敞开式TBM前置喷射混凝土技术研究

陈宝宗，张 啸，王鹏星，张文艳

（中铁工程装备集团有限公司，河南 郑州 450016）

随着我国铁路、城市地铁、跨区域调水等工程的大规模建设，全断面敞开式岩石掘进机（TBM）的需求急速增加，应用范围也由传统领域不断向公路、矿山、军事等领域延伸。岩石掘进机适应的地质条件也逐渐向复杂、极复杂地层扩展。敞开式TBM如何在复杂地质件下安全、高效掘进显得愈发重要。

快速及时支护对敞开式TBM安全高效掘进有着重要影响。其支护方式有：安装钢拱架、钢筋排、钢网片、锚杆，L1区前置喷射混凝土，L2区喷射混凝土等。本文主要对L1区前置喷射混凝土进行分析讨论。

1 TBM前置喷射混凝土

L1区前置喷射混凝土的应用条件为在施工过程中，遇到软弱破碎地层，围岩无法实现自稳时，一旦脱离护盾的支护范围，岩石会直接坠落，对施工人员和设备安全都会造成一定的威胁，此时利用L1区前置喷射混凝土配合立钢拱架和挂网等措施可对隧道完成临时支护，使TBM能够安全、顺利地掘进通过破碎地层。

2 TBM前置喷射混凝土方法及应用

按不同标准，喷射混凝土可以分为不同的类别。根据喷射工艺的不同，主要可分为干式喷射混凝土和湿式喷射混凝土。

2.1 前置干式喷射混凝土的应用

干式喷射混凝土是将水灰比小于0.25的水泥、砂子、石子混合料和粉状速凝剂按一定的比例混合搅拌均匀后，利用干喷机，以压缩空气为动力，经输料管到喷嘴处，与一定量的压力水混合后，喷射到受喷面上[1]（图1）。

图1 干喷工作过程示意图

干喷机按机械结构形式主要有罐缸式、螺旋式、转子式和转盘式[2]，目前的TBM干式喷射混凝土作业中，多使用转子式干喷机，这种喷射机结构简单、工作性能可靠、外形小、重量轻、维修和操作方便[3]。

在TBM施工中干喷机有两种作业方式。一种方式是干喷机固定于TBM主机尾部衔接的连接桥区域，在干喷机附近储存有干拌料，干喷机工作时可直接使用储存的干拌料进行作业，该方式可保证支护及时，缺点是拌合料需要二次倒运，储存的干拌料有限，不能进行长时间支护作业。

另一种方式是将干喷机固定于平板车上，平板车放置有储存干拌料的料斗，平板车平时放置于洞外，TBM作业需要前置喷射混凝土时，将平板车运至TBM主机尾部区域进行干喷作业，该方式干喷机不占用TBM设备空间，平板车携带有足够干拌料，可进行长时间的支护作业，缺点是平板车运输需要一定时间，不能做到及时支护。

干式喷射混凝土喷射效果如图2所示，该技术在以往的TBM施工项目中大量使用，主要具有输送距离长、设备简单、耐用、干拌料可以储存较长时间等优点，但由于它是干拌混凝土在喷嘴处与水混合，所以也具有施工作业粉尘浓度高，回弹率高，喷射混凝土强度低，产生的粉尘危害工人健康等缺点[1]。

图2 喷射效果图

2.2 前置湿式喷射混凝土的应用

如图3所示，湿式喷射混凝土是将水泥、砂子、石子、水按一定比例混合后搅拌成混凝土，用泵将搅拌好的混凝土经输料管压送至喷嘴处，与液体速凝剂相混合，借助风压补充的能量将混凝土喷射到受喷面上[1]。

湿式混凝土喷射机可分为泵送型和气动型两大类，泵送型湿喷机是将输送管路出口处安装喷嘴并压入压缩空气，将混凝土喷射出去，主要有柱塞泵式、螺杆泵式和挤压泵式。气送型湿喷机是利用压缩空气将物料在输料管中以“稀薄流”的形式输送至喷嘴处直接喷出，主要有转子型和转子活塞型[4]。目前的TBM湿式喷射混凝土作业中，多使用泵送型的柱塞泵式湿喷机，该类型湿喷机具有送料连续性好，输送距离长，不易堵管，风耗小，风压稳定，可一机两用（可做混凝土泵）等优点。

图3 湿喷工作过程示意图

湿式喷射混凝土作业流程为洞外拌制好的混凝土倒入混凝土罐，由机车牵引至TBM后配套区域，通过转运平台或者是转运吊机，将混凝土罐转运至湿喷机位置，混凝土倒入落料口进行喷射作业。混凝土泵与受喷面距离较长时，也可采用双台湿喷机接力作业，1台用做混凝土泵泵送混凝土，另1台用作湿喷机进行湿喷作业。

与干喷相比湿喷的明显优势是生产率高、回弹率低，大大降低了喷射机旁和喷射区域的粉尘浓度，减轻了对工人健康的危害。但湿喷机设备投资大，对物料要求也相对较高。

3 新型前置喷射混凝土机构

在传统的敞开式TBM施工中，护盾处没有机械式的喷混装置，只有工作人员手持喷头人工喷混，作业环境差，劳动强度大，在洞内的空气流动不通畅，导致工作效率低，不利于开敞式TBM快速、安全的掘进通过围岩破碎区，并且破碎围岩会从钢拱架之间、钢筋网的网格之间坠落，人员和设备都存在潜在的危险性问题。

针对开敞式TBM设计了一种前置混喷机构，集成于敞开式TBM主机部分的钢拱架安装平台，在不增加主机长度的基础上，能够对脱离护盾支护的围岩进行及时的支护，保证机器顺利的通过围岩破碎区，提高施工的效率。

具体采用的结构方案如图4所示，安装平台分为左右对称的两部分，两部分可以在轴向移动油缸的控制下沿着轨道独立的运动。如图5所示，喷混小车携带有驱动总成和传动齿轮，在大齿圈上做回转运动。

正常掘进且岩石状况较好的时候，不需要使用混喷机构进行喷混作业，喷混小车可以放置在操作平台的任意位置。此时，如图5所示，喷嘴与混凝土输送管路断开。

图4 喷混机构安装位置示意图

图5 喷混机构结构示意图

当岩石状况较差时，此时已无法正常掘进，需要采用前置混喷机构加固洞壁。控制喷混小车沿着操作平台运动到合适的位置（利于人员操作），连接喷嘴与混凝土输送管路，同时做好混凝土送料准备。当机器向前掘进，破碎围岩脱离护盾的支护后，启动混凝土泵，开始向洞壁喷射混凝土，根据喷射量及其回弹情况，调整喷射角度和喷射位置，控制喷混小车到需要喷射加固的区域。两侧喷混小车可以同时独立操作，提高支护的效率。

当支护作业完成后，要将混凝土泵处的混凝土料换成水，继续通过泵和管路，再由喷口喷出，清洗里面遗留的混凝土。待冲洗完成后，将喷嘴与混凝土输送管路断开，整理管路并储存于相应的位置。同时采用高压水枪将操作平台上回弹的混凝土料冲洗到洞底，由TBM清渣系统转运至洞外。

4 结 语

1）干喷和湿喷在TBM前置喷射混凝土施工中都已大量使用，干喷虽然工艺简单、操作方便，但是回弹率高、施工粉尘大、影响作业环境的同时还会对施工人员的身体造成伤害，比较而言，湿喷在前置喷射混凝土施工中更具优势。

2）破碎围岩的支护是敞开式TBM施工中面临的主要问题之一，新型前置喷射混凝土机构能够实现对破碎围岩及时、有效、快捷、安全地支护，实际工程掘进使用效果良好，具有较高的推广应用价值。

[参考文献]

[1]张向东，张树光，李永靖．喷射混凝土技术的发展与应用[J]．煤，2001，10（1）：19-21.

[2]马井雨，马忠诚，汪 澜，等．国内喷射混凝土用喷射机的发展概述[J]．混凝土，2012，（10）：142-144.

[3]樊 华．混凝土喷射机的概述及改进[J]．山西建筑，2007，（32）：346-347。

[4]王 平．矿用喷射混凝土的发展及现状[J]．山东煤炭科技，2015，（12）：28-29+3．