喷浆作业一体化的技术方案

喷浆作业一体化的技术方案

喷混凝土（又称喷混凝土）防护是铁路、公路、采矿、水管理、地铁等工程隧道防护的一种广泛使用的方法。然而，人工钻探混凝土具有高回射率、高粉料、施工质量不稳定、施工延迟等缺点。尤其是干喷时，这些缺点最为突出。产生上述缺点的原因是多方面的,从工艺和设备的角度看,有下述几个主要原因:(1)人工喷射混凝土无法按喷射混凝土的工艺原则进行。这是因为喷浆作业时,喷射点周围飞沙走石,操作者不敢抬头,只能站在较远的地方斜着喷,无法按喷浆工艺要求保持喷枪与受喷面垂直并保持1m左右的距离,这就必然造成回弹率高、粉尘大;(2)由于回弹物中大部分是骨料,故回弹多也降低了混凝土的强度;(3)大断面隧道施工中,人工喷射混凝土需要脚手架,爆破后不能立即施喷,新裸露的围岩就会松动,这样即使后来喷了混凝土,其支护效果也不如立即喷射混凝土好,因此人工喷射混凝土不仅影响了施工质量,也影响了施工进度;(4)虽然在大隧道施工中较多地采用简易台车进行喷浆,但站在台车架子上比站地面困难更多,更无法按喷浆工艺原则作业,回弹更大,作业速度更慢。从发展的趋势看,湿喷是今后的发展方向,国内在湿喷机的研制上也取得了很大成绩,但目前国产转子式湿喷机出料量(即生产能力)偏小而大出料量的混凝土泵(如12～20m3/h)人工又抱不动喷枪,因而施工进度就慢,不少单位只得采用2～3台喷机同时作业的办法来弥补。但是,湿喷时,若仍采用人工作业,同样存在不能按喷浆工艺作业的问题。因此,克服上述缺点的措施在于实现喷浆作业一体化,即采用喷射混凝土机器人配上大排量湿喷机等设备进行有线或者无线远距离遥控。仅就采用机器人喷射混凝土而言,至少可以保证喷浆作业按其工艺要求进行,即喷枪与受喷面垂直并保持最佳距离;喷枪的运动可按工艺要求的轨迹进行;喷射混凝土作业人员能够借助于有线遥控或无线遥控进行远距离操作而免受粉尘和塌方(或剥落掉块)的威胁;而且,能够做到爆破后及时作喷射混凝土支护,不仅省去脚手架,更重要的是提高了工程质量,加快了施工进度。此外,随着湿喷机和湿喷工艺的推广,喷射混凝土机器人势将替代人工成为必备的设备。1喷流设备的作用喷射混凝土作业优化配置图如图1所示。采用喷砼机器人与大排量湿喷机配套进行喷射混凝土作业具有如下优点:(1)自动地保持喷枪与受喷面垂直,喷枪口与受喷面的距离为(100±20)cm。如果采用高压风喷射,则最好能让风压随喷射距离的变化做相应调节。(2)能保证喷枪按最佳轨迹自行运动,并且能平滑调节喷枪在轨迹上的移动速度。(3)考虑到工作环境的实际情况,设备具有有线遥控或无线遥控功能。遥控功能可使得操作者离开设备一定距离,站在安全、无粉尘并且更易观察喷射情况的位置操作。(4)能显著提高作业效率,实现快速施工。这里“提高作业效率”有两层意思,一是靠设备本身的自动功能来显著提高作业效率;二是喷浆机器人与大排量湿喷机相配套显著提高喷浆作业效率(后者对机器人来说是很容易做到的,而原来的人工喷浆是无法做到的);再者就是采用机器人进行喷浆作业可以节省人力提高作业效率。2喷射混凝土机器人该机器人的结构原理图及性能参数如图2和表1所示。图2中展示了机器人工作于最高和最低姿态的2种状态。所示的机器人结构是基于尽可能方便地实现最佳喷浆轨迹这一基本思想设计出来的。它有6个自由度:大臂在油缸驱动下做俯仰运动;小臂做水平摆动,水平摆动的范围为±45°,由于小臂采用四连杆机构,故摆动时其末端做平移运动,从而使得位于其末端的水平伸缩臂与受喷面的相对距离和姿态不变(同时意味着喷射混凝土作业时机器人停靠在隧道一侧);水平伸缩臂能在与隧道轴线平行的方向伸缩,使得喷枪做水平移动并保持姿态不变;手腕转动可在喷拱部时完成,喷枪沿拱部划弧,同时保证喷枪与受喷面垂直;通过喷枪调姿机构的油缸动作可调整喷枪的姿态,从而在遇到大凹坑时,仍能调整喷枪与受喷面垂直;借助于偏心连杆机构,可使喷枪沿锥面运动,从而使喷枪口划出一个360°的连续圆。图2所示的6个自由度机器人可根据现场需要安装于汽车上或安装在有轨底盘上。该机器人既可与湿喷机相配套,也可与干喷机相配套,均由用户选定。若与湿喷机相配套,还可安装与其相配套的速凝剂添加设备。制造时将机器人、喷浆机和行走用底盘(汽车或梭式矿车)分别做成3个独立的部分。喷射混凝土机器人的电控系统采用电液伺服计算机控制。为适应作业现场的实际,电控系统具有以下几个主要特点:(1)电控系统具有有线遥控或者无线遥控。所谓“遥控”功能,即操作者可在机器人操作室或采用有线遥控站在离机20m左右的范围内对机器人进行操作,或者采用无线遥控更加方便灵活地对机器人进行遥控操作;(2)为便于操作和推广,电控系统的操作器设计成直观型,所有操作手柄都可很直观地表明相对应的动作,让操作者凭直觉即可进行操作,因而操作者无需专门训练或较高文化水平;(3)为适应作业现场的恶劣环境,电控系统所采用的元器件均为工业级器件甚至军用品,做成“全加固型”,采取了优良的防湿潮、防粉尘、防霉变、抗振动、抗电磁干扰、抗冲击等措施,并具有良好的散热和通风功能,以求得高可靠性。由上述可知,本喷射混凝土机器人结构简单,且其部件多为结构件,因而牢固、可靠,抗恶劣环境能力强。电控系统的内核虽较复杂,但由于采用工业级甚至军用级器件并采取了加固技术,因而使得整个电控系统十分可靠,并且操作十分简单、直观、灵活。总之,在多数情况下,只需一个很直观的操作动作,就可完成一个相当长时间的作业任务,操作者很轻松。因此,本混凝土机器人是国内外现有的同类产品中结构最简单、操作最简单、功能最强的一种。3隧道隧道采用公路互通的形式自喷浆机器人与湿喷机配套投入施工后,已用于济南绕城高速公路隧道、西安—合肥铁路的东秦岭隧道、昆明—石林的高速公路隧道等。在使用过程中,有如下特点:(1)与手动喷雾剂相比，回波量显著减少(2)施工效率高，施工速度快(3)劳动分工的降低降低了质量4喷混凝土回弹率高、高效通过实际现场应用表明,将机器人与大排量湿喷机配套投入施工除能使喷浆作业及时之外,还大大减轻了工人的劳动强度,改善了作业环境,这就减轻了工人的思想压力和体力消耗,让工人在轻松愉快的情况下从事作业,减少了工人偷懒耍滑、偷工减料的可能性,减少了人工因素的不利影响,有利于提高工程质量,有利于提高作业的连续性,从而促进了工程进度,无形中,施工快了,质量好了。经对拱部和两帮喷混凝土回弹率的实地测算,回弹率可比人工喷射减少一半,在一般情况下,可以减少回弹15%以上。机器人与大排量湿喷机配套,可以大大提高作业效率。如果仍采用原有的干式或湿式转子式喷浆机,由于机器人喷浆,无需脚手架和平台,省工省钱,爆破后可及时施喷,因此既可快速施工,又提高了工程质量;此外人工喷浆由于料管重、喷枪的后坐力