混凝土喷射技术

混凝⼟喷射技术
混凝⼟喷射机
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。

型号名称⽣产能⼒／(m3／h) ⽣产⼚家
HZS系列模块式混凝⼟拌合站(楼) 50～200
福建泉州南⽅路⾯机械有
限公司
HZS系列混凝⼟搅拌站30、50、60、90、100、
120
辽宁海诺建设机械集团有
限公司
HZSP0-120型混凝⼟搅
拌站
120 ⽆锡市华东建筑机械⼚
HL系列搅拌楼HZ系列搅拌站50～120
20～90
常熟市三星机械设备有限
公司
混凝⼟搅拌站55、90、120 徐州利勃海尔混凝⼟机械
有限公司
HZM、HZS系列混凝⼟搅
拌站
HL系列混凝⼟搅拌楼
郑州市华中建筑机械⼚
HZS系列混凝⼟搅拌站25、30、50、60、75、
90、120
⾩新市建筑⼯程机械⼚
混凝⼟搅拌站(楼) 25～240 韶关新宇建设机械有限公
司
HZS系列模块式混凝⼟拌合站(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。

双轴卧式搅拌机
(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PZ-5喷射机。

⼲式混凝⼟喷射机
潮式混凝⼟喷射机
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。

挤压泵
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-96型混凝⼟湿喷机为代表。

TK500湿喷机
根据湿喷机输送混凝⼟的动⼒不同可分为:泵送型和⽓送型两⼤类：
⑴泵送型混凝⼟湿喷机⼯作时,主要是以液压泵为动⼒执⾏机构,将混凝⼟拌合料输送⾄喷嘴处,再借助于压风的动⼒作⽤将混凝⼟⾼速喷射⾄受喷⾯。

泵送型湿喷机按其结构的不同可分为以下⼏种:活塞泵式湿喷机、螺杆泵式湿喷机、软管挤压泵式湿喷机等。

①活塞泵式湿喷机
⼯作原理为:利⽤液压缸的回程将已搅拌好的混凝⼟拌合料吸⼊缸体;利⽤另⼀液压缸的冲程将已吸⼊缸体内的混凝⼟拌合料推送⾄喷嘴处,然后在喷嘴处通⾼压风将混凝⼟喷射⾄受喷⾯,完成整个喷射过程。

液压缸的回程缸,冲程缸交替⼯作以保证混凝⼟的连续输送。

其⼯作原理如下图1-1所⽰:
②螺杆泵式湿喷机
⼯作原理:液压泵通过变速箱带动转动轴转动,固定在转动轴上的螺旋⽚将混凝⼟料⽃中的拌合料输送到螺杆泵中,靠螺杆相对于定⼦套的啮合空间容积的变化将混凝⼟输送⾄喷嘴,在喷嘴处添加液体速凝剂并借助此处所通压风的作⽤下将物料喷射⾄受喷⾯,完成喷射作业。

⼯作原理如下图1-2所⽰,图中动⼒装置及变速箱没画出。

其特点:结构简单,上料⾼度低;输送压⼒⼤、距离长、⼯作可靠;螺杆形状复杂,需专门制造;定⼦套磨损严重,对材料使⽤性能要求较⾼。

③软管挤压泵式湿喷机
⼯作原理:泵通过传动机构将带动泵体内⾏星传动机构中的滚轮转动,连续的挤压软管,使之产⽣真空,不断地从料⽃中吸取⼰拌好的物料,在滚轮的连续挤压下,将软管中的混凝⼟拌合料压送⾄喷嘴,在喷嘴处借助压风将混凝⼟喷射⾄受喷⾯,完成喷射作业。

其⼯作原理如图1-3所⽰:
其特点:⽣产⼒⼤,体积⼤,功率⼤;由于靠滚轮连续挤压混凝⼟将其输送出去,对混凝⼟的⽔灰⽐较⼤,混凝⼟的强度受到⼀定限制;挤压管的寿命较低。

⑵⽓送型混凝⼟湿喷机是以压缩空⽓作为动⼒,将混凝⼟拌合料在输料管中以"稀薄流"的形式经喷嘴输送⾄受喷⾯。

根据其结构的不同主要有以下三类:
①⽓动耀式湿喷机
⼯作原理:罐内巳拌好的混凝⼟拌合料通过喂料机构送⾄⼊料⼝,在⼊料⼝处通过压缩空⽓,在压缩空⽓的作⽤下,将混凝⼟经输料管
压送⾄受喷⾯,完成喷射过程。

其⼯作原理如图1-4所⽰:
其特点:双罐喂料,可交替⼯作,喂料均匀且连续;所通压风由分
配闽定量⾃动分配,操作⽅便;输送时,只能把⼀团⼀团的混凝⼟料吹进送料管,形成料柱,料柱在压⽓作⽤下,被分散成⼩点的料团,但⼤
部分料团因重⼒⼤,⽆悬浮能⼒,因此整个输送过程为停滞、聚积、吹散、带⾛;易出现输送脉动现象。

②⽓送转⼦式湿喷机
⼯作原理:⼯作时,动⼒执⾏机构通过变速箱带动主轴转动,料⽃中的混凝⼟在固定在主轴上拌料装置的作⽤下搅拌、旋转并漏向旋转体的集料腔中,待集料腔中的混凝⼟集满时,旋转体在主轴的转动下
将旋转到进风嘴的同侧,经进风嘴处所通压风的作⽤下,将混凝⼟拌
合料经输送料管压送⾄受喷⾯,完成喷射⼯作。

其⼯作原理如图1-5所⽰:
其特点:体积⼩,重量轻;结构简单,维修⽅便;可靠性⾼,⽣产⼒⾼;⼯作时有⼀定的周期性脉冲,但脉冲幅度较⼩;耗风量较⼤,输送距离有限;旋转体下所⽤密封胶板磨损较快。

③螺旋式湿喷机
⼯作原理:⼯作时,料⽃中混凝⼟拌合料在送料螺旋的动⼒作⽤下,被连续的输送⾄料柱密封腔,在送料螺旋的推⼒与料柱密封腔前端所通压风的共同作⽤下,混凝⼟在料柱密封腔中被压实,以防⽌反向漏风。

从料柱密封腔中出来的混凝⼟在机械装置切料⼑、拨料叉的作⽤下,在料⽓混合室中被打散、切碎并与旋流风环处所通的压风进⾏充分、均匀的混合。

悬浮状态的混凝⼟料粒在经中⼼喷嘴处所通压风及旋流加速器的作⽤下,在输料管中以⾼速、旋转、空间螺旋线的
形式被输送⾄喷嘴,完成整个喷射过程。

其⼯作原理如图1-6所⽰：
其特点是:可获得"稀薄流浮游式"输送、喂料定量均匀连续;解决了给料不均匀、料柱⼤⼩不⼀、⽓料不能充分混合、混凝⼟料群与输送料管间的摩擦严重及离析等问题;混凝⼟料群与压缩空⽓进⾏充分均匀的混合后再经旋流加速器的旋流加速作⽤,增⼤了混凝⼟的悬浮能⼒,改善了混凝⼟的输送性能,提⾼了混凝⼟的喷射质量。

此种湿喷机结构简单、上料⾼度低、输送距离远;然⽽喂料螺旋绞⼑所受的挤压应⼒⼤、磨损严重。

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。

两⽤型湿喷机
(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。

喷射混凝⼟机械⼿
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.混凝⼟喷射的⼯艺流程
将粗⾻料、细⾻料、⽔泥、⽔、外加剂按照⼀定的⽐例送⾄搅拌机进⾏充分均匀的搅拌后,通过⽓送式螺旋湿喷机的喂料机构,并借
助于压缩空⽓将以拌好的混凝⼟拌合料输送⾄喷嘴,在喷嘴处通过添加速凝剂后⾼速喷射⾄受喷⾯,混凝⼟在受喷⾯迅速凝结并对受喷⾯起到⽀护作⽤,从⽽完成整个喷射作业。

其中速凝剂的添加由独⽴的空⽓⽐列配置阀来完成的。

其整个喷射⼯艺流程如图2-4所⽰:
从整个喷射⼯艺流程可以看出⽓送式螺旋湿喷机的喷射⼯艺具有以下特点:
①粉尘⼩,回弹⼩;
②因充分搅拌混合,⽔泥的⽔化程度⾼,故混凝⼟喷射强度⾼;
③输送距离远;
④为了提⾼混凝⼟的⽓⼒输送性能,故⽔灰⽐受⼀定的限制;
⑤速凝剂添加的⽐例精度⾼。

为了提⾼混凝⼟的喷射质量,应在混凝⼟的材料及⼯艺中的喷射参数⽅⾯进⾏严格的控制:
①粗⾻料主要是为混凝⼟⽀护提供⽀架的作⽤,对混凝⼟的喷射强度有决定性的作⽤。

为此,粗⾻料应以不规则、多棱⾓、表⾯粗糙坚硬的碎⽯为主,因这样的碎⽯有助于在喷射时嵌⼊具有塑性的砂浆之中,减少了回弹,提⾼了混凝⼟的喷射强度。

②细⾻料为混凝⼟⽀护起到填充空隙的作⽤。

细⾻料的质量影响混凝⼟的流动性及粘结能⼒,因此细⾻料应以坚硬耐久的中砂、粗砂为主。

③在满⾜混凝⼟喷射强度的要求下,混凝⼟的喷射应处于最佳状态喷射。

应根据现场喷射试验调整混凝⼟的喷射距离,⼀次喷射混凝⼟的厚度,⼯作风压,喷射混凝⼟的时间间隔及混凝⼟的坍落度,以保证上述各参数处在最理想的范围。

1)喷射混凝⼟"最佳⽔灰⽐"的确定
⽔灰⽐是影响混凝⼟喷射强度的重要因素之⼀,⽔灰⽐⼤时,⽔泥的速凝效果差,所喷射的混凝⼟强度低。

⽔灰⽐⼩时,⽔泥不能充分⽔化,所喷射的混凝⼟回弹⾼,强度低。

因此,如果不考虑施⼯⽅⾯的局限性,混凝⼟的⽔灰⽐与其喷射强度间存在着⼀定的关系,即存在⼀定范围的⽔灰⽐来保证所喷射的混凝⼟具有较⾼的强度。

处于此范围的⽔灰⽐就称之为"最佳⽔灰⽐"。

当混凝⼟的⽔灰⽐髙于或低于"最佳⽔灰⽐"时,混凝⼟的喷射强度会直线下降,如下图2-5所⽰:
由图形可知:喷射混凝⼟最佳⽔灰⽐为0.4~0.48左右,在此范围之外,混凝⼟的喷射强度将下降较快。

因此,进⾏混凝⼟喷射的时,在满⾜混凝⼟输送条件及回弹量的要求下,应使喷射混凝⼟的⽔灰⽐靠近"最佳⽔灰⽐"的范围,以保证较⾼的混凝⼟喷射强度,从⽽更好的实
现混凝⼟对受喷⾯的喷射⽀护作⽤。

2）喷射混凝⼟最⼤稠度临界点的控制
由混凝⼟喷射⽀护的机理及其喷射⼯艺的过程可知:对于刚刚喷射的混凝⼟必须要具⼀定的稠度和粘滞度。

只有这样才能保证混凝⼟的喷射基层与受喷⾯间具有⼀定的粘结效果,以便刚刚喷射的混凝⼟粘附在受喷⾯上,或者是后⾯喷射的混凝⼟对先前已喷射的混凝⼟具有良好的捣实及粘附效果。

这样混凝⼟的喷射才能继续下去,直⾄完成整个喷射⼯作。

因此,为了保证混凝⼟的喷射⽀护效果,在混凝⼟的喷射过程中,对喷射混凝⼟稠度的控制就较为重要了。

混凝⼟的坍落度与扩散度是衡量混凝⼟稠度的重要指标,前者主要反映混凝⼟的流动性和粘聚性,后者反映混凝⼟的离析程度。

为了满⾜混凝⼟输送性能上的要求,在⽓⼒输送(稀流输送)中,混凝⼟拌合料应处于1~2厘⽶(坍落度);稠流(泵送)输送时,应处于
2~3厘⽶(坍落度)。

然⽽,⽆论采取哪种⽅式输送,对于塌落度为2厘⽶左右的混凝⼟拌合料,需要达到1.11~1.25的捣实度和不⼤于40厘⽶的扩散度。

由此可见,混凝⼟喷射物是属于低流动性的,可取的稠度范围较窄,我们把这个可取的、范围极窄的稠度称之为"最⼤稠度临界点"。

低于。