面積可以確保混凝土均勻分布在噴射面上，避免出現濃度不均勻的情況。通過調整噴射角度和噴射面積，使混凝土能夠均勻覆蓋噴射面，并保持一定的流動性，減少回彈率的發生。（3）噴射的均勻性和連續性。確保噴射操作的均勻性，避免出現噴射中斷、噴射不均勻等情況。可以通過培訓和技術指導，提高操作人員的技能和意識，保證噴射的均勻性和連續性。（4）噴射設備的選擇和調整，選擇合適的噴射設備也對降低回彈率起到了關鍵作用。不同類型的噴射設備具有不同的噴射特性和控制參數。根據具體情況選擇合適的噴射設備，并調整設備的參數，如噴射壓力、噴射速度等，以獲得最佳的噴射效果和降低回彈率。

3.4 機械手運動軌跡優化

通過優化機械手的運動軌跡，可以確保噴射面的全面覆蓋，實現均勻分布和重疊噴射，避免干涉，并考慮噴射角度和方向的合理調整。這樣可以有效降低回彈率的發生，提高噴射效果。（1）覆蓋整個噴射面。確保機械手的運動軌跡能夠覆蓋到整個噴射面，包括垂直面和水平面。根據噴射面的形狀和尺寸，設計合適的運動軌跡，使機械手能夠在噴射過程中覆蓋到每個區域，避免漏噴和重復噴射。（2）均勻分布和重疊噴射。通過調整機械手的運動速度和噴射頭的噴射間距，實現均勻分布和重疊噴射。確保相鄰噴射區域之間有適當的重疊，以確保混凝土均勻噴射并附著在噴射面上。同時，避免噴射頭在運動過程中停留時間過長或速度過快，以保證噴射的均勻性和連續性。（3）考慮噴射角度和噴射方向。根據噴射面的幾何形狀和施工要求，調整機械手的運動軌跡，使噴射角度和噴射方向與噴射面垂直或傾斜，以獲得最佳的噴射效果。通過合理的角度和方向控制，可以使混凝土更好地附著在噴射面上，減少回彈率的發生。（4）避免機械手與噴射面的干涉。在設計機械手的運動軌跡時，需要考慮機械手與噴射面之間的距離和空間限制，避免機械手與噴射面發生干涉。確保機械手能夠自由運動并完全覆蓋噴射面，以實現最佳的噴射效果。

4 隧道濕噴機械手回彈率控制改進方案與技術應用

4.1 新型噴射設備與技術

（1）高壓噴射設備。傳統的濕噴機械手一般采用低壓噴射方式，而高壓噴射設備可以提供更高的噴射壓力，使混凝土更好地附著在噴射面上，減少回彈率的發生。高壓噴射設備可以通過增加壓力來提高混凝土的流動性和黏附性，使其更容易附著在噴射面上，并在噴射過程中有效減少回彈。

（2）超聲波噴射技術。超聲波噴射技術利用超聲波振動來改善混凝土的流動性和減少回彈。通過將超聲波傳導到混凝土中，可以有效破壞混凝土中的空氣泡沫和團塊，提高混凝土的均勻性和流動性，減少回彈率的發生。超聲波噴射技術在隧道濕噴施工中的應用可以提高噴射效果和質量。

（3）自適應控制系統。采用自適應控制系統可以實時監測和調整機械手的噴射參數，以適應不同的施工條件和噴射面情況。通過傳感器和反饋控制機制，自適應控制系統可以對噴射壓力、噴射速度、噴射角度等參數進行實時調整，以最大限度地減少回彈率。這種技術的應用可以提高噴射的精確度和穩定性，優化回彈率控制效果。

（4）智能噴射機器人。利用智能噴射機器人代替傳統的機械手進行噴射，可以提高噴射的精確度和靈活性。智能噴射機器人具備自主導航、自動識別噴射面形狀、自動調整噴射參數等功能，可以根據實時情況進行智能化的噴射控制。智能噴射機器人的應用可以減少人工操作的誤差和勞動強度，提高噴射效果和施工效率。

4.2 新型材料改良與優化

（1）納米材料。引入納米材料，如納米硅酸鹽、納米氧化鋁等，可以增強混凝土的流動性和黏附性。納米材料的微觀尺度特性可以填充混凝土的微觀孔隙，提高其密實性和黏附性，減少回彈率的發生。

（2）纖維增強材料。引入纖維增強材料，如鋼纖維、聚丙烯纖維等，可以增加混凝土的韌性和抗裂能力。這些纖維可以增強混凝土的內聚力和黏附力，減少回彈率的發生，并提高噴射面的抗裂性能。

（3）自修復材料。采用自修復混凝土等新型材料，可以修復混凝土表面的微細裂縫，減少回彈率的發生。這些材料具有自愈合能力，可以在噴射過程中填充和修復裂縫，提高噴射面的完整性和附著性。

5 結語

綜上，通過綜合考慮噴射材料的特性與性能因素、噴射工藝參數的選擇與調整因素、機械手操作技術與控制因素以及其他因素的影響，可以采取一系列控制策略來降低回彈率。機械手參數的合理調整控制、材料配合比的優化、噴射工藝的優化以及機械手運動軌跡的優化都是有效的控制手段。通過研究和應用這些改進方案和技術，可以提高隧道濕噴機械手的回彈率控制水平，改善噴射面的附著性和均勻性，提高施工效率和質量。