隧道智能型混凝土喷射机设计原理及支护效果探讨

孔军 赵文清 冯雪峰 董新星 原宗锋

(1.山东高速基础设施建设有限公司，山东 济南 250014；2.山东省路桥集团有限公司，山东 济南 250014)

关键字：山岭隧道；智能化；平整度

一、引言

从隧道建设规模及通车里程来看，我国已成为隧道建设大国，但是隧道建设的机械化、智能化程度仍有待提高。

目前，学者的研究主要集中在初期支护的材料上。如，鞠彦忠[1]研究了混凝土中钢纤维的含量对混凝土的基本力学性能影响；刘双华[2]研究了喷射混凝土与围岩之间的黏结强度值；王明年[3]研究了高温变温环境下喷射混凝土与围岩之间的剪切特性；徐帮树[4]研究分析了公路隧道型钢喷射混凝土初期支护安全评价，但对于如何提高喷射混凝土的质量以及保证喷射混凝土厚度等方面的研究较少。

二、原理与方法

高效率的自动化喷射机不仅是未来隧道机械化施工发展的方向，也是初期支护质量与防水体系有效性的重要保证，可大大提高施工速度。

为解决隧道喷射混凝土存在的质量问题，研究提出了隧道内智能化喷射机的工作方法。

（一）结构组成

组成介绍：①定位点，②扫描点，③喷射机料仓，④喷射机机械臂，⑤喷射机定位传感器（角度传感器与距离传感器），⑥机械臂定位传感器（角度传感器与距离传感器），⑦喷射机喷射速度控制器，⑧隧道开挖设计内轮廓线，⑨隧道喷射混凝土设计内轮廓线。

（二）原理介绍

该方法主要应用了“极坐标扫描法”来检测隧道内轮廓，通过预先要求的厚度逐层扫描式喷射，可多次扫描补喷局部平整度不达标或掉落区域，降低凸起区域出料速度的同时提高凹陷区域出料量。

引入数学映射概念，建立以定位点为原点的极坐标系，角度变量αi与半径变量Lad一一对应（一个角度变量αi有且仅有一个半径变量Lad与之对应，反之一个半径变量Lad可以有多个角度变量αi与之对应）。定义关系式Lad=f(αi)，表示Lad是以αi为自变量的函数。其中在确定隧道设计内轮廓及完成施工测量水准点放样后，Lad与αi的对应关系便成为已知参数可以输入到喷射机内部系统中。

喷射机进入隧道内部停放位置并不确定，因此建立以位置传感器为原点的极坐标系。其中Lac为传感器与定位点1的水平距离，Lbc为传感器与定位点1的竖向距离，可以通过定位传感器来确定具体数值大小。

图1 隧道智能化混凝土喷射机原理图

根据图1给出正弦定理、余弦定理表达式（及其变形表达式）：

三、支护效果及工程价值

为检验设备实际效能，在济潍高速单洞三车道金家楼隧道中试用了上述原理研制的智能型混凝土湿喷机械手，实现了每3米循环进尺4小时喷射完毕的高效率，且基面平整度较常规做法大幅提高，具有以下工程价值：

（一）提高喷射混凝土表面平整度

喷射机通过极坐标系建立扫描区域，对比扫描结果与设计参数，从而确定初期支护时的喷射厚度，多次扫描后评估初期支护表面平整度，对于“凹陷”区域喷射机自动提高出浆量或增加喷射速度，进而达到“补平”的效果；对于“凸出”区域，喷射机在该区域可自动减少出浆量或降低喷射速度。通过平整度与厚度两个设计条件，保证喷射混凝土表面的平整度，从而避免防水板被“凸起”或“凹陷”的喷射混凝土表面“抻坡”，以至于防水失效。

（二）加快施工速度，保证施工质量

该喷射机与喷射方法可实现智能化自动化施工，提高了隧道喷射混凝土施工速度，减少了人为主观因素的干扰，保证了隧道初期支护的施工质量。

（三）取消人工作业，提高作业人员安全

由于隧道为半密闭空间，隧道出渣后初期支护施工是相对较为危险的施工阶段，人工喷射混凝土存在较大的施工安全隐患，该喷射机与施工方法可避免作业人员直接暴露在未支护的围岩下，从而提高了施工安全性。

（四）对施工环境要求较高

由于该机器与方法是靠光学传感器工作，因此要求隧道内能见度高、粉尘浓度低，当隧道内尘土较少时，工作效率更高。

四、结语

智能型喷射机的研制及成功应用实现了金家楼隧道的提前贯通，节约了人工成本，同时避免了人为主观因素导致的施工质量问题，提高了隧道初期支护施工速度，可提升隧道施工的机械化、智能化水平。