基于喷雾技术的3D打印隧道衬砌混凝土：全角度打印路径的优化

《CEMENT & CONCRETE COMPOSITES》：Spray-based 3D printed tunnel lining concrete: Optimization of full-angle printing path

　　余杭顺|刘雄飞|王丽|张雅蕾|马国伟 中国天津300401，河北工业大学土木与交通工程学院 摘要 隧道衬砌的智能化全角度施工在很大程度上取决于混凝土的抗下陷性能。本研究提出了一种全角度打印路径优化方法，该方法充分考虑了基于喷涂的3D打印混凝土的抗下陷特性。研究探讨了不同剂量（0-6%）的加速剂在30分钟内对新鲜混凝土与已成型混凝土之间界面粘结拉伸强度和剪切强度的影响。随后建立了分析模型，用于预测S-3D打印混凝土的抗下陷厚度。在该模型的指导下，设计并验证了用于全尺寸隧道模型（高度7.4米，宽度8.8米，弧长24米）的打印路径。研究结果表明，界面粘结强度呈线性增长，且其增长率与加速剂剂量呈正相关。此外，界面粘结剪切强度显著高于拉伸强度，这有助于在90°打印模式下实现比180°打印更好的抗下陷效果。全角度抗下陷厚度的分析为精确控制打印路径中的关键参数（打印区域、层厚、沉积顺序）提供了依据。打印区域被划分为12个区域，按顺序从第1区到第12区依次打印。采用此路径时，实时抗下陷稳定系数始终保持在1.0以上，与传统方法相比，施工效率提升了56.1%。最终，在60分钟内成功打印出了30厘米厚的衬砌结构，进一步证明了所提方法的有效性。引言 作为核心施工技术，喷射混凝土被广泛用于隧道和地下工程的支护系统中。从支护机制的角度来看，喷射混凝土能够紧密附着在围岩上，其灵活的支护特性有助于充分发挥岩体的自承能力[[1], [2], [3]]。此外，喷射混凝土还具有快速凝固、早期强度发展以及无需模板即可灵活成型等实用优势[[4], [5], [6]]。这些特性使其能够迅速封闭隧道壁面，填充凸起或凹陷区域，从而大幅降低传统模板系统所带来的劳动力与材料成本。随着中国隧道建设逐渐向深地、深海和高海拔等更具挑战性的环境延伸，高温、高海拔和高地应力等极端工作条件使得隧道衬砌施工面临越来越大的困难。这些困难包括灾害防控难度增加、施工风险提升以及运营复杂性加大。因此，喷射混凝土施工亟需从传统的人工操作向机械化转变，进而迈向智能化施工[7,8]。基于喷涂的3D打印混凝土技术代表了3D打印技术与喷射混凝土工艺的深度整合。通过数字化控制机械臂，该技术能够根据预定的打印路径进行智能施工，即逐层将混凝土沉积在打印平台上，从而形成三维结构[[9], [10], [11]]。在这一基础上，该技术相较于传统的挤出式3D打印方法具有明显优势[12,13]，比如能够实现多角度灵活沉积、构建无支撑的悬挑结构，以及同时打印钢筋和混凝土[[14], [15], [16], [17]]。它非常适合隧道衬砌的全角度施工需求，因为隧道衬砌通常具有近似圆形的几何形状。此外，其自动化的路径控制以及精细的制造特性，有效解决了传统衬砌施工中存在的诸多问题，如高度依赖人工、难以适应极端环境以及质量控制困难等问题[18]。早在2001年，程等人[19]就利用自动轮廓测量仪器对挖掘面进行测量，并通过仿真模型计算喷射混凝土的喷洒路径。这项工作最终促成了自动机器人的研发，标志着喷射混凝土技术向智能化发展迈出了重要一步。2017年，不伦瑞克大学的数字建筑制造实验室首次提出了S-3D打印技术的概念[7]。此后，世界各地的研究人员开始系统地研究S-3D打印混凝土的各个方面，包括其可打印性[[20], [21], [22], [23]]、材料优化[24,25]以及协同加固施工[26,27]。这些研究为S-3D打印技术向结构制造及多种应用场景的发展奠定了坚实基础。Kloft等人[28]基于S-3D打印技术与钢筋之间的协同工作原理，成功打印出了钢筋混凝土柱、墙和顶板结构。D?rrie等人[29]则将S-3D打印混凝土技术与线弧增材制造技术相结合，形成了钢筋混凝土结构的完全自动化施工流程，该技术已被成功应用于城市海岸防护结构的建造。为了探索S-3D打印混凝土技术在复杂施工现场连续施工的适用性，Jenny等人[30]将图像分析技术与喷射过程相结合，通过评估材料表面质量，实现了施工参数的实时控制，成功建造出了能够适应环境变化的混凝土墙。然而，尽管S-3D打印混凝土技术在多种场景下取得了阶段性成果，但关于其在隧道衬砌施工中应用的系统研究仍然相对较少[[31], [32], [33]]。针对当前施工技术中存在的诸多难题，推进该技术在隧道工程领域的应用具有重要意义。在隧道衬砌施工中，由于没有模板支撑，喷射混凝土不可避免地处于悬浮或部分悬浮状态。因此，如果混凝土不具备足够的抗下陷性能，就容易发生下陷或脱落现象，从而导致材料浪费和安全风险增加。随着“减筋”或“无筋”衬砌设计理念的日益普及，这一问题愈发重要[34,35]。当喷射混凝土失去钢筋网或钢拱的约束时，结构的稳定性就更加依赖于材料自身的抗下陷性能。抗下陷厚度是衡量混凝土抗下陷性能的关键指标。混凝土的抗下陷稳定性取决于抗下陷厚度的增长速度与实际混凝土沉积厚度的关系[36,37]。抗下陷厚度受多种相互作用的因素影响，包括材料配比、材料硬化速度以及喷射表面的状况[38,39]。当抗下陷厚度的增长速度超过实际混凝土沉积速度时，混凝土就有脱落的风险；反之，则可以稳定沉积。基于这一原理，实际工程中通常采用两种主要方法。第一种方法是加入加速剂成分，使混凝土快速固化[40,41]，从而加快新鲜混凝土与喷射表面之间的粘结强度发展速度，进而增加抗下陷厚度。然而，现有研究很少对不同剂量加速剂、不同衬砌位置以及不同时间条件下的抗下陷厚度进行精确的定量分析，这一不足增加了精确控制加速剂剂量的难度。剂量不足则难以有效增加厚度，而剂量过大则可能导致混凝土长期强度显著下降[41]。此外，大量使用某些含碱的加速剂还可能引发碱骨料反应，从而损害材料的耐久性[42]。第二种方法是设计分层或分段喷射的方案，并控制层与层之间的时间间隔，以此减缓混凝土的沉积速度，确保在喷射过程中结构不会下陷。与调整材料参数相比，这种方法更为直接，也更容易实施。目前的国家规范对隧道喷射混凝土系统有明确要求[43,44]：隧道弧长应每6米划分一个段落；当设计的喷射混凝土厚度超过70毫米时，建议采用分层喷射的方式，且上一层混凝土必须达到最终凝固时间后才能开始喷射下一层。同时，相关标准还对湿喷混凝土的单层厚度给出了指导：水平喷射时厚度应在80-150毫米之间，垂直喷射时则在60-100毫米之间。然而，这种喷射方案的制定在很大程度上依赖于工程经验，往往较为保守，其通用性仍有待进一步提高。除此之外，还存在以下挑战：首先，尽管大型湿喷设备已逐渐取代传统的手动手持喷射设备，但其机械臂仍需要人工操作或远程控制，因此很难在现场达到规范要求的精度。其次，频繁的暂停和中断会严重破坏施工的连续性，导致整体效率大幅下降。此外，喷射混凝土要求新鲜浆体具有较高的可操作性，过长的闲置时间会降低其流变性能和流动性，进而影响新鲜混凝土的打印质量和施工性能[45,46]。而且，过长的层间时间间隔还会加剧层与层之间“冷缝”的形成[47,48]，降低结构的紧密度和力学连续性，进而影响其长期耐久性和承载能力。S-3D打印混凝土技术与传统喷射混凝土的一个根本区别在于控制策略：从传统的人工操作转变为数字化控制的打印路径。因此，通过设计合理的全角度悬挑打印路径，就可以实现对打印区域和层厚的精确控制。这种方法不仅能确保结构的稳定成型，还能避免上述施工不连续和结构薄弱的问题。总之，在全角度S-3D打印路径的设计中存在以下关键挑战。首先，关于3D打印路径设计的研究主要集中在垂直喷射方面（即沿着重力方向沉积）[49,50]，其主要目的是提高打印轮廓的精度并优化结构的力学性能[51,52]，而针对存在下陷条件的混凝土打印路径的研究则相对较少。其次，目前缺乏关于不同剂量加速剂、不同时间条件以及不同空间状态下混凝土抗下陷厚度的精确定量分析，这就为全角度打印路径的设计缺乏合理的依据。解决这些挑战对于拓展S-3D打印技术在隧道工程领域的应用，以及推动隧道衬砌的高稳定性、高质量和智能化施工具有十分重要的意义。本研究提出了一种用于隧道衬砌全角度S-3D打印路径的全面设计和分析方法。该方法的核心在于建立新鲜混凝土与已成型混凝土之间界面粘结强度与其抗下陷能力之间的关系，阐明了在不同加速剂剂量以及各种时空条件下混凝土抗下陷厚度的变化规律。所建立的抗下陷厚度理论分析模型可用于指导打印路径的设计，从而实现衬砌混凝土的智能化、稳定化高效施工。通过在高度7.4米、宽度8.8米、弧长24米的全尺寸隧道拱架上成功打印出30厘米厚的衬砌结构，验证了所提方法的可行性。这些研究成果为S-3D打印混凝土技术在隧道工程中的应用提供了理论基础和实践参考。章节片段 S-3D混凝土打印系统 如图1所示，S-3D打印系统包括实验室规模和工业规模两种类型。实验室规模的S-3D打印系统用于进行材料粘结试验和抗下陷性能测试，而工业规模系统则用于大规模隧道衬砌模型验证实验。实验室规模的S-3D打印系统由喷射系统和安装在履带式爬行机构上的六自由度机械臂组成。喷射单元 新鲜混凝土与已成型混凝土之间的界面粘结性能 图7(a–h)展示了在不同加速剂剂量和界面粘结时间内，界面粘结拉伸应力与剪切应力随位移的变化情况。图7(i, j)则呈现了界面粘结强度的变化特征。如图7(a–h)所示，在初始阶段，应力随位移呈线性增加，表明处于弹性变形状态。当拉伸应力或剪切应力超过极限强度时，会出现两种不同的失效模式。打印路径设计 确保混凝土的抗下陷稳定性是设计S-3D打印路径的首要前提。在逐层打印隧道衬砌结构的过程中，混凝土重力应力的增长速度必须低于新鲜混凝土与已成型混凝土之间界面粘结强度的发展速度。此外，打印路径的设计还应遵循以下原则。首先，应尽量减小层厚，以减少层与层之间的不连续性。结论：本研究提出了一种用于隧道衬砌全角度打印路径的集成设计与分析方法，该方法充分考虑了S-3D打印混凝土的抗下陷性能。通过对打印混凝土的稳定性及施工效率进行系统评估，并通过制作全尺寸衬砌模型进一步验证了该方法的有效性。主要结论如下：(1)在0到某个范围内，界面结合强度呈线性增长。作者贡献说明：孙玉航：方法论、研究工作。刘雄飞：初稿撰写、监督、方法论、研究工作、资金筹措。王丽：方法论、资金筹措、概念设计。张亚雷：研究工作、数据整理。马国伟：监督、方法论、资金筹措、概念设计。利益冲突声明：作者声明没有已知的可能影响本文所述工作的财务利益或个人关系。致谢：作者衷心感谢中国国家自然科学基金（编号52278252）、天津市自然科学基金（编号25JCZDJC00850）以及河北省高等教育科学研究项目（编号CXZX2025045）提供的资金支持。