隧道掘进机DZ101喷混系统的技术改进研究

李新成

（中铁十八局集团隧道工程有限公司，重庆 400700）

随着我国地下隧道与地下工程项目的日益增加，全断面硬岩隧道掘进机（TBM）的应用必将更加广泛。1个多世纪以来，TBM的设计生产一直被国外垄断。直到近几年，依托“国家863计划”施工企业与国内制造厂家合作才设计制造出了拥有自主知识产权的TBM。DZ101作为国内自主设计生产的首台大直径全断面硬岩隧道掘进机，在吉林引松供水工程二标段16km的掘进施工中，表现出了优良的整机性能［1］。但由于是国内首台，在单项设备的设计及参数选择方面缺乏现场经验，与国外设备相比难免会出现一些不足之处，不能很好的适应标准化施工、保证施工的连续性。因此，在使用过程中，对其存在的不足之处进行分析、研究，制定可执行的改进措施，从而提高TBM的工程适用性。

混凝土喷射系统是TBM上用于岩石支护的重要单项设备之一，主要由混凝土输送泵、给料系统、气路系统、速凝剂供给系统和喷锚机械手组成。主要作用是把混凝土输送到受喷面，使之侵入围岩裂隙，封闭节理，与初支的锚杆、拱架联合作用，提高围岩的整体性和自承能力，抑制变形的发展，进而保证掘进和后续施工的安全。

1 设备使用出现的问题

吉林引松项目TBM组装完成后，试掘进开挖便进入Ⅳ类凝灰岩。根据设计要求Ⅳ类凝灰岩需挂网、立拱架、喷射混凝土支护，以保证后续施工安全。喷射混凝土厚度为16cm。TBM喷混系统进入支护区喷射后，混凝土成形面不平整，有蜂窝、凹陷、鼓包现象，不符合设计规范要求，后续需要投入大量人力、物力补喷整改，造成施工成本增加。

现场观察发现如下问题：

（1）喷射泵：喷射泵泵送混凝土料时，在摆缸换向过程中，存在断料的现象。从现场观察可以发现，在每次摆缸换向时，从喷嘴处能够观察到断料的持续时间约为2～3s。在此过程中由于空气和速凝剂未停，导致喷射后的表面出现蜂窝状结构。摆缸换向时出现断料的原因经分析研究主要有：①摆缸换向时间长，推缸推送时存在延迟，导致换向时出现料中断，混凝土料不连续。②混凝土下料的问题。输送泵上筛网采用钢丝编织，钢丝有弹性不利于下料，且编织网孔过密（仅15mm）。下料过程中，料与输送泵泵送速度不匹配，造成下料跟不上泵送速度导致断料发生。

（2）喷锚机械手：喷头处输送管路布置不合理，管路较长喷头负载过重，某些摆动角度输料管直接被卡在摆动马达和大车蓬罩之间，导致喷头旋转马达动作不灵活，摆动不平稳；喷头处压缩空气和速凝剂单独流向混流器，出料无力且呈散状，散料粘附在已喷好的混凝土上形成鼓包。

（3）其他：操作手的操作习惯影响喷射效果。现场观察发现，有的工班喷射效果较好，有的则较差；喷头距离作业面较近，且距离不一致，侧面钢拱架处喷射距离仅为600mm，左右两侧偏下位置更小。

2 应对措施

通过分析论证，确定从以下3个方面着手，采取应对措施：

（1）从喷射泵上采取技术改进措施。

①提高摆缸的换向速度。摆缸的换向速度取决于系统的流量，由于系统的液压泵为A1130LRDU2，在设计时恒功率选择在25kW。通过现场测试摆缸在25kW恒功率下，摆缸的换向时间为380ms左右，摆缸换向瞬时压力达到15MPa左右。而摆缸在换向时泵进入恒功率区间，导致泵的排量减小，系统流量减小，进而影响摆缸速度。根据力士乐柱塞泵恒功率曲线区间范围，把泵的恒功率提高至30kW性能曲线处，这样摆缸的换向速度便提高至220ms左右，系统压力与流量也能达到使用要求，与国外进口设备的换向时间相当。

②缩短推缸在摆缸换向到位后的启动时间。通过对控制程序进行改进，对摆缸到位后在推缸启动时使泵的排量在最大位置保持一定时间，使启动时间缩短。

③根据以往经验，筛网的间隙应至少大于1/3的管径为最佳，过大或过小都不好。故改用3mm厚、15mm宽的钢板焊接加工成网格为25mm筛网。

表1 改进前后混凝土泵性能参数对比

（2）从机械手上采取技术改进措施。

①将压缩空气与速凝剂先通过单向阀混合，然后再将呈雾状的速凝剂与混凝土在混流器混合。

②将输料管布置改成从输送泵直接供到喷锚小车，在喷锚小车上设置活接，从活接处再引出一段软管到喷头处，这样输料管及料的重力都由喷锚小车克服，喷锚头旋转马达受力大大减小，摆动灵活平稳。

③将喷嘴长度由原来550mm改为360mm。

（3）喷射参数调整及其它施工措施。

在以上措施的基础上，让喷锚操作手现场对喷锚时速、凝剂配合比、风压反复调整试验，最终确定喷射参数如下：

①速凝剂配合比控制在胶凝材料的4%～6%。

②喷锚作业时压缩空气压力控制在0.5～0.6MPa，顶部喷射作业时的风压控制在0.5MPa，其余部位喷射作业时风压控制在0.6MPa。

③喷锚时喷嘴应和受喷面成5°～15°夹角，喷嘴与受喷面的距离控制在800～1200mm之间。

④喷锚过程中，输送泵料斗内的混凝土要充足，严格控制混凝土的泵送量，泵送速度约为15m3/h，此时输送泵推缸进油压力在8MPa左右。

⑤喷射拱架区域时，先喷每榀拱架根部，喷嘴沿拱架根部做平行运动；喷完拱架根部再喷两榀拱架之间区域，从隧道底部向拱顶部位施工做业，喷嘴沿螺旋轨迹采取一层压一层的方式扫射。

通过以上措施，大大提高了混凝土成型面的质量，并且降低了喷锚时混凝土的回弹量。

3 结束语

通过对喷混系统的优化和改进，喷射泵的喷射效果得到很大改善，各项性能参数达到与国外进口设备相当的水平。从工地实际施工中也可观察到，喷射的断料时间得到明显缩短，提高了混凝土的喷射质量，降低了生产成本，使喷射后的效果能够达到规范要求。对喷混系统的改造和优化设计，提高了设备的利用率和工程适应性，助力吉林引松掘进施工比计划工期提前1年多贯通，带来明显的经济效益和社会效益。

［1］ 李新成. 首台国产大直径TBM工程适应性改进［J］. 四川建材，2017，（2）：148-150.