噴漿作業一體化的技術方案

噴混凝土（又稱噴混凝土）防護是鐵路、公路、采礦、水管理、地鐵等工程隧道防護的一種廣泛使用的方法。然而，人工鉆探混凝土具有高回射率、高粉料、施工質量不穩定、施工延遲等缺點。尤其是干噴時，這些缺點最為突出。產生上述缺點的原因是多方面的,從工藝和設備的角度看,有下述幾個主要原因:(1)人工噴射混凝土無法按噴射混凝土的工藝原則進行。這是因為噴漿作業時,噴射點周圍飛沙走石,操作者不敢抬頭,只能站在較遠的地方斜著噴,無法按噴漿工藝要求保持噴槍與受噴面垂直并保持1m左右的距離,這就必然造成回彈率高、粉塵大;(2)由于回彈物中大部分是骨料,故回彈多也降低了混凝土的強度;(3)大斷面隧道施工中,人工噴射混凝土需要腳手架,爆破后不能立即施噴,新裸露的圍巖就會松動,這樣即使后來噴了混凝土,其支護效果也不如立即噴射混凝土好,因此人工噴射混凝土不僅影響了施工質量,也影響了施工進度;(4)雖然在大隧道施工中較多地采用簡易臺車進行噴漿,但站在臺車架子上比站地面困難更多,更無法按噴漿工藝原則作業,回彈更大,作業速度更慢。從發展的趨勢看,濕噴是今后的發展方向,國內在濕噴機的研制上也取得了很大成績,但目前國產轉子式濕噴機出料量(即生產能力)偏小而大出料量的混凝土泵(如12～20m3/h)人工又抱不動噴槍,因而施工進度就慢,不少單位只得采用2～3臺噴機同時作業的辦法來彌補。但是,濕噴時,若仍采用人工作業,同樣存在不能按噴漿工藝作業的問題。因此,克服上述缺點的措施在于實現噴漿作業一體化,即采用噴射混凝土機器人配上大排量濕噴機等設備進行有線或者無線遠距離遙控。僅就采用機器人噴射混凝土而言,至少可以保證噴漿作業按其工藝要求進行,即噴槍與受噴面垂直并保持最佳距離;噴槍的運動可按工藝要求的軌跡進行;噴射混凝土作業人員能夠借助于有線遙控或無線遙控進行遠距離操作而免受粉塵和塌方(或剝落掉塊)的威脅;而且,能夠做到爆破后及時作噴射混凝土支護,不僅省去腳手架,更重要的是提高了工程質量,加快了施工進度。此外,隨著濕噴機和濕噴工藝的推廣,噴射混凝土機器人勢將替代人工成為必備的設備。1噴流設備的作用噴射混凝土作業優化配置圖如圖1所示。采用噴砼機器人與大排量濕噴機配套進行噴射混凝土作業具有如下優點:(1)自動地保持噴槍與受噴面垂直,噴槍口與受噴面的距離為(100±20)cm。如果采用高壓風噴射,則最好能讓風壓隨噴射距離的變化做相應調節。(2)能保證噴槍按最佳軌跡自行運動,并且能平滑調節噴槍在軌跡上的移動速度。(3)考慮到工作環境的實際情況,設備具有有線遙控或無線遙控功能。遙控功能可使得操作者離開設備一定距離,站在安全、無粉塵并且更易觀察噴射情況的位置操作。(4)能顯著提高作業效率,實現快速施工。這里“提高作業效率”有兩層意思,一是靠設備本身的自動功能來顯著提高作業效率;二是噴漿機器人與大排量濕噴機相配套顯著提高噴漿作業效率(后者對機器人來說是很容易做到的,而原來的人工噴漿是無法做到的);再者就是采用機器人進行噴漿作業可以節省人力提高作業效率。2噴射混凝土機器人該機器人的結構原理圖及性能參數如圖2和表1所示。圖2中展示了機器人工作于最高和最低姿態的2種狀態。所示的機器人結構是基于盡可能方便地實現最佳噴漿軌跡這一基本思想設計出來的。它有6個自由度:大臂在油缸驅動下做俯仰運動;小臂做水平擺動,水平擺動的范圍為±45°,由于小臂采用四連桿機構,故擺動時其末端做平移運動,從而使得位于其末端的水平伸縮臂與受噴面的相對距離和姿態不變(同時意味著噴射混凝土作業時機器人停靠在隧道一側);水平伸縮臂能在與隧道軸線平行的方向伸縮,使得噴槍做水平移動并保持姿態不變;手腕轉動可在噴拱部時完成,噴槍沿拱部劃弧,同時保證噴槍與受噴面垂直;通過噴槍調姿機構的油缸動作可調整噴槍的姿態,從而在遇到大凹坑時,仍能調整噴槍與受噴面垂直;借助于偏心連桿機構,可使噴槍沿錐面運動,從而使噴槍口劃出一個360°的連續圓。圖2所示的6個自由度機器人可根據現場需要安裝于汽車上或安裝在有軌底盤上。該機器人既可與濕噴機相配套,也可與干噴機相配套,均由用戶選定。若與濕噴機相配套,還可安裝與其相配套的速凝劑添加設備。制造時將機器人、噴漿機和行走用底盤(汽車或梭式礦車)分別做成3個獨立的部分。噴射混凝土機器人的電控系統采用電液伺服計算機控制。為適應作業現場的實際,電控系統具有以下幾個主要特點:(1)電控系統具有有線遙控或者無線遙控。所謂“遙控”功能,即操作者可在機器人操作室或采用有線遙控站在離機20m左右的范圍內對機器人進行操作,或者采用無線遙控更加方便靈活地對機器人進行遙控操作;(2)為便于操作和推廣,電控系統的操作器設計成直觀型,所有操作手柄都可很直觀地表明相對應的動作,讓操作者憑直覺即可進行操作,因而操作者無需專門訓練或較高文化水平;(3)為適應作業現場的惡劣環境,電控系統所采用的元器件均為工業級器件甚至軍用品,做成“全加固型”,采取了優良的防濕潮、防粉塵、防霉變、抗振動、抗電磁干擾、抗沖擊等措施,并具有良好的散熱和通風功能,以求得高可靠性。由上述可知,本噴射混凝土機器人結構簡單,且其部件多為結構件,因而牢固、可靠,抗惡劣環境能力強。電控系統的內核雖較復雜,但由于采用工業級甚至軍用級器件并采取了加固技術,因而使得整個電控系統十分可靠,并且操作十分簡單、直觀、靈活。總之,在多數情況下,只需一個很直觀的操作動作,就可完成一個相當長時間的作業任務,操作者很輕松。因此,本混凝土機器人是國內外現有的同類產品中結構最簡單、操作最簡單、功能最強的一種。3隧道隧道采用公路互通的形式自噴漿機器人與濕噴機配套投入施工后,已用于濟南繞城高速公路隧道、西安—合肥鐵路的東秦嶺隧道、昆明—石林的高速公路隧道等。在使用過程中,有如下特點:(1)與手動噴霧劑相比，回波量顯著減少(2)施工效率高，施工速度快(3)勞動分工的降低降低了質量4噴混凝土回彈率高、高效通過實際現場應用表明,將機器人與大排量濕噴機配套投入施工除能使噴漿作業及時之外,還大大減輕了工人的勞動強度,改善了作業環境,這就減輕了工人的思想壓力和體力消耗,讓工人在輕松愉快的情況下從事作業,減少了工人偷懶耍滑、偷工減料的可能性,減少了人工因素的不利影響,有利于提高工程質量,有利于提高作業的連續性,從而促進了工程進度,無形中,施工快了,質量好了。經對拱部和兩幫噴混凝土回彈率的實地測算,回彈率可比人工噴射減少一半,在一般情況下,可以減少回彈15%以上。機器人與大排量濕噴機配套,可以大大提高作業效率。如果仍采用原有的干式或濕式轉子式噴漿機,由于機器人噴漿,無需腳手架和平臺,省工省錢,爆破后可及時施噴,因此既可快速施工,又提高了工程質量;此外人工噴漿由于料管重、噴槍的后坐力