CN105756688B - 一种提高混凝土喷射质量的喷头装置及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种提高混凝土喷射质量的喷头装置及施工方法，包括：喷头本体，所述喷头本体设有喷头扩大部以及设在所述喷头扩大部前端的喷头帽，所述喷头帽上设有多个空气孔和多个混凝土孔，且所述空气孔位于所述混凝土孔的外围；所述喷头扩大部具有两层不连通的空腔，其中：第一层空腔为高压空气输送空腔，所述高压空气输送空腔与高压空气输送管连通以输入高压空气，该空腔端部与所述空气孔连通用以喷射高压空气；第二层空腔为混凝土输送空腔，所述混凝土输送空腔与混凝土输送管连通以输入混凝土，该空腔端部与所述混凝土孔连通用以喷射混凝土。本发明有效减少混凝土喷射回弹和飞溅，从而达到提高混凝土喷射质量目的。

Description

一种提高混凝土喷射质量的喷头装置及施工方法

技术领域

本发明涉及一种地下建筑工程技术领域中的施工技术，具体地，涉及一种提高混凝土喷射质量的喷头装置及施工方法。

背景技术

矿山法有着施工效率高和经济性强的特点，是地下隧道的主要施工方式之一。该工法需要先将整个断面分部开挖至设计轮廓，并随之修筑衬砌，当地层松软时，则可采用简便机械手具进行，并根据围岩稳定程度，在需要时应边开挖边支护。在进行初次支护和二次衬砌时，需要向隧道侧壁喷射混凝土，有助于封闭围岩、防止围岩的松弛和风化、与拱架及锚杆形成联合支护体系。现有喷射混凝土的喷头为简单的空心圆管，该喷头具有喷射作用面小、飞溅损失大以及在接触隧道侧壁后的回弹率高的缺点，易导致隧道内粉尘含量上升并降低喷射混凝土的均匀性，从而引发环境污染，降低资源利用率和施工质量。因此，如何提高混凝土喷射的整体施工质量是喷射混凝土施工中的难点之一。

经对现有技术文献的检索发现，中国专利号为CN201320824024.X，专利公开号为：CN203603933U，专利名称为：一种降低喷砼回弹率的喷头，该专利自述为：“包括喷头本体和与其尾部相连接的输料软管，所述喷头本体为中空管状结构，在所述输料软管上设置有橄榄球形的物料混合部，其短轴长度大于所述输料软管的直径；在所述物料混合部的前端设置有速凝剂添加管，所述速凝剂添加管的轴线与所述喷头本体的轴线之间的夹角为锐角；所述喷头本体为从尾部到前端直径逐渐增大的圆柱体，所述喷头本体尾部的直径与所述输料软管的直径相适应，在所述喷头本体的前端固定有喷头盖，所述喷头盖为与所述喷头本体的最前端的横截面直径相适应的圆形板状结构，所述喷头盖上设置有喷孔。”该专利自述，其使用方法为：“靠近喷头尾部的输料软管的内径扩大，使之呈椭球体，速凝剂添加管连接在椭球体的前端，速凝剂添加管的轴线与喷头的轴线呈锐角，充分混合混凝土与速凝剂；喷头具有多个喷孔，使喷出的混凝土更加均匀。”该专利中所述降低喷砼回弹率的喷头装置在工程实际使用过程中施工人员需要根据喷头与喷射工作面角度，调整喷头喷射方向与工作面垂直，工作难度大；该专利采用速凝剂流动方向与混凝土流动方向成钝角的设计，易引起速凝剂难以流入混凝土管道以及混凝土涌入速凝剂添加管造成堵管等问题。因此，该专利所述降低喷砼回弹率的喷头装置未能有效降低喷砼回弹率，且存在施工难度较大、可靠性低以及存在堵管隐患等缺点。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明目的是提供一种提高混凝土喷射质量的喷头装置及其施工方法，有效减少混凝土喷射回弹和飞溅，从而达到提高混凝土喷射质量目的。

根据本发明的一个方面，提供一种提高混凝土喷射质量的喷头装置，包括：喷头本体，所述喷头本体设有喷头扩大部，在所述喷头扩大部前端设有喷头帽，所述喷头帽上设有多个空气孔和多个混凝土孔，所述空气孔位于所述混凝土孔的外围，在喷头帽上形成一个喷射面；所述喷头扩大部具有两层不连通的空腔，其中：

第一层空腔为高压空气输送空腔，所述高压空气输送空腔与高压空气输送管连通以输入高压空气，该空腔端部与所述空气孔连通用以喷射高压空气；

第二层空腔为混凝土输送空腔，所述混凝土输送空腔与混凝土输送管连通以输入混凝土，该空腔端部与所述混凝土孔连通用以喷射混凝土。

优选地，所述混凝土输送管上设有速凝剂输入口用以输入速凝剂，所述速凝剂和所述混凝土混合均匀，然后输入所述混凝土输送空腔。

更优选地，所述速凝剂输入口通过一速凝剂管接头连接速凝剂输送管，所述速凝剂输送管将速凝剂输送至混凝土输送管，与混凝土混合。更进一步的，所述速凝剂管接头为多根圆管，多根圆管等角度均匀垂直焊接于所述混凝土输送管外表面上，与所述混凝土输送管贯通，从而解决速凝剂难以流入混凝土输送管以及混凝土涌入速凝剂输送管造成堵管等问题。

优选地，所述混凝土输送管为一直管，直管中部有多个速凝剂输入口，多个所述速凝剂输入口位于直管的同一圆截面且等间距分布；所述直管一端连接所述喷头扩大部并与所述混凝土输送空腔相通。

优选地，所述高压空气输送空腔通过一高压气体管接头连接高压空气输送管，高压气体管接头为一根圆管，该圆管一端连接高压空气输送管，另一端焊接于所述喷头扩大部，与高压空气输送空腔贯通。

优选地，所述喷头扩大部为一个外形以圆弧面形式延展的双空心半椭球体，其小头端外径等于混凝土输送管内径，大头端最大处的直径等于喷头帽直径；喷头扩大部设置内外两个封闭壳，形成所述的两层不连通的空腔。

优选地，所述喷头帽为一个内外圈具有不同孔径的椭圆形钢板，外圈小孔为空气孔用于喷射高压空气流体；内圈大孔为混凝土孔用于喷射高压混凝土流体，并且混凝土孔延伸出一段导流管。

优选地，所述喷头装置进一步设有连接件，用于工作时与外围的喷射混凝土机械手大小臂相连，更进一步的，所述连接件可以为衬套，所述衬套设置于混凝土输送管的一端，所述衬套是由两个相同的耳状双孔钢板焊接而成。

根据本发明的另一个方面，提供一种利用上述装置进行的提高混凝土喷射质量的施工方法，包括以下步骤：

第一步，确定混凝土喷射参数，包括：最佳喷射距离d，混凝土泵送压力P和单次喷射厚度s；

(1)通过现场试验确定最佳喷射距离d。

优选地，所述现场试验如下：向竖直布置的1m×1m木板垂直喷射混凝土，喷射压力0.3MPa，在混凝土飞溅区下部铺设回收板，调节喷射距离，分别收集十分钟内回弹的混凝土，比较不同喷射距离对应的混凝土回弹量，最小混凝土回弹量对应的距离为最佳喷射距离d。

(2)确定混凝土泵送压力P。具体的：

(a)确定最佳喷射速度v₀和沿程阻力损失ΔP。

所述最佳喷射速度v₀满足以下公式：

式中，α为经验系数，通常取82～92；d为喷射距离，m；ρ为混凝土密度，kg/m³；

所述沿程阻力损失ΔP满足以下公式：

式中，Q为混凝土排量，m³/h；D为混凝土输送软管直径，mm；l为混凝土输送软管长度，m；

(b)确定混凝土喷射压力P₁。根据最佳喷射速度v₀，确定混凝土喷射压力P₁；可按以下公式计算混凝土喷射压力P₁：

其中，ρ为混凝土密度，kg/m³；v₀为最佳喷射速度，m/s。

(c)确定混凝土泵送压力P。可按以下公式，确定混凝土泵送压力P：

P＝(ΔP+P₁)×1.10

式中，ΔP为沿程阻力损失，Pa；P₁为混凝土喷射压力，Pa；

(3)确定单次喷射厚度s。当喷射混凝土仅为砂浆时，边墙的单次喷射厚度为3～6cm，拱部的为2.5～4cm；当喷射混凝土的骨料直径不超过10mm时，单次喷射厚度s可按以下公式计算：

其中，d_max为混凝土颗粒最大直径，m；μ为颗粒的粒度分布系数。

第二步，确定空气喷射压力P₂。

空气喷射压力P₂满足以下公式：

其中，P₂为空气喷射压力，Pa；P为混凝土泵送压力，Pa。

第三步，确定速凝剂泵送压力。可按以下公式，确定速凝剂泵送压力P₃；

P₃＝167×q²×P

其中，P为混凝土泵送压力，Pa；q为速凝剂与混凝土重量配比。

第四步，单次喷射混凝土。启动混凝土泵、空气压缩机、计量泵，利用所述喷头装置对隧道墙壁进行混凝土单次喷射作业，具体的：

(1)划分喷射区域，确定喷射顺序。将作业面分为拱脚、边墙、拱腰和拱顶四个喷射分区，由上到下依次进行混凝土单次喷射作业；

(2)将喷头装置与喷射混凝土机械手连接，通过喷射混凝土机械手移动所述喷头，在一个分区内进行混凝土单次喷射作业。通过所述喷射混凝土机械手大臂调整喷头竖向移动，通过调整所述喷射混凝土机械手小臂伸长或收缩来控制喷头水平移动，保证喷射混凝土方向与受喷面垂直。在每次混凝土水平喷射作业时，保持所述喷射混凝土机械手大臂位置不变，保持所述喷头沿隧道纵向水平往复移动，所述喷射混凝土机械手小臂以v₁速度伸长或收缩；每完成一次水平喷射，抬高所述喷射混凝土机械手大臂，进行下一次水平喷射，循环往复直至完成分区混凝土单次喷射作业。

优选地，可按以下公式，确定所述喷射混凝土机械手小臂移动速度v₁:

v₁＝βQ

其中，v₁为所述喷射混凝土机械手小臂移动速度，m/s；β为经验常数，0.010～0.0142；Q为混凝土流量，m³/h；

(3)重复步骤第四步(2)，进行下一分区混凝土单次喷射作业，直至完成所有分区混凝土单次喷射作业。

第五步，完成所有分区混凝土单次喷射后，养护混凝土，等待混凝土初凝时间后，进行下一次混凝土喷射，重复第四步，直至达到设计要求。

优选地，所述混凝土初凝时间为从水泥加水到开始失去塑性的时间，根据现场试验测得，具体地：取配置好的喷射混凝土试样倒入混凝土贯入阻力试验仪容器，每隔1min测定贯入针贯入喷射混凝土试样的贯入阻力，并绘制时间与贯入阻力关系曲线图(横轴表示时间，纵轴表示贯入阻力)，曲线图中贯入阻力3.5MPa对应的时间即为混凝土初凝时间。

第六步，完成混凝土喷射后，依次关闭所述计量泵、所述空气压缩机，最后泵送清水清除管道内遗留的混凝土。

本发明的工作原理为：

未添加速凝剂的高压混凝土泵送至混凝土输送管；速凝剂通过速凝剂输送管和速凝剂管接头，泵送至混凝土输送管，速凝剂和高压混凝土混合均匀，形成喷射混凝土；喷射混凝土沿着混凝土输送管泵入喷头扩大部的第二层空腔即混凝土输送空腔，最后通过设在喷头帽上的混凝土孔及其导流管喷出；高压空气通过高压空气输送管和高压空气管接头进入喷头扩大部的第一层空腔即高压空气输送空腔，最后通过设在喷头帽上的空气孔喷出，在喷射混凝土外围形成高压空气帷幕，降低喷射混凝土在空气中的扩散。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过设置上述结构的高压空气输送空腔和混凝土输送空腔，空气孔位于混凝土孔的外围一周，在喷射出的混凝土外围形成空气帷幕，减小混凝土喷出后在空气中扩散的趋势，进一步减少喷射混凝土回弹，提高喷射混凝土施工质量。进一步的，在部分实施例中采取喷射高压空气和在混凝土喷孔外增加导流管措施，可以进一步提升上述效果。

本发明部分实施例中，通过衬套与外围的喷射混凝土机械手大小臂连接，并改点喷为面喷技术措施，有效减小施工工人在喷射混凝土时工作强度和工作难度，从而大幅度提高施工效率和施工质量，同时操作方便；

本发明部分实施例中，四根速凝剂输送管轴线与混凝土输送钢管轴线垂直，能保证速凝剂与混凝土混合均匀，并且可靠性高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一较优实施例中的喷头装置总成剖面图；

图2为本发明另一较优实施例中的喷头装置总成剖面图；

图3为本发明一较优实施例中的喷头装置的喷头帽示意图；

图4为本发明一较优实施例中的喷头装置工作原理示意图；

图中：1为衬套、2为速凝剂管接头、3为速凝剂输送管、4为混凝土输送钢管、5为混凝土输送软管、6为高压空气输送管接头、7为高压空气输送管、8为喷头扩大部、801为高压空气输送空腔、802为混凝土输送空腔、9为空气孔、10为混凝土孔、11为喷头帽、12为隧道墙壁、13为喷射混凝土机械手大小臂。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1所示，为本发明一优选实施例的喷头装置结构示意图，该实施例中的提高混凝土喷射质量的喷头装置，包括：喷头本体，所述喷头本体设有喷头扩大部8，在所述喷头扩大部8前端设有喷头帽11，所述喷头帽11上设有多个空气孔9和多个混凝土孔10，所述空气孔9位于所述混凝土孔10的外围，在喷头帽11上形成一个喷射面；所述喷头扩大部8具有两层不连通的空腔，其中：

第一层空腔为高压空气输送空腔801，所述高压空气输送空腔801与高压空气输送管连通以输入高压空气，该空腔端部与所述空气孔9连通用以喷射高压空气；

第二层空腔为混凝土输送空腔802，所述混凝土输送空腔与混凝土输送管连通以输入混凝土，该空腔端部与所述混凝土孔10连通用以喷射混凝土。

混凝土(或速凝剂与混凝土混合物)沿着混凝土输送管泵入喷头扩大部8的第二层空腔即混凝土输送空腔802，设在喷头帽11上的混凝土孔10；高压空气通过高压空气输送管和高压空气管接头进入喷头扩大部8的第一层空腔即高压空气输送空腔801，通过设在喷头帽11上的空气孔9喷出，在喷射混凝土外围形成高压空气帷幕，降低喷射混凝土在空气中的扩散。

本发明上述喷头装置通过设置上述结构的高压空气输送空腔和混凝土输送空腔，空气孔位于混凝土孔的外围一周，在喷射出的混凝土外围形成空气帷幕，减小混凝土喷出后在空气中扩散的趋势，进一步减少喷射混凝土回弹，提高喷射混凝土施工质量。

进一步的，如图2所示，作为一个优选实施方式，还包括速凝剂输送部件(速凝剂管接头、3为速凝剂输送管)；所述混凝土输送管可以是混凝土输送钢管4，也可以是混凝土输送钢管4进一步连接混凝土输送软管5，混凝土输送钢管4连接喷头扩大部8；混凝土输送钢管4上设有速凝剂输入口用以输入速凝剂，所述速凝剂和所述混凝土混合均匀，然后输入所述混凝土输送空腔802。

更优选地，所述速凝剂输入口通过一速凝剂管接头2连接速凝剂输送管3(在部分实施例中为混凝土输送软管)，所述速凝剂管接头2为四根圆管，四根圆管等角度均匀垂直焊接于所述混凝土输送钢管4外表面上，与所述混凝土输送钢管4贯通。

更优选地，所述混凝土输送管(混凝土输送钢管4)为一根直管，直管中部有四个速凝剂输入口，四个所述速凝剂输入口位于直管的同一圆截面且等间距分布；所述直管一端连接所述喷头扩大部8并与所述混凝土输送空腔802相通，另一端可以连接混凝土输送软管5。

更优选地，所述高压空气输送空腔801通过一高压气体管接头6连接高压空气输送管7，高压气体管接头6为一根圆管，该圆管一端连接高压空气输送管7，另一端焊接在所述喷头扩大部8上，与高压空气输送空腔801贯通。

未添加速凝剂的高压混凝土通过混凝土输送软管5泵送至混凝土输送钢管4；速凝剂通过四根速凝剂输送管3和速凝剂管接头2，泵送至混凝土输送钢管4，速凝剂和混凝土混合均匀，形成均匀喷射混凝土；喷射混凝土沿着混凝土输送钢管4泵入喷头扩大部8内空壳，最后通过混凝土孔10及其导流管喷出；高压空气通过高压空软管7和高压气体管接头6进入喷头扩大部8外空壳，最后通过空气孔9喷出，在喷射出的混凝土外围形成空气帷幕，减小混凝土在喷出后在空气中扩散的趋势。

进一步的，如图2、4所示，作为另一个优选实施方式，提高混凝土喷射质量的喷头装置，还包括用于与外围设备连接的部件，比如衬套1，可以用于与机械移动手连接。所述衬套1焊接于混凝土输送钢管4的一端；所述混凝土输送钢管4焊接于喷头扩大部8小头端及连接混凝土输送软管5；所述速凝剂管接头2焊接于混凝土输送钢管4中部；所述喷头扩大部8小头端焊接于混凝土输送钢管4尾部，其大头端连接喷头帽11；所述喷头帽11焊接于喷头扩大部8大头端。

在本发明部分实施例中，所述衬套1由两个相同的耳状双孔钢板焊接而成，并且两耳状钢板平行，在一实施例中：两耳状钢板垂直距离400mm，衬套1可以采用Q235钢。

在本发明部分实施例中，所述速凝剂管接头2为四根圆钢管，其长度为200mm，直径为8mm，等角度均匀垂直焊接于所述混凝土输送钢管4外表面上，与所述混凝土输送钢管4贯通；在一实施例中：所述速凝剂管接头2可以采用Q235钢，其直径为8mm，壁厚2.75mm。

在本发明部分实施例中，所述速凝剂输送管3为四根橡胶软管，通过速凝剂管接头，泵送速凝剂至混凝土输送钢管，与混凝土混合，直径等于速凝剂钢管直径；在一实施例中：所述速凝剂输软管3采用橡胶软管，直径为8mm。

在本发明部分实施例中，所述混凝土输送钢管4为一根直钢管，其长度为1.6m，直径为65mm，钢管中部有四个直径为8mm的圆孔，四个圆孔于同一圆截面且等间距分布；在一实施例中：所述混凝土输送钢管4采用Q235钢，其外径为65mm，壁厚3.75mm。

在本发明部分实施例中，所述混凝土输送软管5为一根橡胶软管，泵送混凝土至混凝土输送钢管，管道内层铺设钢丝，直径等于混凝土输送钢管直径；在一实施例中：所述混凝土输送软管5采用橡胶软管，直径为65mm。

在本发明部分实施例中，所述高压空气输送管接头6为一根圆钢管，长度为160mm，直径为6mm，一端连接高压空气输送管7，另一端焊接在所述喷头扩大部8上，并与所述喷头扩大部8外空壳贯通；在一实施例中：所述高压空气输送管接头6采用Q235钢，其外径为6mm，壁厚2mm。

在本发明部分实施例中，所述高压空气输送管7为一根橡胶软管，泵送高压空气，直径等于高压气体管接头6直径；在一实施例中：所述高压空气输送管7采用橡胶软管，直径为6mm。

在本发明部分实施例中，所述喷头扩大部8为一个外形以圆弧形式延展的双空心半椭球体，其小头端直径等于混凝土输送钢管4直径，其大头端断面和喷头帽11相同；喷头扩大头8内部有两个封闭空壳，形成所述的两层不连通的空腔；高压空气通过外空壳即高压空气输送空腔801喷出，高压混凝土通过内空壳即混凝土输送空腔801喷出；在一实施例中：所述喷头扩大部8采用Q235钢，其小头端外径为65mm，壁厚均为3.75mm。

如图3所示，在本发明部分实施例中，所述喷头帽11为一个内外圈不同孔径的椭圆钢板，其外圈空气孔9喷射高压空气；内圈混凝土孔10喷射混凝土，并且延伸一段作为导流管；在一实施例中：所述喷头帽11采用Q235钢，长轴长180mm，短轴长110mm，导流管延伸长度可以是20mm。

基于上述的喷头装置，提供一种提高混凝土喷射质量的施工方法，在一实施例中，施工中所用喷射混凝土重量配比为水：水泥：粉煤灰：矿粉：砂＝250：520：50：50：869，速凝剂与喷射混凝土重量配比为0.04。

所述施工方法包括以下步骤：

第一步，确定混凝土喷射参数。所述混凝土喷射参数为最佳喷射距离d，混凝土泵送压力P和单次喷射厚度s。

(1)通过现场试验确定最佳喷射距离d。

在本发明部分实施例中，所述现场试验如下：向竖直布置的1m×1m木板垂直喷射混凝土，喷射压力0.3MPa，在混凝土飞溅区下部铺设回收板，调节喷射距离，分别收集十分钟内回弹的混凝土，通过比较不同喷射距离对应的混凝土回弹量，确定最小混凝土回弹量对应的距离为1.0m，即最佳喷射距离d＝1.0m。

(2)确定混凝土泵送压力P。具体的：

(a)确定最佳喷射速度v₀和沿程阻力损失ΔP。

在本发明部分实施例中，经验系数α取82，最佳喷射距离d为1.0m，混凝土密度ρ为2400kg/m³，根据公式计算最佳喷射速度v₀为：

在本发明部分实施例中，混凝土排量Q为45m³/h；混凝土输送软管直径D为65mm；混凝土输送软管长度l为18m；根据公式计算沿程阻力损失ΔP为

(b)确定混凝土喷射压力P₁。

在本发明部分实施例中，混凝土密度ρ为2400kg/m³，最佳喷射速度v₀为17.3m/s，根据公式计算混凝土喷射压力P₁为

(c)确定混凝土泵送压力P。

在本发明部分实施例中，沿程阻力损失ΔP为57000Pa；混凝土喷射压力P₁为327kPa；根据公式P＝(ΔP+P₁)×1.20计算得混凝土泵送压力P为P＝(ΔP+P₁)×1.10＝(57000+359148)×1.10＝457763Pa＝0.46MPa。

(3)确定单次喷射厚度s。

在本发明部分实施例中，喷射混凝土骨料直径为0.01m，颗粒的粒度分布系数μ为0.6，根据公式计算得单次喷射厚度s为

第二步，确定空气喷射压力P₂。

在本发明部分实施例中，混凝土泵送压力P为457763Pa。根据公式计算得空气喷射压力P₂为

第三步确定速凝剂泵送压力P₃。

在本发明部分实施例中，混凝土泵送压力P为457763Pa；速凝剂与混凝土重量配比q为0.04。根据公式P₃＝667×q²×P计算得速凝剂泵送压力为P₃＝167×q²×P＝167×0.04²×457763＝122314Pa＝0.12MPa。

第四步，单次喷射混凝土。将喷头装置与混凝土泵、空气压缩机、计量泵连接，启动混凝土泵、空气压缩机、计量泵，利用所述喷头对隧道墙壁进行混凝土单次喷射作业，具体的：

(1)划分喷射区域，确定喷射顺序。将作业面分为拱脚、边墙、拱腰和拱顶四个喷射分区，由上到下依次进行混凝土单次喷射作业；

(2)将喷头装置连接喷射混凝土机械手13(如图4所示)，通过喷射混凝土机械手13移动所述喷头，在一个分区内进行混凝土单次喷射作业。通过所述喷射混凝土机械手大臂13调整喷头竖向移动，通过调整所述喷射混凝土机械手小臂13伸长或收缩来控制喷头水平移动，保证喷射混凝土方向与受喷面垂直。在每次混凝土水平喷射作业时，保持所述喷射混凝土机械手大臂13位置不变，保持所述喷头沿隧道纵向水平往复移动，所述喷射混凝土机械手小臂13以v₁速度伸长或收缩；每完成一次水平喷射，抬高所述喷射混凝土机械手13大臂一定距离，比如25cm，进行下一次水平喷射，循环往复直至完成分区混凝土单次喷射作业。在本发明部分实施例中，经验常数取0.01，混凝土流量Q为45m³/h，根据公式计算v₁＝βQ得所述喷射混凝土机械手小臂13移动速度v₁为v₁＝βQ＝0.01×45＝0.45m/s

(3)重复步骤第四步(2)，进行下一分区混凝土单次喷射作业，直至完成所有分区混凝土单次喷射作业。

第五步，完成所有分区混凝土单次喷射后，养护混凝土，根据现场试验测得混凝土初凝时间为3min，等待混凝土初凝后，进行下一次混凝土喷射，重复第四步，直至达到设计要求。

第六步，完成混凝土喷射后，依次关闭所述计量泵、所述空气压缩机，最后泵送清水清除管道内遗留的混凝土。

综上可见，本发明的装置和工作原理清晰、操作方便、可靠性高，通过连接件(比如衬套)与外围的喷射混凝土机械手大小臂连接进行施工，改点喷为面喷、喷射高压空气和在混凝土喷孔外增加导流管技术措施，能有效减少混凝土喷射回弹和提高喷射混凝土质量，从而大幅度提高施工质量。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (8)

1.一种提高混凝土喷射质量的喷头装置，包括：喷头本体，所述喷头本体设有喷头扩大部，在所述喷头扩大部前端设有喷头帽，其特征在于：所述喷头帽上设有多个空气孔和多个混凝土孔，且所述空气孔位于所述混凝土孔的外围，在喷头帽上形成一个喷射面；所述喷头扩大部具有两层不连通的空腔，其中：

第一层空腔为高压空气输送空腔，所述高压空气输送空腔与高压空气输送管连通以输入高压空气，该空腔端部与所述空气孔连通用以喷射高压空气；

第二层空腔为混凝土输送空腔，所述混凝土输送空腔与混凝土输送管连通以输入混凝土，该空腔端部与所述混凝土孔连通用以喷射混凝土；

所述喷头扩大部为一个外形以圆弧面形式延展的双空心半椭球体，喷头扩大部设置内外两个封闭壳，形成所述的两层不连通的空腔；所述双空心半椭球体，其小头端外径等于混凝土输送管内径并与混凝土输送管连接，大头端最大处的直径等于喷头帽直径并与喷头帽连接；

所述喷头帽为一个内外圈具有不同孔径的椭圆形钢板，外圈小孔为空气孔用于喷射高压空气流体；内圈大孔为混凝土孔用于喷射高压混凝土流体，并且混凝土孔延伸出一段导流管。

2.根据权利要求1所述的提高混凝土喷射质量的喷头装置，其特征在于：所述混凝土输送管上设有速凝剂输入口用以输入速凝剂，所述速凝剂和所述混凝土混合均匀，然后输入所述混凝土输送空腔。

3.根据权利要求2所述的提高混凝土喷射质量的喷头装置，其特征在于：所述速凝剂输入口通过一速凝剂管接头连接速凝剂输送管，所述速凝剂管接头为多根圆管，多根圆管等角度均匀垂直焊接于所述混凝土输送管外表面上，与所述混凝土输送管贯通。

4.根据权利要求2所述的提高混凝土喷射质量的喷头装置，其特征在于：所述混凝土输送管为一直管，直管中部有多个速凝剂输入口，多个所述速凝剂输入口位于直管的同一圆截面且等间距分布；所述直管一端连接所述喷头扩大部并与所述混凝土输送空腔相通。

5.根据权利要求1所述的提高混凝土喷射质量的喷头装置，其特征在于：所述高压空气输送空腔通过一高压气体管接头连接高压空气输送管，高压气体管接头为一根圆管，该圆管一端连接高压空气输送管，另一端焊接于所述喷头扩大部，与高压空气输送空腔贯通。

6.根据权利要求1-5任一项所述的提高混凝土喷射质量的喷头装置，其特征在于：所述喷头装置进一步设有连接件，用于工作时与外围的喷射混凝土机械手大小臂相连。

7.一种采用权利要求1-6任一项所述装置的提高混凝土喷射质量的施工方法，其特征在于：包括如下步骤：

第一步，确定混凝土喷射参数，包括：最佳喷射距离d，混凝土泵送压力P和单次喷射厚度s；

第二步，确定空气喷射压力P₂：

其中，P₂为空气喷射压力，Pa；P为混凝土泵送压力，Pa；

第三步确定速凝剂泵送压力P₃：

P₃＝167×q²×P

其中P为混凝土泵送压力，Pa；q为速凝剂与混凝土重量配比；

第四步，单次喷射混凝土：将喷头装置与混凝土泵、空气压缩机、计量泵连接，启动混凝土泵、空气压缩机、计量泵，利用所述喷头装置对隧道墙壁进行混凝土单次喷射作业；

(1)划分喷射区域，确定喷射顺序：将作业面分为拱脚、边墙、拱腰和拱顶四个喷射分区，由上到下依次进行混凝土单次喷射作业；

(2)将喷头装置与喷射混凝土机械手连接，通过所述喷射混凝土机械手移动所述喷头本体，在一个分区内进行混凝土单次喷射作业；通过所述喷射混凝土机械手的大臂调整喷头本体竖向移动，通过调整所述喷射混凝土机械手小臂伸长或收缩来控制喷头本体水平移动，保证喷射混凝土方向与受喷面垂直；在每次混凝土水平喷射作业时，保持所述喷射混凝土机械手大臂位置不变，保持所述喷头本体沿隧道纵向水平往复移动，所述喷射混凝土机械手小臂以v₁速度伸长或收缩；每完成一次水平喷射，抬高所述喷射混凝土机械手大臂，进行下一次水平喷射，循环往复直至完成分区混凝土单次喷射作业；

(3)重复步骤第四步(2)，进行下一分区混凝土单次喷射作业，直至完成所有分区混凝土单次喷射作业；

第五步，完成所有分区混凝土单次喷射后，养护混凝土，等待混凝土初凝时间后，进行下一次混凝土喷射，重复第四步，直至达到设计要求；

第六步，完成混凝土喷射后，依次关闭所述计量泵、所述空气压缩机，最后泵送清水清除输送管道内遗留的混凝土。

8.根据权利要求7所述的提高混凝土喷射质量的施工方法，其特征在于：按以下公式，确定所述喷射混凝土机械手小臂移动速度v₁：

v₁＝βQ

其中，v₁为所述喷射混凝土机械手小臂移动速度，m/s；β为经验常数，取值为0.010～0.0142；Q为混凝土流量，m³/h。