淺析隧道濕噴機(jī)械手回彈率控制

蔣旭鵬

（中國(guó)鐵建重工集團(tuán)股份有限公司，湖南 長(zhǎng)沙 410111）

濕噴混凝土是一種常用的隧道支護(hù)材料，它通過噴射和凝固形成隧道壁面的支護(hù)結(jié)構(gòu)。然而，在濕噴施工過程中，機(jī)械手在噴射混凝土?xí)r會(huì)產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，即一部分混凝土顆粒無法黏附在壁面上，而是彈回到施工區(qū)域。機(jī)械手回彈率是衡量濕噴施工質(zhì)量的重要指標(biāo)，它直接影響噴射混凝土的厚度、均勻性和強(qiáng)度。高回彈率會(huì)導(dǎo)致噴射混凝土厚度不足、空洞和裂縫等質(zhì)量問題，降低隧道的穩(wěn)定性和耐久性。因此，控制機(jī)械手回彈率成為提高濕噴施工質(zhì)量和效率的關(guān)鍵問題。研究隧道濕噴機(jī)械手回彈率控制的關(guān)鍵在于深入理解回彈機(jī)理和影響因素。通過分析混凝土物料的性質(zhì)、噴射參數(shù)、機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡等因素對(duì)回彈率的影響，可以探索合適的控制方法和技術(shù)手段。通過優(yōu)化機(jī)械手設(shè)計(jì)、調(diào)整噴射參數(shù)和改進(jìn)施工工藝，可以有效降低回彈率，提高濕噴施工的質(zhì)量和效率。

1 隧道濕噴施工技術(shù)的重要性和應(yīng)用現(xiàn)狀

隧道濕噴施工技術(shù)在隧道工程中具有重要的地位和作用。它能夠提供快速、高效、安全的隧道支護(hù)解決方案。通過濕噴混凝土的噴射和凝固過程，可以形成堅(jiān)固的隧道壁面結(jié)構(gòu)，提供支撐和保護(hù)，增強(qiáng)隧道的穩(wěn)定性和耐久性。濕噴施工技術(shù)還可以適應(yīng)不同的地質(zhì)條件和隧道形狀，靈活應(yīng)用于不同類型的隧道工程，包括公路隧道、鐵路隧道和地鐵隧道等。

隧道濕噴施工技術(shù)在隧道工程領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用并不斷發(fā)展。目前，許多國(guó)家和地區(qū)已經(jīng)采用濕噴施工技術(shù)進(jìn)行隧道的支護(hù)和施工。濕噴混凝土具有較好的工作性能和強(qiáng)度發(fā)展?jié)摿?，可以滿足不同隧道工程的要求。同時(shí)，隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，濕噴施工技術(shù)也得到了改進(jìn)和優(yōu)化。例如，引入自動(dòng)化噴射系統(tǒng)、提高噴射混凝土的質(zhì)量控制、優(yōu)化噴射參數(shù)等，都能夠提高濕噴施工的效率和質(zhì)量。隨著大型隧道工程的增多，濕噴施工技術(shù)將繼續(xù)得到推廣和應(yīng)用，為隧道工程的建設(shè)提供可靠的支護(hù)解決方案。

2 隧道濕噴機(jī)械手回彈率的影響因素分析

2.1 噴射材料的特性與性能因素

噴射材料的黏度、黏度、密度、顆粒大小和分布以及成分和配比都是影響隧道濕噴機(jī)械手回彈率的重要因素。優(yōu)化和控制這些因素，可以降低回彈率，提高濕噴施工的效果和質(zhì)量。

（1）噴射材料的黏度。噴射材料的黏度是指材料的流動(dòng)性和黏稠度。黏度過高會(huì)導(dǎo)致材料在噴射過程中難以均勻附著在壁面上，增加回彈率。（2）噴射材料的黏度。噴射材料的黏度影響著材料在噴射過程中的黏附性和流動(dòng)性。較低的黏度有助于材料在噴射時(shí)更好地與壁面接觸并附著，減少回彈率。（3）噴射材料的密度會(huì)影響其在噴射過程中的慣性和碰撞力。較高的密度會(huì)增加材料的慣性和反彈力，導(dǎo)致較高的回彈率。（4）顆粒大小和分布的不均勻性會(huì)影響噴射材料的流動(dòng)性和附著性。較大的顆粒和不均勻的分布會(huì)增加材料的回彈率。（5）噴射材料的成分和配比，影響其流動(dòng)性、黏附性和硬化過程。不合適的成分和配比會(huì)導(dǎo)致材料的回彈率增加。

2.2 噴射工藝參數(shù)的選擇與調(diào)整因素

通過合理選擇和調(diào)整噴射工藝參數(shù)，如混凝土配合比、噴射壓力、噴射距離和噴嘴角度以及混凝土黏結(jié)劑和外加劑的使用，可以有效控制隧道濕噴機(jī)械手回彈率，提高噴射混凝土的附著性和施工質(zhì)量。

（1）混凝土配合比，直接影響其流動(dòng)性和黏附性，進(jìn)而影響回彈率。合適的配合比可以提供適當(dāng)?shù)牧鲃?dòng)性和黏附性，減少回彈現(xiàn)象的發(fā)生。（2）噴射壓力，對(duì)噴射混凝土的流動(dòng)性和附著性有重要影響。過高的噴射壓力會(huì)導(dǎo)致混凝土過度分散，增加回彈率；而過低的噴射壓力則可能導(dǎo)致不足的黏附力，同樣會(huì)增加回彈率。因此，選擇合適的噴射壓力對(duì)控制回彈率至關(guān)重要。（3）噴射距離和噴嘴角度，會(huì)影響噴射混凝土的噴射速度和流動(dòng)性。較大的噴射距離和合適的噴嘴角度可以提供較好的噴射流動(dòng)性，減少回彈率。（4）混凝土黏結(jié)劑和外加劑，改善混凝土的黏附性和流動(dòng)性，減少回彈率。常用的黏結(jié)劑和外加劑包括增黏劑、改性劑和黏結(jié)劑等。

2.3 機(jī)械手操作技術(shù)與控制因素

（1）機(jī)械手操作技術(shù)，直接影響混凝土噴射的均勻性和黏附性。操作人員需要熟練掌握機(jī)械手的操作方法，包括噴射速度、噴射角度、噴射距離等。準(zhǔn)確地控制機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡和速度可以實(shí)現(xiàn)均勻噴射，減少回彈率。（2）機(jī)械手參數(shù)調(diào)整，包括噴射速度、噴嘴直徑、噴嘴角度和噴嘴間距等。通過調(diào)整這些參數(shù)，可以使混凝土噴射的流動(dòng)性和黏附性達(dá)到最佳狀態(tài)，從而減少回彈率。（3）噴嘴清潔和維護(hù)。機(jī)械手的噴嘴在噴射過程中容易受到混凝土的堵塞和結(jié)塊，影響噴射效果和回彈率。定期進(jìn)行噴嘴的清潔和維護(hù)工作，保持噴嘴的通暢和良好的噴射狀態(tài)，可以減少回彈現(xiàn)象的發(fā)生。（4）自動(dòng)化控制系統(tǒng)。隨著技術(shù)的進(jìn)步，越來越多的機(jī)械手操作已實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。自動(dòng)化控制系統(tǒng)可以通過精確的傳感器和控制算法來實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)，以達(dá)到更準(zhǔn)確的噴射控制和回彈率的控制。

2.4 其他因素

（1）環(huán)境溫度和濕度，對(duì)混凝土的凝固和硬化過程有影響。較高的溫度和濕度可以促進(jìn)混凝土的早期凝結(jié)，降低回彈率。而較低的溫度和濕度則可能延緩混凝土的凝結(jié)，增加回彈率。（2）施工速度，指的是機(jī)械手在噴射混凝土?xí)r的前進(jìn)速度。過快或過慢的施工速度都可能導(dǎo)致混凝土噴射的均勻性和黏附性降低，從而增加回彈率。

3 隧道濕噴機(jī)械手回彈率控制策略

3.1 機(jī)械手參數(shù)調(diào)整控制

隧道濕噴機(jī)械手的回彈率控制涉及多個(gè)參數(shù)的調(diào)整和控制。（1）噴射壓力，指混凝土在噴射過程中的壓力。較高的噴射壓力可以增加噴射強(qiáng)度，但也可能導(dǎo)致較高的回彈率。調(diào)整噴射壓力時(shí)，可以逐漸增加或減小壓力，以找到合適的噴射壓力，從而降低回彈率。（2）噴射速度，指混凝土在噴射過程中的流動(dòng)速度。較高的噴射速度可能導(dǎo)致混凝土的分散和分離，增加回彈率。調(diào)整噴射速度時(shí)，可以逐漸增加或減小速度，以控制混凝土的流動(dòng)性，減少回彈率。（3）噴嘴直徑，影響噴射時(shí)混凝土的流量和速度。較大的噴嘴直徑可以增加流量，但也可能增加回彈率。調(diào)整噴嘴直徑時(shí)，可以嘗試不同的直徑，找到適合的噴射條件，以降低回彈率。

3.2 材料配合比優(yōu)化

在實(shí)際操作中，需要根據(jù)具體工程的要求和材料特性，通過試驗(yàn)和實(shí)踐來優(yōu)化混凝土的配合比?？梢赃M(jìn)行多次試驗(yàn)，調(diào)整水、水泥、骨料和摻合料等成分的比例，評(píng)估不同配合比下的流動(dòng)性、黏附性和回彈率，找到最佳的配合比方案。同時(shí)，還需要考慮材料的可獲得性、成本和工程實(shí)際施工的可行性，綜合考慮各種因素，制定合理的配合比優(yōu)化策略。

（1）水灰比控制。水灰比是水與水泥的質(zhì)量比例，直接影響混凝土的流動(dòng)性和黏附性。較低的水灰比可以降低回彈率，但過低的水灰比可能導(dǎo)致混凝土難以流動(dòng)。通過合理控制水灰比，可以在保證混凝土流動(dòng)性的前提下降低回彈率。（2）骨料粒徑分布。骨料的粒徑分布對(duì)混凝土的流動(dòng)性和黏附性有影響。合理選擇和控制骨料的粒徑分布，可以增加混凝土的內(nèi)聚力和黏附力，降低回彈率的發(fā)生。一般情況下，采用多粒徑骨料配合可以提高混凝土的流動(dòng)性和減少回彈率。（3）摻合料的應(yīng)用。適量加入摻合料如粉煤灰、礦渣粉等可以改善混凝土的流動(dòng)性和黏附性，減少回彈率。摻合料能填充混凝土中的孔隙，增加內(nèi)聚力和減少分散力，提高混凝土的黏附性。（4）使用減水劑。減水劑是常用的混凝土摻合劑，能夠降低混凝土的黏性和表面張力，改善流動(dòng)性和降低回彈率。減水劑的使用可以在一定程度上調(diào)節(jié)混凝土的黏度和黏附性，使混凝土更易于附著在噴射面上。

3.3 噴射工藝優(yōu)化

在實(shí)際操作中，需要結(jié)合具體工程要求和施工條件，進(jìn)行試驗(yàn)和實(shí)踐，不斷調(diào)整和優(yōu)化噴射工藝。通過對(duì)噴射距離、角度、面積的控制，保證噴射的均勻性和連續(xù)性，以及選擇合適的噴射設(shè)備和調(diào)整設(shè)備參數(shù)，可以有效降低回彈率，提高噴射效果。（1）噴射距離控制。選擇適當(dāng)?shù)膰娚渚嚯x可以使混凝土更好地附著在噴射面上，并減少回彈的發(fā)生。噴射距離過遠(yuǎn)可能導(dǎo)致混凝土在空中失去流動(dòng)性，回彈率增加；而噴射距離過近可能導(dǎo)致混凝土過度堆積，同樣會(huì)影響噴射效果。通過試驗(yàn)和調(diào)整噴射距離，找到最佳的噴射距離，可以降低回彈率。（2）噴射角度和噴射面積控制?？刂茋娚浣嵌群蛧娚涿娣e可以確?；炷辆鶆蚍植荚趪娚涿嫔?，避免出現(xiàn)濃度不均勻的情況。通過調(diào)整噴射角度和噴射面積，使混凝土能夠均勻覆蓋噴射面，并保持一定的流動(dòng)性，減少回彈率的發(fā)生。（3）噴射的均勻性和連續(xù)性。確保噴射操作的均勻性，避免出現(xiàn)噴射中斷、噴射不均勻等情況?？梢酝ㄟ^培訓(xùn)和技術(shù)指導(dǎo)，提高操作人員的技能和意識(shí)，保證噴射的均勻性和連續(xù)性。（4）噴射設(shè)備的選擇和調(diào)整，選擇合適的噴射設(shè)備也對(duì)降低回彈率起到了關(guān)鍵作用。不同類型的噴射設(shè)備具有不同的噴射特性和控制參數(shù)。根據(jù)具體情況選擇合適的噴射設(shè)備，并調(diào)整設(shè)備的參數(shù)，如噴射壓力、噴射速度等，以獲得最佳的噴射效果和降低回彈率。

3.4 機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡優(yōu)化

通過優(yōu)化機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，可以確保噴射面的全面覆蓋，實(shí)現(xiàn)均勻分布和重疊噴射，避免干涉，并考慮噴射角度和方向的合理調(diào)整。這樣可以有效降低回彈率的發(fā)生，提高噴射效果。（1）覆蓋整個(gè)噴射面。確保機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡能夠覆蓋到整個(gè)噴射面，包括垂直面和水平面。根據(jù)噴射面的形狀和尺寸，設(shè)計(jì)合適的運(yùn)動(dòng)軌跡，使機(jī)械手能夠在噴射過程中覆蓋到每個(gè)區(qū)域，避免漏噴和重復(fù)噴射。（2）均勻分布和重疊噴射。通過調(diào)整機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)速度和噴射頭的噴射間距，實(shí)現(xiàn)均勻分布和重疊噴射。確保相鄰噴射區(qū)域之間有適當(dāng)?shù)闹丿B，以確?；炷辆鶆驀娚洳⒏街趪娚涿嫔?。同時(shí)，避免噴射頭在運(yùn)動(dòng)過程中停留時(shí)間過長(zhǎng)或速度過快，以保證噴射的均勻性和連續(xù)性。（3）考慮噴射角度和噴射方向。根據(jù)噴射面的幾何形狀和施工要求，調(diào)整機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡，使噴射角度和噴射方向與噴射面垂直或傾斜，以獲得最佳的噴射效果。通過合理的角度和方向控制，可以使混凝土更好地附著在噴射面上，減少回彈率的發(fā)生。（4）避免機(jī)械手與噴射面的干涉。在設(shè)計(jì)機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)軌跡時(shí)，需要考慮機(jī)械手與噴射面之間的距離和空間限制，避免機(jī)械手與噴射面發(fā)生干涉。確保機(jī)械手能夠自由運(yùn)動(dòng)并完全覆蓋噴射面，以實(shí)現(xiàn)最佳的噴射效果。

4 隧道濕噴機(jī)械手回彈率控制改進(jìn)方案與技術(shù)應(yīng)用

4.1 新型噴射設(shè)備與技術(shù)

（1）高壓噴射設(shè)備。傳統(tǒng)的濕噴機(jī)械手一般采用低壓噴射方式，而高壓噴射設(shè)備可以提供更高的噴射壓力，使混凝土更好地附著在噴射面上，減少回彈率的發(fā)生。高壓噴射設(shè)備可以通過增加壓力來提高混凝土的流動(dòng)性和黏附性，使其更容易附著在噴射面上，并在噴射過程中有效減少回彈。

（2）超聲波噴射技術(shù)。超聲波噴射技術(shù)利用超聲波振動(dòng)來改善混凝土的流動(dòng)性和減少回彈。通過將超聲波傳導(dǎo)到混凝土中，可以有效破壞混凝土中的空氣泡沫和團(tuán)塊，提高混凝土的均勻性和流動(dòng)性，減少回彈率的發(fā)生。超聲波噴射技術(shù)在隧道濕噴施工中的應(yīng)用可以提高噴射效果和質(zhì)量。

（3）自適應(yīng)控制系統(tǒng)。采用自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和調(diào)整機(jī)械手的噴射參數(shù)，以適應(yīng)不同的施工條件和噴射面情況。通過傳感器和反饋控制機(jī)制，自適應(yīng)控制系統(tǒng)可以對(duì)噴射壓力、噴射速度、噴射角度等參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整，以最大限度地減少回彈率。這種技術(shù)的應(yīng)用可以提高噴射的精確度和穩(wěn)定性，優(yōu)化回彈率控制效果。

（4）智能噴射機(jī)器人。利用智能噴射機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械手進(jìn)行噴射，可以提高噴射的精確度和靈活性。智能噴射機(jī)器人具備自主導(dǎo)航、自動(dòng)識(shí)別噴射面形狀、自動(dòng)調(diào)整噴射參數(shù)等功能，可以根據(jù)實(shí)時(shí)情況進(jìn)行智能化的噴射控制。智能噴射機(jī)器人的應(yīng)用可以減少人工操作的誤差和勞動(dòng)強(qiáng)度，提高噴射效果和施工效率。

4.2 新型材料改良與優(yōu)化

（1）納米材料。引入納米材料，如納米硅酸鹽、納米氧化鋁等，可以增強(qiáng)混凝土的流動(dòng)性和黏附性。納米材料的微觀尺度特性可以填充混凝土的微觀孔隙，提高其密實(shí)性和黏附性，減少回彈率的發(fā)生。

（2）纖維增強(qiáng)材料。引入纖維增強(qiáng)材料，如鋼纖維、聚丙烯纖維等，可以增加混凝土的韌性和抗裂能力。這些纖維可以增強(qiáng)混凝土的內(nèi)聚力和黏附力，減少回彈率的發(fā)生，并提高噴射面的抗裂性能。

（3）自修復(fù)材料。采用自修復(fù)混凝土等新型材料，可以修復(fù)混凝土表面的微細(xì)裂縫，減少回彈率的發(fā)生。這些材料具有自愈合能力，可以在噴射過程中填充和修復(fù)裂縫，提高噴射面的完整性和附著性。

5 結(jié)語

綜上，通過綜合考慮噴射材料的特性與性能因素、噴射工藝參數(shù)的選擇與調(diào)整因素、機(jī)械手操作技術(shù)與控制因素以及其他因素的影響，可以采取一系列控制策略來降低回彈率。機(jī)械手參數(shù)的合理調(diào)整控制、材料配合比的優(yōu)化、噴射工藝的優(yōu)化以及機(jī)械手運(yùn)動(dòng)軌跡的優(yōu)化都是有效的控制手段。通過研究和應(yīng)用這些改進(jìn)方案和技術(shù)，可以提高隧道濕噴機(jī)械手的回彈率控制水平，改善噴射面的附著性和均勻性，提高施工效率和質(zhì)量。