喷射混凝土的机械化配套

　国内外喷射混凝土技术现状

　　喷射混凝土技术在世界上已有近百年的历史。它始于奥地利，瑞士、德国、法国、瑞典、美国、英国、加拿大及日本等国也相继采用了喷射混凝土技术，我国是从20世纪60年代末在铁路隧道施工中推广新奥法施工时开始采用的。

　　喷射混凝土技术是新奥法施工的3大支柱之一，它以简便的工艺、及时的支护及较低的成本而在地下工程中得到广泛应用，目前，主要有干喷和湿喷两种喷射方式。近10年来，湿喷技术的发展日趋完善，已成为世界各国喷射技术的发展主流，与干喷相比，湿喷的明显优势是生产率高、粉尘浓度小。特别是包括混凝土泵、活塞式速凝剂计量泵和喷射臂在内的稠流湿喷法技术的出现，使湿喷法的应用领域大大拓宽。

　　目前，意大利、挪威、瑞典、日本及加拿大等很多国家的湿喷应用已占主导地位，我国的湿喷混凝土施工也越来越被人们重视。

　　另外，近年来国内外新型外加剂、外掺料及钢纤维喷射混凝土的研究和应用也得到迅速的发展，例如，我国冶金部建筑总院研制出了8604型速凝剂，美国和瑞士Aliva公司研制出了新型的非碱性速凝剂，德国研制成功了SiliponSPR6型增粘剂。

　　目前国内外喷射混凝土施工机械及其配套情况

　　喷射混凝土机械化施工主要有施工机械和配套作业线2个内容，施工机械主要有搅拌设备、运输设备、上料设备、喷射机及喷射机械手等。从国内外的发展趋势来看，除了对各类机械的单机研制外，更注重对机械的配套研制和使用，其目的在于实现机械化配套，加快支护速度，提高经济效益。
　　1．喷射混凝土主要施工机械    

　　(1)混凝土搅拌设备。混凝土搅拌设备主要有混凝土搅拌站和混凝土搅拌楼。目前国内常见的搅拌站(楼)见表1。 

表1  我国喷射混凝土机械化施工中常见的搅拌站（楼）

　　搅拌楼是大型的设备，一般用于大的隧道工程，而搅拌站一般用于中小隧道工程。搅拌站(楼)除了用于喷射混凝土，还用于衬砌作业。 

　　目前，一种新型的混凝土组合式搅拌站应运而生，它具有安装简单、搅拌迅速、计量准确、性能可靠、适应强及价格适中等特点，已被广泛应用于铁路和各种混凝土施工现场。混凝土组合式搅拌站一般在生产厂配套生产，例如双卧轴强制式搅拌机有500、750及1000等规格，而相应配套的电子计量配料机构有800、1200及1600等规格，施工单位可根据每小时需用混凝土施工用量来确定组合搅拌站设备的大小和设备的多少。

　　(2)混凝土输送设备。混凝土输送设备主要有混凝土泵和混凝土搅拌运输车。在国内，混凝土泵一般用于衬砌作业；在国外，常用泵送混凝土喷射机进行湿喷作业；混凝土搅拌运输车则既可用于混凝土喷射作业，也可用于衬砌作业。

　　混凝土搅拌运输车有轮胎式和轨道式两种，轮胎式的运输车用得较多，常用的有辽宁海诺建设机械集团有限公司生产的HNJ5240型和HCJ5260型、华东建筑机械厂生产的MR45-1S型(7m3)和MRl0型(10m3)、徐州利勃海尔混凝土机械有限公司生产的系列混凝土搅拌运输车等。轨道式混凝土搅拌运输车以JCGY-6型为代表，一般为罐式，有多家厂家在生产。

　　(3)混凝土上料设备。喷射混凝土是隧道及地下洞室施工初期支护的主要手段之一，但却是地下工程中作业条件最恶劣的施工工序。若为干喷，喷射机旁的粉尘浓度很大，操持喷嘴的工人处在粉尘的包围之中，劳动环境极为恶劣，严重危害工人的身体健康。喷射射机人工上料是一项繁重的体力劳动，特别是在喷射时，输料管内充满了待喷料，喷射时的反弹力较大，这样，施喷人员很难按照喷射混凝土规程进行喷射，也难以保证高质量的喷层。

　　在国外，瑞士阿利瓦公司生产的31O型移动式胶带机安装在轮胎上给喷射机上料，其受料口可以调节；瑞士迈纳迪尔(Meynadier)公司生产的MeYco Robojet喷混凝土机械手的喷射机上料也采用胶带运输机；法国诺梅特(Normet)公司生产的机械手，它所用的喷射机也是用输送机来上料；美国艾姆科公司的干式或湿式喷射机则用陡角度的Cambelt闭式输送机来上料。

　　国内的上料机械主要是胶带输送机，大瑶山隧道采用SP45型胶带机给PH30型喷射机上料(胶带机接料端靠近地面，人工上料)；南昆线米花岭隧道进出口采用广东韶关煤机厂生产的P5(长4．5m)胶带机给阿利瓦公司的285型喷射机上料；郑州康达支护技术公司生产的HPJ—II型喷混凝土机组，上料机构配用螺旋输送机。目前我国大多数喷射机上料作业仍以人工为主，为减轻工人劳动强度、改善劳动作业环境，采用机械给喷射机上料是非常必要的。

　　(4)混凝土喷射机。混凝土喷射机是将混凝土输送给喷嘴的机械，根据喷射工艺不同大致可分为干式(潮式)喷射机和湿式喷射机两大类型，从目前国内外情况来看，前者使用得较为广泛，但后者是发展趋势。现简要介绍目前国内外混凝土喷射机的情况。

　　对于干喷机，国外的代表机型有瑞士阿里瓦(Aliva)公司的转子式和美国里得(Reed)公司的转盘式两种，我国有江西煤矿机械厂生产的ZP-V型喷射机和河南郑州康达支护技术有限公司研制生产的PZ-5B型喷射机。

　　对于湿喷机，国外主要有挤压泵(PC08-60M)型湿喷机、英国Compernass-208(科姆佩纳斯)型湿喷机和

　　Aliva-285型干湿两用混凝土喷射机及德国古马恩型湿喷机和BSM-903型湿喷机等。其中，挤压泵(PC08-60M型)湿喷机是国外应用较广的一种湿喷机，在更换泵送软管和输料管并采用适宜粒径的骨料后，也可作混凝土泵用。日本极东PC08-60M型和美国Challenge型湿喷机均属此类湿喷机。我国的湿喷机则以中铁西南科学研究院研制生产的TK-961型混凝土湿喷机为代表。
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　　另外，还有一种新型的泵送、湿喷两用机，如由济南山川机器人工程公司研制生产的PBT20型两用机，它既可以作湿喷机，又可以作混凝土泵，现已在生产中得到实际的应用。

　　(5)喷射混凝土机械手。喷射混凝土时，如果由工人操持喷嘴进行喷射，由于喷嘴出口距岩面约1m，骨料的反弹及喷射产生的粉尘对施喷人员有极大的危害，加上生产率的大幅度提高，因喷射压力的增加而使反射力加大，工人的劳动强度更大，特别是采用湿喷时，由于喷嘴重量及软管内充满混凝土而加重，考虑到工人的劳动安全性，而不得不用机械手来代替人工喷射。随着我国湿喷混凝土技术的不断提高及广泛应用，机械手的研究应用将具有广阔的前景。

　　用机械手来喷混凝土始于瑞典1961年修建贺尔杰斯水电站的尾水隧洞工程。经过40年的发展，现今的机械手可以实现自动化喷射。国外生产喷混凝土机械手的厂家以西欧为主，如瑞典斯塔比莱托(Stabilator)公司的Robet-75型机械手、瑞士迈纳迪尔(Meynadier)公司的Meyco Robojet机械手、瑞士阿利瓦(Aliva)公司的Aliva-Matico 305型机械手、法国诺麦特(Normet)公司生产的能安装在PK4000型卡车上的机械手、德国普茨迈斯特—韦克(Putzmeister Werk Maschinenfabric GmbH)公司生产的大象牌机械手及日本生产的机械手等等。至于大断面，国外已有2～3臂的喷射混凝土机械手在使用中，所有这些机械手均可以实现遥控。

　　我国喷射混凝土机械手的研制始于20世纪60年代中后期，到80年代末，也只有几种不同结构的机械手研制成功，但未批量生产。为此，在20世纪80年代修建衡广复线及大秦线时，先后引进了瑞典斯塔比菜托公司生产的Robot-75型机械手27台，90年代修建南昆线时则引进瑞士的Aliva-305型机械手，修建鲁布革水电站引水隧洞时喷射混凝土已用Aliva-305型机械手。国产机械手用于铁路隧道施工最早的是韩家河隧道，南昆线二排坡隧道则用南京军区生产的SPJS-10机械手。所有这些机械手在施工中都取得了不错的实绩，但进口的机械手价格较高，一般的施工单位都不愿购置。

　　2.喷射混凝土施工机械化配套

　　目前国内外喷射混凝土施工机械化配套的一种方式是将各有关的单件机具组合配套，其优点是各独立的机具所占空间小，移动方便，并可视现场条件进行灵活组配，较适合应用于中小断面地下工程施工；其缺点是由于各设备独立分散，造成动力分散，控制欠集中，单机效率得不到充分发挥。另一种方式是联合机组形式，它将几道工序的机械组合在一二辆车上，其优点是机组结构紧凑，动力和控制集中，生产能力大，效率和综合机械化程度高，经济效益发挥得好。联合机组形式是一个发展方向，其不足之处是组合的结果往往使机体形体偏大，在中小断面的地下工程施工中受到一定的限制。
　　(1)单件机具组合配套。这种方式的机械化配套在我国许多单位进行了试验和应用，国内冶金部湖南水口山铅锌矿喷射混凝土机械化作业线就是一例。

　　国外的配套例子有瑞士Aliva公司的输送混凝土喂料系统，它可保证连续供料而取得较好的效果。

　　(2)联合机组。在大型地下工程喷射混凝土作业中，国外将混凝土的搅拌、运送和喷射作业综合配套并联动起来组成喷射混凝土机组。

　　①瑞典Robot Trixer D2800 型“三联机”。该“三联机”是一种喷射混凝土作业配套联动设备。料仓（具有搅拌、上料能力）、喷射机置于一辆汽车上，Robot—75型机械手置于另一辆汽车上。②美国Eimco型“三联机”。美国Eimco公司生产的机械手是湿式混凝土喷射机和罐式运料车（具有搅拌、上料能力)组成的综合喷射设备。在喷射作业中，由两辆底部带有螺旋的运料车轮流供料。其缺点是喷射轨迹是放射状的。

　　适合我国国情的喷射混凝土施工机械化配套

　　1．我国目前喷射混凝土施工中存在的问题

　　(1)喷射混凝土施工及机械管理水平普遍不高。

　　(2)湿喷机的购置费用和液体速凝剂价格偏高，湿喷工艺和湿喷机具难以推广，使喷射混凝土质量和施工安全得不到保证。

　　(3)湿喷机具品种单一，配套性不强，难以形成支护机械化作业线。

　　(4)大多数喷射混凝土施工仍以干喷为主，人们采用半机械化作业方式，即采用人工给喷射机上料和人工抱喷头进行喷射混凝土作业，这种方式喷射回弹率高、粉尘大，而且影响施工质量、施工进度及工人身体健康。    

　　(5)鉴于机械手或机器人价格昂贵，目前国内不可能普遍配备，喷射混凝土自动化程度不高。
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　　2．喷射混凝土机械化配套原则

　　(1)根据设计工程量和工期进度要求，确定选用的主要喷射混凝土机械的作业能力和工作范围。

　　(2)鉴于湿喷能改善作业环境及其在国内外的发展趋势，为保证混凝土喷层质量，应优先采用湿喷工艺和湿喷机具。

　　(3)为保证喷射时能按喷射混凝土的有关规定进行喷射及降低操持喷嘴人员的劳动强度，应使用喷射机械手。

　　(4)因湿喷混凝土坍落度较大，为不损失混凝土的浆液及减轻人工上料时繁重的体力劳动，给湿喷机配备螺旋输送机是必要的，上料时，螺旋可以继续对混凝土进行搅拌。

　　(5)上料机械的卸料高度应大于喷射机的接料高度，上料机械的生产率应大于喷射机的生产率，并要求在不自带动力的情况下，可以轨行或轮胎行走。

　　(6)在需要使拌和料作较长距离输送条件下，可将搅拌和上料结合起来，用一台搅拌上料机完成。

　　(7)在大型地下工程中，如果条件允许，可采用喷射混凝土联合机组。

　　(8)喷射混凝土自动化技术更理想的发展方向是机器人的使用，应向喷射混凝土机器人的方向发展。

　　3．喷射混凝土机械化配套推荐方案

　　根据我国喷射混凝土施工中存在的问题及喷射混凝土机械化配套原则，我们提出了适合我国国情的喷射混凝土机械配套方案。

　　(1)单线铁路隧道施工喷射混凝土配套方案。因单线铁路隧道断面较小，宜采用单项设备配套使用方式，根据使用条件采用全配套，即有机械手、喷射机、搅拌机及胶带上料机等组合在一起配套使用，形成一条连续的作业线。如无条件采用全配套，可采用部分配套分散使用方式，如采用紧跟工作面机械手远距离操作喷枪，潮湿喷射机喷射，配料和搅拌可采用不同螺距的同轴螺旋搅拌机在远离喷射机的适当地点由人工装料进行。

　　若隧道的断面较大，也可采用混凝土喷射联合机组配套方式，根据条件可选用潮喷联合机组，也可选用湿式混凝土喷射机械化配套机组(喷射机械手+湿喷机+专用密闭料车)。

　　(2)双线铁路隧道施工喷射混凝土配套方案。宜采用潮喷联合机组或湿式混凝土喷射联合机组，其中机械手可以采用大折臂的全液压控制、远距离操作。

　　基于国内喷射混凝土的施工现状，推荐方案的考虑偏重于喷射混凝土速度，提高喷射混凝土质量，减轻工人劳动强度，改善劳动条件，防止粉尘对人体的危害等。在具体的配套中，应与隧道掘进机械化、隧道施工设计等统一考虑，以制定一个符合实际情况的、完善的及能创造最佳经济效益的喷射混凝土机械化配套方案。