隧道智能型混凝土噴射機設計原理及支護效果探討

孔軍 趙文清 馮雪峰 董新星 原宗鋒

(1.山東高速基礎設施建設有限公司，山東 濟南 250014；2.山東省路橋集團有限公司，山東 濟南 250014)

關鍵字：山嶺隧道；智能化；平整度

一、引言

從隧道建設規模及通車里程來看，我國已成為隧道建設大國，但是隧道建設的機械化、智能化程度仍有待提高。

目前，學者的研究主要集中在初期支護的材料上。如，鞠彥忠[1]研究了混凝土中鋼纖維的含量對混凝土的基本力學性能影響；劉雙華[2]研究了噴射混凝土與圍巖之間的黏結強度值；王明年[3]研究了高溫變溫環境下噴射混凝土與圍巖之間的剪切特性；徐幫樹[4]研究分析了公路隧道型鋼噴射混凝土初期支護安全評價，但對于如何提高噴射混凝土的質量以及保證噴射混凝土厚度等方面的研究較少。

二、原理與方法

高效率的自動化噴射機不僅是未來隧道機械化施工發展的方向，也是初期支護質量與防水體系有效性的重要保證，可大大提高施工速度。

為解決隧道噴射混凝土存在的質量問題，研究提出了隧道內智能化噴射機的工作方法。

（一）結構組成

組成介紹：①定位點，②掃描點，③噴射機料倉，④噴射機機械臂，⑤噴射機定位傳感器（角度傳感器與距離傳感器），⑥機械臂定位傳感器（角度傳感器與距離傳感器），⑦噴射機噴射速度控制器，⑧隧道開挖設計內輪廓線，⑨隧道噴射混凝土設計內輪廓線。

（二）原理介紹

該方法主要應用了“極坐標掃描法”來檢測隧道內輪廓，通過預先要求的厚度逐層掃描式噴射，可多次掃描補噴局部平整度不達標或掉落區域，降低凸起區域出料速度的同時提高凹陷區域出料量。

引入數學映射概念，建立以定位點為原點的極坐標系，角度變量αi與半徑變量Lad一一對應（一個角度變量αi有且僅有一個半徑變量Lad與之對應，反之一個半徑變量Lad可以有多個角度變量αi與之對應）。定義關系式Lad=f(αi)，表示Lad是以αi為自變量的函數。其中在確定隧道設計內輪廓及完成施工測量水準點放樣后，Lad與αi的對應關系便成為已知參數可以輸入到噴射機內部系統中。

噴射機進入隧道內部停放位置并不確定，因此建立以位置傳感器為原點的極坐標系。其中Lac為傳感器與定位點1的水平距離，Lbc為傳感器與定位點1的豎向距離，可以通過定位傳感器來確定具體數值大小。

圖1 隧道智能化混凝土噴射機原理圖

根據圖1給出正弦定理、余弦定理表達式（及其變形表達式）：

三、支護效果及工程價值

為檢驗設備實際效能，在濟濰高速單洞三車道金家樓隧道中試用了上述原理研制的智能型混凝土濕噴機械手，實現了每3米循環進尺4小時噴射完畢的高效率，且基面平整度較常規做法大幅提高，具有以下工程價值：

（一）提高噴射混凝土表面平整度

噴射機通過極坐標系建立掃描區域，對比掃描結果與設計參數，從而確定初期支護時的噴射厚度，多次掃描后評估初期支護表面平整度，對于“凹陷”區域噴射機自動提高出漿量或增加噴射速度，進而達到“補平”的效果；對于“凸出”區域，噴射機在該區域可自動減少出漿量或降低噴射速度。通過平整度與厚度兩個設計條件，保證噴射混凝土表面的平整度，從而避免防水板被“凸起”或“凹陷”的噴射混凝土表面“抻坡”，以至于防水失效。

（二）加快施工速度，保證施工質量

該噴射機與噴射方法可實現智能化自動化施工，提高了隧道噴射混凝土施工速度，減少了人為主觀因素的干擾，保證了隧道初期支護的施工質量。

（三）取消人工作業，提高作業人員安全

由于隧道為半密閉空間，隧道出渣后初期支護施工是相對較為危險的施工階段，人工噴射混凝土存在較大的施工安全隱患，該噴射機與施工方法可避免作業人員直接暴露在未支護的圍巖下，從而提高了施工安全性。

（四）對施工環境要求較高

由于該機器與方法是靠光學傳感器工作，因此要求隧道內能見度高、粉塵濃度低，當隧道內塵土較少時，工作效率更高。

四、結語

智能型噴射機的研制及成功應用實現了金家樓隧道的提前貫通，節約了人工成本，同時避免了人為主觀因素導致的施工質量問題，提高了隧道初期支護施工速度，可提升隧道施工的機械化、智能化水平。