隧道掘進機DZ101噴混系統(tǒng)的技術(shù)改進研究

李新成

（中鐵十八局集團隧道工程有限公司，重慶 400700）

隨著我國地下隧道與地下工程項目的日益增加，全斷面硬巖隧道掘進機（TBM）的應(yīng)用必將更加廣泛。1個多世紀(jì)以來，TBM的設(shè)計生產(chǎn)一直被國外壟斷。直到近幾年，依托“國家863計劃”施工企業(yè)與國內(nèi)制造廠家合作才設(shè)計制造出了擁有自主知識產(chǎn)權(quán)的TBM。DZ101作為國內(nèi)自主設(shè)計生產(chǎn)的首臺大直徑全斷面硬巖隧道掘進機，在吉林引松供水工程二標(biāo)段16km的掘進施工中，表現(xiàn)出了優(yōu)良的整機性能［1］。但由于是國內(nèi)首臺，在單項設(shè)備的設(shè)計及參數(shù)選擇方面缺乏現(xiàn)場經(jīng)驗，與國外設(shè)備相比難免會出現(xiàn)一些不足之處，不能很好的適應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)化施工、保證施工的連續(xù)性。因此，在使用過程中，對其存在的不足之處進行分析、研究，制定可執(zhí)行的改進措施，從而提高TBM的工程適用性。

混凝土噴射系統(tǒng)是TBM上用于巖石支護的重要單項設(shè)備之一，主要由混凝土輸送泵、給料系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)、速凝劑供給系統(tǒng)和噴錨機械手組成。主要作用是把混凝土輸送到受噴面，使之侵入圍巖裂隙，封閉節(jié)理，與初支的錨桿、拱架聯(lián)合作用，提高圍巖的整體性和自承能力，抑制變形的發(fā)展，進而保證掘進和后續(xù)施工的安全。

1 設(shè)備使用出現(xiàn)的問題

吉林引松項目TBM組裝完成后，試掘進開挖便進入Ⅳ類凝灰?guī)r。根據(jù)設(shè)計要求Ⅳ類凝灰?guī)r需掛網(wǎng)、立拱架、噴射混凝土支護，以保證后續(xù)施工安全。噴射混凝土厚度為16cm。TBM噴混系統(tǒng)進入支護區(qū)噴射后，混凝土成形面不平整，有蜂窩、凹陷、鼓包現(xiàn)象，不符合設(shè)計規(guī)范要求，后續(xù)需要投入大量人力、物力補噴整改，造成施工成本增加。

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)如下問題：

（1）噴射泵：噴射泵泵送混凝土料時，在擺缸換向過程中，存在斷料的現(xiàn)象。從現(xiàn)場觀察可以發(fā)現(xiàn)，在每次擺缸換向時，從噴嘴處能夠觀察到斷料的持續(xù)時間約為2～3s。在此過程中由于空氣和速凝劑未停，導(dǎo)致噴射后的表面出現(xiàn)蜂窩狀結(jié)構(gòu)。擺缸換向時出現(xiàn)斷料的原因經(jīng)分析研究主要有：①擺缸換向時間長，推缸推送時存在延遲，導(dǎo)致?lián)Q向時出現(xiàn)料中斷，混凝土料不連續(xù)。②混凝土下料的問題。輸送泵上篩網(wǎng)采用鋼絲編織，鋼絲有彈性不利于下料，且編織網(wǎng)孔過密（僅15mm）。下料過程中，料與輸送泵泵送速度不匹配，造成下料跟不上泵送速度導(dǎo)致斷料發(fā)生。

（2）噴錨機械手：噴頭處輸送管路布置不合理，管路較長噴頭負載過重，某些擺動角度輸料管直接被卡在擺動馬達和大車蓬罩之間，導(dǎo)致噴頭旋轉(zhuǎn)馬達動作不靈活，擺動不平穩(wěn)；噴頭處壓縮空氣和速凝劑單獨流向混流器，出料無力且呈散狀，散料粘附在已噴好的混凝土上形成鼓包。

（3）其他：操作手的操作習(xí)慣影響噴射效果?，F(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，有的工班噴射效果較好，有的則較差；噴頭距離作業(yè)面較近，且距離不一致，側(cè)面鋼拱架處噴射距離僅為600mm，左右兩側(cè)偏下位置更小。

2 應(yīng)對措施

通過分析論證，確定從以下3個方面著手，采取應(yīng)對措施：

（1）從噴射泵上采取技術(shù)改進措施。

①提高擺缸的換向速度。擺缸的換向速度取決于系統(tǒng)的流量，由于系統(tǒng)的液壓泵為A1130LRDU2，在設(shè)計時恒功率選擇在25kW。通過現(xiàn)場測試擺缸在25kW恒功率下，擺缸的換向時間為380ms左右，擺缸換向瞬時壓力達到15MPa左右。而擺缸在換向時泵進入恒功率區(qū)間，導(dǎo)致泵的排量減小，系統(tǒng)流量減小，進而影響擺缸速度。根據(jù)力士樂柱塞泵恒功率曲線區(qū)間范圍，把泵的恒功率提高至30kW性能曲線處，這樣擺缸的換向速度便提高至220ms左右，系統(tǒng)壓力與流量也能達到使用要求，與國外進口設(shè)備的換向時間相當(dāng)。

②縮短推缸在擺缸換向到位后的啟動時間。通過對控制程序進行改進，對擺缸到位后在推缸啟動時使泵的排量在最大位置保持一定時間，使啟動時間縮短。

③根據(jù)以往經(jīng)驗，篩網(wǎng)的間隙應(yīng)至少大于1/3的管徑為最佳，過大或過小都不好。故改用3mm厚、15mm寬的鋼板焊接加工成網(wǎng)格為25mm篩網(wǎng)。

表1 改進前后混凝土泵性能參數(shù)對比

（2）從機械手上采取技術(shù)改進措施。

①將壓縮空氣與速凝劑先通過單向閥混合，然后再將呈霧狀的速凝劑與混凝土在混流器混合。

②將輸料管布置改成從輸送泵直接供到噴錨小車，在噴錨小車上設(shè)置活接，從活接處再引出一段軟管到噴頭處，這樣輸料管及料的重力都由噴錨小車克服，噴錨頭旋轉(zhuǎn)馬達受力大大減小，擺動靈活平穩(wěn)。

③將噴嘴長度由原來550mm改為360mm。

（3）噴射參數(shù)調(diào)整及其它施工措施。

在以上措施的基礎(chǔ)上，讓噴錨操作手現(xiàn)場對噴錨時速、凝劑配合比、風(fēng)壓反復(fù)調(diào)整試驗，最終確定噴射參數(shù)如下：

①速凝劑配合比控制在膠凝材料的4%～6%。

②噴錨作業(yè)時壓縮空氣壓力控制在0.5～0.6MPa，頂部噴射作業(yè)時的風(fēng)壓控制在0.5MPa，其余部位噴射作業(yè)時風(fēng)壓控制在0.6MPa。

③噴錨時噴嘴應(yīng)和受噴面成5°～15°夾角，噴嘴與受噴面的距離控制在800～1200mm之間。

④噴錨過程中，輸送泵料斗內(nèi)的混凝土要充足，嚴格控制混凝土的泵送量，泵送速度約為15m3/h，此時輸送泵推缸進油壓力在8MPa左右。

⑤噴射拱架區(qū)域時，先噴每榀拱架根部，噴嘴沿拱架根部做平行運動；噴完拱架根部再噴兩榀拱架之間區(qū)域，從隧道底部向拱頂部位施工做業(yè)，噴嘴沿螺旋軌跡采取一層壓一層的方式掃射。

通過以上措施，大大提高了混凝土成型面的質(zhì)量，并且降低了噴錨時混凝土的回彈量。

3 結(jié)束語

通過對噴混系統(tǒng)的優(yōu)化和改進，噴射泵的噴射效果得到很大改善，各項性能參數(shù)達到與國外進口設(shè)備相當(dāng)?shù)乃健墓さ貙嶋H施工中也可觀察到，噴射的斷料時間得到明顯縮短，提高了混凝土的噴射質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本，使噴射后的效果能夠達到規(guī)范要求。對噴混系統(tǒng)的改造和優(yōu)化設(shè)計，提高了設(shè)備的利用率和工程適應(yīng)性，助力吉林引松掘進施工比計劃工期提前1年多貫通，帶來明顯的經(jīng)濟效益和社會效益。

［1］ 李新成. 首臺國產(chǎn)大直徑TBM工程適應(yīng)性改進［J］. 四川建材，2017，（2）：148-150.