城市建筑基坑护坡喷射混凝土降低粉尘污染的研究

于天野，靖向党，彭 第，何世鸣

（1.长春工程学院勘查与测绘工程学院，长春130021；2.北京建材地质工程公司，北京100102）

0 引言

喷射混凝土技术，是借助喷射机械，利用压缩空气或其他动力，将按一定比例配合的水泥、砂、碎石等拌合料，通过管道以高速喷射到岩石、土层、建筑结构物或模板等受喷面上，凝结硬化而成的一种混凝土喷射技术［1］。该项技术在世界上已有近百年的历史。

1914年，奥地利率先在矿山和土木工程领域内使用了喷射混凝土技术。从此之后，喷射混凝土开始被人们逐渐认识和使用。二战以后，喷射混凝土技术相继在欧美、苏联和日本等国的隧道工程中得到应用和发展。20世纪60年代，我国的冶金和水电部门开始了喷射混凝土机械和喷射混凝土技术的研究。1965年11月，鞍钢弓长岭铁矿建成了一条用喷射混凝土支护的矿山运输巷道。1966年，成渝铁路部分隧道、攀钢大断面运输隧洞和本钢南芬泄洪洞均采用了喷射混凝土支护技术。1968年，梅山铁矿竖井工程采用了喷射混凝土与锚杆相结合的支护技术等等［1］。

喷射混凝土工艺分为干拌法喷射技术和湿拌法喷射技术。干拌法喷射技术是指水泥、砂、碎石按着一定配合比在无水的情况下拌制后，通过压缩空气输送到喷枪，在喷枪掺入水拌合并喷射到受喷面。湿拌法喷射技术是指水泥、砂、碎石和水按一定配合比拌合成混凝土后，通过湿喷机输送到喷枪，在喷枪添加速凝剂后喷射到受喷面。由于干拌法喷射技术施工机械简单、易于操作、成本低，因此最先应用于各工程领域。但因其施工时粉尘质量污染严重，粉尘质量浓度一般为50～600mg／m3［2－4］，远远超过10mg／m3的国家标准，且回弹率高达30%～40%［2，5－6］，混凝土强度亦不稳定，所以后期开发了粉尘污染少、回弹率低、混凝土强度稳定的湿拌法喷射技术，并被用于矿山、竖井平巷、交通隧道、水下涵洞等较为封闭的空间施工。

目前在城市建筑基坑工程中，上部的土钉墙护坡施工和下部的桩间土围护施工，因干拌法喷射混凝土技术具有设备简单、移动方便、成本低和输送距离长等优点仍普遍采用。而湿拌法喷射混凝土技术存在设备庞大移动不便、工程成本高、输送距离短等不足，不适用于建筑基坑护坡工程的小断面围护和随拌随用的需要。但随着人们环境意识的增强，环境污染治理的政策出台，城市建筑基坑工程采用干拌法喷射混凝土技术的问题必须解决。所以本文将基于目前建筑基坑工程现有干拌法喷射混凝土施工设备及锚杆注浆施工设备，研究城市建筑基坑护坡喷射混凝土降低粉尘污染的新技术方法。

1 干拌法喷射混凝土粉尘产生的原因

1.1 干拌法喷射混凝土的原理

干拌法喷射混凝土技术，是将水泥、砂、碎石按一定比例放入喷射机拌合后，通过空压机将干拌混合料输送至喷枪，在喷枪与水混合喷射到受喷面，如图1所示。

图1 干拌喷射法示意图

1.2 干拌法喷射混凝土产生粉尘污染的主要原因

干拌法喷射混凝土施工技术产生粉尘污染的主要原因是易扬尘的细小水泥颗粒不能与水充分拌合润湿，具体分为如下2方面。

1.2.1 喷射混凝土产生的粉尘污染

根据干拌法喷射混凝土施工的原理，干拌合料被压缩空气通过管路送至喷枪，在喷枪内才与水混合，并随即喷向受喷面。一是喷枪结构为简单的圆形断面管，没有任何混合搅拌机构；二是干拌合料在喷枪内与水相混时间极短，仅有0.008～0.023s［2］。所以在如此短的时间内，干拌合料和水两股流体在圆形断面管的喷枪内不可能充分混合，使水泥颗粒完全润湿，所以拌合料离开喷枪时部分水泥颗粒仍处于干燥状态，在压缩空气推动下，粉状混合物迅速扩散，产生大量粉尘，污染环境。

1.2.2 干料拌合时产生的粉尘污染

干拌法喷射混凝土施工时，水泥、砂、碎石的装卸、混料和上料绝大多数都在室外由人工作业，因此会不同程度产生粉尘污染；其次，喷射机进料口的旋转衬板和刮板之间因压紧程度不同造成磨损程度不一，造成密封不严，使结合处漏风跑尘，料杯中的余气带着部分粉尘排出机外［1］，产生粉尘污染。有时输送管破裂后更是粉尘漫天飞，污染更为严重。

3 降低粉尘污染方法的研究

为了研究成果易于在基坑工程中推广应用，基于目前建筑基坑工程现有的干拌法喷射混凝土施工设备和锚杆注浆设备，以及水泥颗粒没有充分拌合润湿产生粉尘污染的主要原因，开展降低粉尘污染技术方法的研究。

3.1 设计新型“混拌式”喷枪

目前干拌法喷射时，喷射物料是在喷枪的出口前300mm处与水混合的，混合时间极短，且没有任何混合搅拌机构，所以水泥颗粒无法与水充分混合、润湿，从而导致喷射时产生大量粉尘，回弹量大。因此，设计一种新型结构的喷枪，使水与水泥充分混合、搅拌，水泥颗粒充分润湿，以达到降尘减弹的目的。

根据这一思路，设计了一种适用于干拌法喷射混凝土的“混拌式”喷枪，并申请了实用新型专利（专利号：201520032859.0）。该喷枪可使水和混凝土干物料充分混合搅拌，大大减少喷射混凝土中水泥干颗粒的存在，有效降低喷射混凝土产生的粉尘质量浓度、降低回弹率，实现保护环境、节约资源和稳定混凝土质量的目的。该喷枪的结构原理如图2所示。

图2 混拌式喷枪结构原理图

该喷枪由混合腔、搅拌腔和喷头3部分组成，其工作原理是：当输料管和供水管分别连接于喷枪的输料管接头和供水管接头后，来自输料管的混凝土干物料通过混合腔内管时，与来自供水管、并经由混合腔内外管间隙从多环进水孔喷出的水混合，然后经由搅拌腔搅拌形成拌合充分的混凝土，再进入喷头喷向受喷面。其中混合腔由内、外管构成，内管侧壁设置2～4道环状布置的进水孔，每环进水孔按不同的角度设置3～6个，以确保水与干物料混合。搅拌腔由圆形断面管和搅拌杆组成，搅拌杆在管内沿径向按不同角度间隔设置3～6根，以确保混合物通过时得到充分搅拌。

该喷枪的特点是：通过混合与搅拌过程，可使水与混凝土干物料充分混合搅拌，水泥颗粒得到比较充分的润湿拌合，有效降低了喷射混凝土的粉尘质量浓度，减少污染，降低回弹率，节约资源，同时也能保证喷射混凝土的质量。

3.2 水泥净浆干拌喷射法

该工艺方法是基于目前建筑基坑工程现有干拌法喷射混凝土施工设备及锚杆支护注浆设备提出的，其原理如图3所示。

该工艺方法是将易产生扬尘的水泥与水充分拌合后用注浆泵输送至喷枪，而后与干拌法设备输送到喷枪的砂和碎石干混合料混合，在喷枪混合形成的混凝土借助于空压机的风压和注浆泵的压力喷向受喷面。为了确保混凝土拌合充分，该工艺方法也可采用上述“混拌式”喷枪。

图3 水泥净浆干拌喷射法示意图

该工艺方法的特点是：将易产生扬尘的水泥与水充分拌合形成净浆后泵出，所以大大减少了喷射混凝土时水泥颗粒产生的粉尘污染。其次，该工艺方法基于目前建筑基坑工程现有干拌法喷射混凝土施工设备及锚杆注浆设备，易于推广使用。

4 结语

1）在建筑基坑工程中，广泛应用的干拌法喷射混凝土施工技术产生粉尘污染的主要原因是水泥颗粒与水没有充分拌合润湿，而湿拌法喷射混凝土施工技术因其设备庞大移动不便、施工成本高、输送距离短等不足，不适用于建筑基坑护坡工程的小断面护坡和随拌随用的需要。

2）基于目前建筑基坑工程广泛使用的干拌法喷射混凝土施工设备，可采用新型“混拌式”喷枪，使水泥和水充分混合、搅拌与润湿，能有效降低喷射混凝土的粉尘质量浓度，减少污染，降低回弹率，节约资源，同时也能保证喷射混凝土的质量。

3）基于目前建筑基坑工程现有干拌法喷射混凝土施工设备及锚杆注浆设备，可采用水泥净浆干拌喷射混凝土工艺方法，将易产生扬尘的水泥与水充分拌合形成净浆后泵出，可大大减少喷射混凝土时水泥颗粒产生的粉尘污染，且易于推广使用。

［1］程良奎，李象范.岩土锚固·土钉·喷射混凝土：原理、设计与应用［M］.北京：中国建筑工业出版社，2008：61.

［2］程高峰.喷射混凝土支护降尘技术的研究［D］.济南：山东科技大学，2011.

［3］孟江涛.喷射混凝土作业的防尘和降低回弹的措施［C］／／中国有色金属学会第七届学术年会论文集.北京：中国有色金属学会，2008：101－105.

［4］顾延元.如何减少喷射混凝土的粉尘和回弹［J］.化工矿山技术，1980（5）：23－25.

［5］曾宪桃，任振华，王兴国.磁化水降低喷射混凝土粉尘浓度与减少回弹的试验研究［J］.煤炭学报，2014（4）：705－712.

［6］王红喜，陈友治，丁庆军，等.喷射混凝土的现状与发展［J］.岩土工程技术，2004，18（1）：51－54.