地铁隧道混凝土喷射设备及工艺方法与流程

本发明涉及地铁隧道施工机械技术领域，尤其涉及一种地铁隧道混凝土喷射设备及工艺方法。

背景技术：

随着城市人口的快速膨胀，交通压力日益严峻，修建地铁成为解决该矛盾的有效手段，目前在建地铁的大中城市已超过40个。地铁隧道修建施工中，喷射混凝土作业是支护工序中重要的一步，决定着施工质量与工程安全性。

目前地铁施工中多采用潮喷工艺，主要原因是地铁隧道作业空间狭小，山岭隧道与公路隧道中已成熟应用的湿喷设备与工艺的应用受到制约。潮喷混凝土技术的工艺原理是：把水泥、石子、沙子和速凝剂按比例在地面进行搅拌，输送至工作面，加进喷射机后用压缩空气将物料通过软管吹至喷头处，在喷嘴处加水，形成料束，高速推送至受喷工作面上。

但是，潮喷工艺施工会导致洞内粉尘浓度大，是引起职业病的主要因素，在国家对施工环境保护、人员安全与健康要求不断加强的背景下，潮喷工艺已经不能满足环保的需求。

除此之外，在实际施工中发现潮喷技术还具有以下缺点：混凝土回弹率高，操作人员在喷头处手动调节水流量球阀造成水灰比无法准确控制，施工质量和施工效率均较低。因而针对现行混凝土喷射工艺所存在的问题，需要结合地铁隧道的实际情况，研究一套适用于地铁隧道施工的混凝土喷射设备及工艺。

技术实现要素：

本发明的目的是提出一种地铁隧道混凝土喷射设备及工艺方法，能够降低地铁隧道内施工现场的粉尘浓度。

为实现上述目的，本发明第一方面提供了一种地铁隧道混凝土喷射设备，包括搅拌模块、湿喷模块和控制部件，搅拌模块和湿喷模块集成设置在同一个车辆底盘上，搅拌模块用于对按照预设配比加入的混合物料与水进行搅拌形成混凝土，湿喷模块包括混凝土输送管，混凝土输送管的端部设有喷头，湿喷模块用于将搅拌后的混凝土通过混凝土输送管运送至喷头处，以对受喷作业面进行湿喷。

进一步地，喷射设备还包括上料模块，用于接收外部提供的混合物料，并将混合物料加入至搅拌模块中，上料模块、搅拌模块和湿喷模块一体设置。

进一步地，上料模块包括第一料斗和倾斜设置的轨道，轨道用于将第一料斗提升至搅拌模块的正上方，控制部件能够控制第一料斗在轨道底部时接收混合物料，并在沿着轨道运动至轨道顶部时将混合物料卸入到搅拌模块中。

进一步地，第一料斗内设有刻度标尺，用于通过体积测量法计量加入的混合物料。

进一步地，喷射设备还包括至少两辆电动运输车，用于交替地将从地面上输送至地铁隧道内的混合物料运输至上料模块中。

进一步地，搅拌模块包括强制式单卧轴搅拌机。

进一步地，湿喷模块包括第二料斗，第二料斗位于搅拌模块的斜下方，用于接收通过搅拌模块搅拌后的混凝土。

进一步地，湿喷模块包括速凝剂供应部件，速凝剂供应部件包括软管泵、通断阀和速凝剂输送管，速凝剂输送管的一端与喷头连通，控制部件能够在混凝土到达喷头处时启动软管泵，以使速凝剂经过速凝剂输送管到达喷头处与混凝土混合。

进一步地，喷射设备还包括废料处理模块，废料处理模块包括辅助装置，湿喷模块包括泵，用于将混凝土泵送至混凝土输送管中，控制部件能够在湿喷作业结束后反向启动泵以抽回混凝土输送管内的混凝土，并控制辅助装置提供压缩气体和水，以对混凝土输送管的内壁进行清洗。

进一步地，喷射设备还包括设在受喷作业面前方的操作机架，喷头固定在操作机架上，用于通过操作操作机架执行喷射作业。

为实现上述目的，本发明第二方面提供了一种地铁隧道混凝土喷射工艺方法，基于上述实施例的地铁隧道混凝土喷射设备，包括：

控制部件控制搅拌模块对按照预设配比加入的混合物料与水进行搅拌形成混凝土；

控制部件控制湿喷模块将搅拌后的混凝土通过混凝土输送管运送至喷头处，以对受喷作业面进行湿喷。

进一步地，在搅拌模块对按照预设配比加入的混合物料与水进行搅拌形成混凝土之前，该工艺方法还包括上料步骤，上料步骤具体包括：

在第一料斗内利用刻度标尺通过体积测量法对混合物料进行称量；

控制部件控制第一料斗沿轨道运动至搅拌模块正上方；

控制部件使第一料斗下端的放料口开启，以使混合物料落入搅拌模块中。

进一步地，在搅拌模块对按照预设配比加入的混合物料与水进行搅拌形成混凝土之前，该工艺方法还包括：

采用混凝土搅拌站拌制形成潮湿的混合物料。

进一步地，该工艺方法还包括：

将拌制形成潮湿的混合物料通过管道经竖井输送至地铁隧道内。

进一步地，该工艺方法还包括：

采用至少两辆电动运输车交替地将输送至地铁隧道内的混合物料运输至上料模块中。

进一步地，在搅拌模块对按照预设配比加入的混合物料与水进行搅拌形成混凝土之后，该工艺方法还包括：

控制部件控制搅拌模块翻转，以将搅拌后的混凝土倒入湿喷模块的第二料斗内。

进一步地，在湿喷模块将搅拌后的混凝土通过混凝土输送管运送至喷头处的同时，该工艺方法还包括：

控制部件启动软管泵，以使速凝剂经过速凝剂输送管到达喷头处与混凝土混合。

进一步地，对受喷作业面进行湿喷的方法包括：人工抱喷或采用操作支架喷射。

进一步地，在完成湿喷作业后，该工艺方法还包括：

控制部件反向启动泵以抽回混凝土输送管内的混凝土；

控制部件使辅助装置提供压缩气体和水以对混凝土输送管的内壁进行清洗；

将废水排入搅拌模块内，并启动搅拌模块，以对搅拌模块的内部进行清洗；

翻转搅拌模块将废水倒入湿喷模块内，以对第二料斗进行清洗；

开启第二料斗底部的放料口，由第一回收车接取废水和废料后倒入第二回收车内进行沉淀。

基于上述技术方案，本发明实施例的地铁隧道混凝土喷射设备，将搅拌模块和湿喷模块集成设置于同一车辆底盘上，减小了设备占据的整体空间，能够适应于地铁隧道内较为狭小的空间；而且，混合物料与水可预先按照预设的配比在搅拌模块内搅拌形成混凝土，可使得混凝土配比控制更准确，并提高搅拌均匀性，降低混凝土回弹率；另外，通过湿喷模块对受喷作业面进行湿喷，可降低施工现场的粉尘浓度，并降低工人的劳动强度。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明地铁隧道混凝土喷射设备的一个实施例的结构示意图；

图2为本发明地铁隧道混凝土喷射工艺方法的一个实施例的流程图。

附图标记说明

1、受喷作业面；2、喷头；3、混凝土输送管；4、速凝剂输送管；5、湿喷模块；6、搅拌模块；7、第一料斗；8、轨道；9、电动运输车；10、软管泵；11、车辆底盘；12、第一回收车；13、压缩气体输送管；14、第二回收车；15、第二料斗。

具体实施方式

以下详细说明本发明。在以下段落中，更为详细地限定了实施例的不同方面。如此限定的各方面可与任何其他的一个方面或多个方面组合，除非明确指出不可组合。尤其是，被认为是优选的或有利的任何特征可与其他一个或多个被认为是优选的或有利的特征组合。

本发明中出现的“第一”、“第二”等用语仅是为了方便描述，以区分具有相同名称的不同组成部件，并不表示先后或主次关系。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“左”和“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系。“纵向”是指车辆的长度方向，“横向”是指车辆的宽度方向。这些用语仅是为了便于描述本发明，而不是指示或暗示所指的装置必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明保护范围的限制。

如图1所示，本发明提供了一种地铁隧道混凝土喷射设备(后续简称喷射设备)，在一个示意性的实施例中，喷射设备包括搅拌模块6、湿喷模块5和控制部件，搅拌模块6和湿喷模块5集成设置于同一个车辆底盘11上。其中，搅拌模块6用于对按照预设配比加入的混合物料与水进行搅拌形成混凝土，混合物料为预先配置好的潮湿的混合物料，或称潮料，将潮料加入搅拌模块6之后，再加入水进行搅拌，水可以在搅拌的过程中逐渐加入。湿喷模块5包括混凝土输送管3，混凝土输送管3的端部设有喷头2，湿喷模块5用于将搅拌均匀后的混凝土通过混凝土输送管3运送至喷头2处形成高压料束，以对设备前方的受喷作业面1进行湿喷。

本发明该示意性实施例的喷射设备至少具备如下优点之一：

(1)将搅拌模块6和湿喷模块5集成设置于同一个车辆底盘11上，能够减小设备的整体体积，以适应于地铁隧道内较为狭小的空间。

(2)采用湿喷的方式进行作业，可降低施工现场的粉尘浓度，以保障操作者的健康；而且也不需要操作者在喷头处手动调节水流量，能够降低劳动强度，提高作业效率。

(3)混合物料与水可预先在搅拌模块内搅拌形成混凝土，可使得混凝土中混合物料和水的配比控制更准确，避免了动态控制配比，而且能通过预先充分搅拌提高混凝土的均匀性，降低混凝土回弹率，并提高混凝土在受喷作业面1上的喷涂质量。

进一步地，本发明的喷射设备还包括上料模块，上料模块用于接收外部提供的混合物料，并将混合物料加入至搅拌模块6中，控制部件可控制上料模块自动完成上料动作，以提高上料的自动化程度。

上料模块、搅拌模块6和湿喷模块5均集成设置在同一个车辆底盘11上。本发明的喷射设备是集成了上料、搅拌和湿喷功能的一体机，能够使设备结构紧凑，占用隧道空间小，可灵活地适应地铁隧道内狭小的作业空间；而且该设备采用共用底盘，移动方便，适合于多作业面共用，减少设备在应用时受到的制约，可提高作业效率，降低施工成本；另外还可减少粉尘从各个模块之间逸出，降低隧道内的粉尘污染。

如图1所示，上料模块沿着车辆纵向设在搅拌模块6的后方，湿喷模块5沿着车辆纵向设在搅拌模块6的前方。下面对设备中的各个模块分别进行详细说明。

上料模块包括第一料斗7和倾斜设置的轨道8，轨道8用于将第一料斗7提升至搅拌模块6的正上方，控制部件能够控制第一料斗7运动至处于轨道8底部时接收混合物料，并在沿着轨道8运动至轨道8顶部时将混合物料卸入到搅拌模块6中，图1中示出了第一料斗7处于轨道8的顶部和底部的状态示意图。第一料斗7底部设有放料口，当第一料斗7运动至轨道8的顶部时，控制部件使放料口打开，以将混合物料卸入搅拌模块6中，当然第一料斗7也可以采用倾倒的方式卸料。

在一种实现形式中，第一料斗7本身可在控制部件的控制下沿轨道8运动。在另一种实现形式中，轨道8采用皮带等可运动的传送机构，以带动第一料斗7运动。

优选地，第一料斗7内设有刻度标尺，用于通过体积测量法计量加入的混合物料。在配比一定的情况下，采用体积法计量具有简单、可靠和计量准确的优点。在接收混合物料之前，先根据配比计算以及混凝土用量，向第一料斗7内倒入特定量的混合物料。接着启动上料模块的开关，装好料的第一料斗7沿轨道8提升至搅拌模块6的正上方，第一料斗7下端的放料口自动开启，第一料斗7的放料口与搅拌模块6的接料口相配合，混合物料可自动卸入搅拌模块6内。

为了向上料模块提供混合物料，本发明的喷射设备还包括至少两辆电动运输车9，例如电动三轮车，电动运输车9在地铁隧道内工作，用于交替地将从地面上输送至地铁隧道内的混合物料运输至上料模块中。采用电动运输车9输送混合物料，无尾气排放，可降低污染。

在混合物料通过电动运输车9输送之前，还包括混合潮料拌制以及从地上向隧道内输送混合潮料的过程。其中，混合潮料拌制是利用地面搅拌站，按照设计的配比进行水泥、石子、沙子及水的计量与搅拌。在开始湿喷作业时，地面搅拌站拌制好的混合物料通过管道经竖井输送至隧道内。根据运输距离的长度，由2～3辆装载能力大于1m³电动运输车9交替接取混合物料，并在接料后运送至上料模块所在位置，并直接将混合物料倒入第一料斗7内。本发明的上料方式与通过拆开料袋向搅拌机倒料的方式相比，可减少人力投入，避免大量的料袋提前堆放在隧道内，不影响正常的开挖与出渣作业。

搅拌模块6优选地采用强制式单卧轴搅拌机，强制式混凝土搅拌机拌筒内的转轴臂架上装有搅拌叶片，加入拌筒内的物料，在搅拌叶片的强力搅动下，形成交叉的物流。这种搅拌方式远比自落搅拌方式作用强烈，搅拌更均匀、效率更高。可替代地，搅拌模块6也可采用自落式单卧轴搅拌机。

控制部件中可事先设置好配比，实现加水量、搅拌时间的自动精确控制。按照设定的时间，搅拌程序自动开启，搅拌模块6开始搅拌混合物料，同时按照设定的时间，程序按照在控制部件中预先设置的配比自动启动添加水、减水剂，水可以在搅拌的过程中不断加入，以搅拌形成均匀的混凝土。按照设定的时间完成搅拌后，控制部件自动控制搅拌机翻转，将混凝土倒入湿喷模块5中以进行后续的湿喷作业。

如图1所示，湿喷模块5包括第二料斗15，第二料斗15位于搅拌模块6的斜下方，用于接收通过搅拌模块6搅拌后的混凝土。当混凝土搅拌完成之后，控制部件自动控制搅拌机翻转，将混凝土倒入第二料斗15中，并由泵送式湿喷机进行后续的湿喷作业。湿喷模块5中设有泵，用于将混凝土泵送至混凝土输送管3中，以满足受喷作业面1与喷射设备的距离要求。

进一步地，湿喷模块5还包括速凝剂供应部件，速凝剂供应部件包括软管泵10、通断阀和速凝剂输送管4，软管泵10设在车辆底盘11的后部，通断阀可采用高压空气电磁阀，速凝剂输送管4的一端与喷头2连通。控制部件能够在混凝土到达喷头2处时自动启动软管泵10，同时开启通断阀，以使速凝剂经过速凝剂输送管4到达喷头2处与混凝土混合，从而进行湿喷作业。

现有技术的方案中一般在混凝土喷射之前预先混入速凝剂，在加水搅拌过程及湿喷输料过程中，混凝土已发生硬化形成强度，极易造成堵管。而本发明的喷射设备在喷头2处将速凝剂与混凝土进行混合，能够防止混凝土发生硬化，保证混凝土的流动性，以便更流畅地喷射在受喷作业面1上。软管泵具有很好的自吸能力，可较好地产生真空来吸液、输送无气阻、每转实现的排量固定而与出口压力无关，可准确地计量速凝剂。

在湿喷作业时，一方面可采用人工抱喷的方式，操作手抱着喷头2，站在受喷作业面1前进行喷洒作业。另一方面也可在受喷作业面1前方设置操作机架，喷头2固定在操作机架上，用于使操作者通过操作所述操作机架的把手进行喷射作业，这样可降低操作手的劳动强度，提高作业效率。

本发明的喷射设备能够在控制部件的控制下自动完成上料、加水、添加减水剂、搅拌、倒料至第二料斗、利用泵送式湿喷机通过混凝土输送管3将混凝土输送至受喷作业面1进行喷浆作业等一系列动作。此种喷射设备采用自动上料能够省去人工拆袋卸料的工序，对于大面积湿喷作业劳动强度大大降低；第一料斗7和搅拌模块6按程序设定的时间间隔完成混凝土的制备与供应，保证湿喷机料斗内不断料，从而实现连续快速的湿喷作业，避免了采用人工拆袋卸料带来的喷射不连续的现象，可提高受喷作业面的湿喷质量和施工效率。

在完成湿喷作业后，还需要对喷射设备及管路进行清洗，对废料和废水进行处理，以达到环保的目的，为此，本发明还设计了与喷射设备配套的清洗和回收装置，以减少废料和废水的排放，减小污染。下面将进行说明。

本发明的设备还包括废料处理模块，废料处理模块包括辅助装置，辅助装置用于提供压缩空气和水，控制部件能够在湿喷作业结束后控制泵反向转动以抽回混凝土输送管3内的残余混凝土，然后控制辅助装置提供压缩气体和水以对混凝土输送管3的内壁进行清洗。清洗后的废水直接排入搅拌模块6中，搅拌模块6启动搅拌，实现自动清洗，再翻转搅拌模块6将清洗废水倒入湿喷机的第二料斗15内，清洗完第二料斗15之后，开启第二料斗15底端的放料口将废水和废料排出。

进一步地，废料处理模块还包括第一回收车12和第二回收车14，第一回收车12用于在第二料斗15下接取废水和废料，并倒入第二回收车14中存放，经过沉淀后，上面清液用于下次施工，沉淀废渣用于仰拱或其它施工，第二回收车14的存储量大于第一回收车12。

此外，本发明还提供了一种地铁隧道混凝土喷射工艺方法，基于上述实施例的地铁隧道混凝土喷射设备，如图2所示的流程示意图，包括：

混凝土制备步骤：控制部件控制搅拌模块6对按照预设配比加入的混合物料与水进行搅拌形成混凝土；

湿喷作业步骤：控制部件控制湿喷模块5将搅拌后的混凝土通过混凝土输送管3运送至喷头2处，以对受喷作业面1进行湿喷。

具体地，在湿喷作业步骤中，对受喷作业面进行湿喷的方法包括：人工抱喷或采用操作支架喷射。

本发明的湿喷工艺方法可将混合物料与水可预先按照预设的配比在搅拌模块内搅拌形成混凝土，可使得混凝土配比控制更准确，并提高搅拌均匀性，降低混凝土回弹率；另外，湿喷还可降低施工现场的粉尘浓度，并降低工人的劳动强度。

进一步地，在混凝土制备步骤之前，本发明的工艺方法还包括上料步骤，上料步骤具体包括：

在第一料斗7内利用刻度标尺通过体积测量法对混合物料进行称量；

接着控制部件控制第一料斗7沿轨道8运动至搅拌模块6正上方；

然后控制部件使第一料斗7下端的放料口开启，以使混合物料落入搅拌模块6中。

该工艺方法中通过控制部件实现自动上料，能够在混凝土形成过程中连续的提供混合物料，提高上料的效率，并减少人力投入。

在上料步骤之前，本发明的工艺方法还包括混合物料拌制步骤，具体包括：采用混凝土搅拌站拌制形成潮湿的混合物料，在拌制时可按照设计的配比进行水泥、石子、沙子及水的计量与搅拌。

在一个具体的实施例中，在进行混合物料拌制时，选择的材料包括水泥、石子、砂子和水。其中，水泥为普通425水泥，石子粒径5～10mm，砂子粒径小于5mm的建筑用砂，水为未受污染的自来水；按照石子添加量为水泥重量的100％～180％、砂子添加量为水泥重量的150％～220％、水添加量为水泥重量的5％～10％的配比关系，采用混凝土搅拌站进行混合潮料的拌制。

进一步地，在混合物料拌制步骤之后，本发明的工艺方法还包括：将拌制形成潮湿的混合物料通过管道经竖井输送至地铁隧道内。

进一步地，在将混合物料拌制步骤输送至地铁隧道内之后，本发明的工艺方法还包括：采用至少两辆电动运输车9交替地将输送至地铁隧道内的混合物料运输至上料模块中。

在混凝土制备步骤之后，本发明的工艺方法还包括：控制部件控制搅拌模块6翻转，以将搅拌后的混凝土自动倒入湿喷模块5的第二料斗15内。

在湿喷模块5将搅拌后的混凝土通过混凝土输送管3运送至喷头2处的同时，本发明的工艺方法还包括：控制部件启动软管泵10，以使速凝剂经过速凝剂输送管4到达喷头2处与混凝土混合。

进一步地，在完成湿喷作业步骤之后，本发明的工艺方法还包括设备清洗和废料处理步骤，具体包括：

控制部件反向启动泵以抽回混凝土输送管3内的混凝土；

控制部件使辅助装置提供压缩气体和水以对混凝土输送管3的内壁进行清洗；

将废水排入搅拌模块6内，并启动搅拌模块6，以对搅拌模块6的内部进行清洗；

翻转搅拌模块6将废水倒入湿喷模块5内，以对第二料斗15进行清洗；

开启第二料斗15底部的放料口，由第一回收车12接取废水和废料后倒入第二回收车14内进行沉淀。

由于本发明在喷射设备部分已经对各工序的具体执行方法和有益技术效果进行了详细的描述，因此在工艺方法部分仅作简单阐述，相关内容可参考在喷射设备部分的描述。

以上对本发明所提供的一种地铁隧道混凝土喷射设备及工艺方法进行了详细介绍。本文中应用了具体的实施例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。