Торкретирование в тоннелестроении: оборудование для мокрой смеси

1. Эволюция крепления горных выработок: мокрое торкретирование

В современном подземном строительстве, особенно при использовании Новоавстрийского метода проходки тоннелей (NATM) и буровзрывных работ, быстрое укрепление грунта является абсолютно критическим путем. Геологическое напряжение, высвобождаемое при выемке грунта, должно быть немедленно локализовано для предотвращения вывалов породы и обрушения тоннеля. Это сдерживание достигается за счет нанесения набрызг-бетона, повсеместно называемого торкрет-бетоном. За последние два десятилетия мировая индустрия тоннелестроения решительно перешла от сухого торкретирования — когда сухой цемент и заполнитель подаются сжатым воздухом и смешиваются с водой на сопле — к мокрому торкретированию. Процесс мокрого торкретирования включает в себя перекачивание полностью дозированной, гомогенизированной бетонной смеси по трубопроводу и впрыскивание сжатого воздуха и химических ускорителей исключительно на выпускном сопле.

Мокрый торкрет-бетон обеспечивает значительно более высокую структурную целостность, более строгий контроль водоцементного отношения и кардинально более высокую производительность укладки (до 30 кубических метров в час по сравнению с 5-10 для сухой смеси). Кроме того, это радикально снижает количество переносимой по воздуху пыли, что является жизненно важным требованием охраны труда и техники безопасности в замкнутых подземных забоях. Однако механические требования к перекачиванию плотной высоковязкой мокрой смеси через узкие подающие линии с высоким коэффициентом трения создают экстремальную эксплуатационную нагрузку на бетононасосное оборудование. Выбор правильной архитектуры насоса определяет не только скорость проходки тоннеля, но и структурную безопасность применяемой крепи.

2. Реология и перекачиваемость тоннельного торкрет-бетона

Тоннельный торкрет-бетон — это не стандартный товарный бетон. Реология состава мокрой смеси спроектирована для достижения двух противоречивых целей: она должна оставаться текучей и перекачиваемой на большие горизонтальные расстояния, и в то же время она должна мгновенно затвердевать при ударе о поверхность породы, прилипая к вертикальным стенам и потолочным сводам без сползания. Это требует высокого содержания цемента (часто более 400 кг/м³), низкого водоцементного отношения (обычно 0,40–0,45) и интенсивного использования суперпластификаторов для сохранения осадки конуса.

Гранулометрический состав заполнителя строго контролируется, как правило, максимальный размер ограничен 8–16 мм. Отсутствие крупного заполнителя увеличивает общую площадь поверхности смеси, требуя большего количества цементного теста для смазки. Полученный материал является очень связным, липким и устойчивым к течению. Когда этот материал проталкивается через подающую линию диаметром от 65 до 80 мм, возникают огромные силы трения сдвига. Поэтому насосное оборудование должно обладать гидравлическими возможностями высокого давления, специально разработанными для работы с высоковязкими конструкционными смесями с мелким заполнителем без остановок или преждевременного износа подающих цилиндров.

3. Архитектура перекачивания: стационарные и мобильные решения

Развертывание оборудования при проходке тоннелей диктуется методом выемки грунта, площадью поперечного сечения тоннеля и логистической доступностью. Основной рабочей лошадкой для глубокого и непрерывного продавливания под землей является стационарный бетононасос высокого давления. Расположенные на портале тоннеля или в специальной подземной камере дозирования, эти установки проталкивают мокрую смесь по горизонтали через стационарные стальные трубопроводы на расстояния, которые могут превышать 1000 метров. Для таких экстремальных расстояний стационарные насосы класса давления от 18 до 25 МПа обязательны. Они обеспечивают постоянную гидравлическую силу, необходимую для преодоления огромного трения липкой торкрет-смеси на длинной линии подачи.

И наоборот, для быстрого вмешательства, неглубоких тоннелей, поперечных проходов или операций с использованием высокомобильных роботизированных манипуляторов распыления подрядчики развертывают линейный автобетононасос. Эти компактные установки сочетают в себе прочное насосное ядро стационарного насоса с мобильностью шасси коммерческого грузовика. Они перемещаются с малыми радиусами поворота в подходных штольнях и могут быстро перебазироваться по мере продвижения забоя тоннеля. Линейный автобетононасос позволяет автобетоносмесителям разгружаться прямо в его бункер вблизи активного забоя, что значительно сокращает требуемую длину напорного подающего шланга и тем самым сводит к минимуму потери давления на трение и риск закупорки.

4. Критичность смягчения пульсации в набрызг-бетоне

При обычном структурном бетонировании плоских поверхностей легкая пульсация, вызываемая переключением S-образного шибера бетононасоса, в значительной степени не имеет последствий. При мокром торкретировании пульсация является критическим дефектом. В тот самый момент, когда S-образный шибер переключается на альтернативные подающие цилиндры, поток бетона на мгновение приостанавливается. Однако сжатый воздух и жидкий ускоритель, впрыскиваемые через сопло, продолжают поступать с постоянной скоростью.

Это механическое несоответствие приводит к серьезному динамическому изъяну: сопло попеременно выбрасывает слишком ускоренные сухие порывы воздуха и внезапные высокоскоростные порции тяжелого неускоренного бетона. Эта пульсация создает опасные слабые места на своде тоннеля, поскольку неускоренные порции не могут прилипнуть и обрушиваются на рабочих внизу — явление, известное как вывал. Кроме того, это в геометрической прогрессии увеличивает процент «отскока» — доли бетона, которая отскакивает от поверхности породы и становится отходами на полу тоннеля.

Для борьбы с этим торкрет-насосы должны оснащаться усовершенствованным гидравлическим демпфированием, синхронизированной двухпоршневой экструзией или электронными схемами с обратной связью, разработанными для достижения почти непрерывного, безпульсационного потока материала. Чем более плавным является выдавливание из насоса, тем более равномерным является смешивание ускорителя на сопле, что приводит к получению однородной структурной оболочки с успешно контролируемым уровнем отскока ниже 10 процентов.

5. Синхронизированные системы дозирования ускорителя

Структурная трансформация мокрого торкрет-бетона происходит за миллисекунды на выпускном сопле, куда в поток бетона впрыскиваются жидкие безщелочные ускорители. Эти агрессивные химикаты заставляют цемент мгновенно схватываться, позволяя тяжелому мокрому бетону прилипать к потолочному своду тоннеля слоями толщиной до 150 мм без осыпания под действием силы тяжести.

Дозировка ускорителя очень чувствительна. Она должна поддерживаться на уровне точного процента от веса цемента (обычно от 4% до 8%). Поэтому химический дозирующий насос должен быть электронно сблокирован с гидравлической системой управления бетононасоса. Если оператор бетононасоса снижает частоту ходов для выполнения детального распыления вокруг стальной решетчатой арки, насос-дозатор ускорителя должен автоматически и мгновенно уменьшить свою производительность в соответствии с уменьшенным объемом бетона.

Передозировка ускорителя сжигает долгосрочное развитие прочности бетона, что приводит к хрупкой крепи, которая не выдержит долгосрочных структурных испытаний. Недодозировка приводит к немедленному осыпанию и опасным обрушениям свода. Современное тоннельное оборудование использует системы ПЛК (программируемый логический контроллер) с обратной связью для поддержания этой точной объемной синхронизации независимо от колебаний давления в трубопроводе.

6. Архитектура трубопровода и предотвращение закупорки

Управление бетоноводом в замкнутом, активном забое тоннеля требует строгой дисциплины. Высокое содержание цемента и быстрая потеря осадки конуса, присущие торкрет-смесям, делают систему крайне восприимчивой к закупоркам. Трубопроводы должны быть изготовлены из сверхпрочной стали индукционной закалки с использованием абсолютного минимума изгибов или колен для снижения трения.

В точке соединения жесткого стального трубопровода и роботизированного манипулятора распыления используются гибкие резиновые концевые шланги высокого давления. Эти шланги необходимо осматривать ежедневно; абразивная природа дробленого заполнителя диаметром 8 мм быстро разрушает внутреннюю резиновую футеровку. Операторы должны установить строгие протоколы продувки трубопровода сжатым воздухом и пропитанными водой губчатыми шарами сразу после завершения цикла распыления. Оставление высоковязкой торкрет-смеси без движения в трубопроводе более чем на 30 минут в теплых подземных условиях гарантирует катастрофическую закупорку, которая остановит всю проходку тоннеля.

7. Часто задаваемые вопросы

В1: Почему тоннельная индустрия перешла от сухого к мокрому торкретированию?
О: Мокрое торкретирование обеспечивает значительно более высокую производительность, гораздо меньше отходов отскока, более строгий контроль водоцементного отношения для гарантированной структурной прочности и кардинально снижает выброс опасной пыли в замкнутых подземных условиях по сравнению с сухим методом.

В2: Почему пульсация бетононасоса опасна при торкретировании?
О: Пульсация вызывает неравномерный поток бетона на сопле, в то время как поток сжатого воздуха и ускорителя остается постоянным. Это несоответствие создает слои переускоренного слабого бетона и тяжелые неускоренные порции, которые не прилипают к поверхности породы, вызывая опасные вывалы породы сверху и большие отходы отскока.

В3: Когда в тоннеле следует использовать стационарный насос вместо линейного?
О: Стационарный насос используется, когда логистика не позволяет автобетоносмесителям въехать в тоннель. Он размещается на портале для подачи бетона на очень большие горизонтальные расстояния. Линейный автобетононасос используется, когда миксеры могут подъехать к забою, обеспечивая высокую мобильность для быстрой передислокации между короткими циклами выемки грунта.

В4: Как размер заполнителя влияет на перекачивание торкрет-бетона?
О: Мокрый торкрет-бетон ограничивает размер заполнителя максимум 8–16 мм для обеспечения скорости на сопле и минимизации отскока. Отсутствие крупного заполнителя делает смесь очень липкой и связной, что требует гидравлических насосов высокого давления, способных преодолевать сильное трение в трубопроводе.

В5: Что произойдет, если химический ускоритель не будет синхронизирован с подачей бетона?
О: Если дозирование не синхронизировано, бетон будет либо недодозирован, из-за чего он немедленно упадет с потолка (осыпание), либо передозирован, что мгновенно разрушит предельную 28-дневную прочность бетона на сжатие, сделав крепь тоннеля структурно неполноценной.

В6: Как очищается трубопровод для торкретирования под землей?
О: Трубопровод необходимо продувать сразу после окончания цикла распыления. Операторы используют воду под высоким давлением или сжатый воздух, чтобы протолкнуть сильно сжимаемый губчатый шар через всю длину подающей линии, очищая внутренние стальные стенки от липкого цементного теста до того, как оно затвердеет.

8. Инженерная поддержка оборудования для тоннельного бетонирования

Подземная выемка грунта требует специализированных решений для перекачивания бетона, разработанных для экструзии под высоким давлением, потока без пульсаций и точной синхронизации ускорителя. Стандартные коммерческие насосы для плоских поверхностей не могут выдержать изнурительных физических нагрузок мокрого торкрет-бетона в замкнутых забоях. Truemax поставляет сверхпрочные стационарные насосы высокого давления и высокомобильные линейные автобетононасосы, разработанные специально для мировых горнодобывающих и тоннельных подрядчиков. Чтобы обеспечить максимальную скорость проходки при операциях крепления грунта с минимальным временем простоя, отправьте размеры вашего тоннеля, требуемые объемы производства и составы смесей нашей инженерной команде через страницу контактов для получения комплексного предложения по конфигурации оборудования.

TRUEMAX
Производитель оборудования для бетонных и строительных работ

Компания TRUEMAX основана в 2003 году. Мы проектируем, производим и поставляем бетононасосное оборудование, дробильные установки и строительные подъемные механизмы с собственного завода в Хайнине (Китай) на строительные площадки более чем 120 стран мира.