喷射超高性能混凝土的沉积特性与喷淋路径规划方法

《TUNNELLING AND UNDERGROUND SPACE TECHNOLOGY》：Deposition characteristics and spraying path planning method of sprayed ultra-high performance concrete

　　摘要：本研究探讨了在典型隧道位置喷涂超高性能混凝土时的沉积特性，并提出了一种基于沉积特性的喷涂路径参数选择方法。通过单点喷涂、连续路径喷涂以及考虑位置差异的喷涂试验，量化了沉积轮廓、最大单点喷涂厚度、回弹率及沉积速率等参数。随后基于厚度分布提出了超高性能混凝土的沉积理论模型。研究结果表明，在所测试的喷涂条件下，单点沉积范围呈近似圆形，可用地高斯分布来描述。连续路径喷涂的沉积厚度从中心向边缘逐渐减小，这可视为沿路径分布的多个单点沉积效应的叠加结果。在相同的喷涂参数下，拱顶的最大单点喷涂厚度为40.0毫米，拱肩为49.9毫米，拱腰为67.7毫米，侧墙则为91.0毫米，侧墙厚度比拱顶厚51.0毫米。拱顶与侧墙的体积沉积速率分别为1.21×10??立方米/秒和2.00×10??立方米/秒，两者差异最大。沉积厚度和沉积速率会随着拱角度的增加而减小，在测试范围内可用指数函数进行经验性描述。研究建立了包含拱角修正因子的校正沉积模型，并结合隧道相关参数提出了喷涂路径规划方法。以0.05米和0.10米的隧道加固厚度为案例进行研究，结果表明路径间距增大会导致喷射超高性能混凝土的表面平整度下降，第二次喷涂对初始沉积厚度的补偿作用也会减弱。在所测试的条件下，侧墙和拱腰的推荐路径间距为扩散半径的1.2至1.5倍，而拱肩和拱顶的路径间距应小于半径的1.2倍。该框架为超高性能混凝土的路径规划提供了依据，但对于不同的混合料、设备或现场条件还需进行重新校准。

引言：截至2024年底，中国公路隧道和铁路隧道的总长度分别达到32,000公里和21,000公里（Gong等人，2025年）。人工智能、图像识别以及5G通信技术的应用有望推动隧道施工的智能化、省力化及无人化发展（Cheng等人，2025年；Li等人，2024年；Luo等人，2025年）。在隧道加固领域，许多现有大型隧道已进入因使用而逐渐恶化的阶段。由于隧道环境、使用寿命以及材料老化等因素，衬砌开裂、净空侵入和水渗漏等问题日益突出（Chen等人，2026a年；Gao等人，2025年；Su等人，2025年）。因此，选择高性能的喷射材料并采用高效的施工方法是隧道加固领域的关键研究课题。超高性能混凝土是一种以水泥为基础的复合材料，通过根据最大密度理论对水泥、硅灰、粉煤灰、细骨料和钢纤维等材料进行合理配比而制成。由于其优异的力学性能、耐久性和抗渗性，已被广泛用于桥梁和建筑物等结构中（Li等人，2025年；Hu等人，2026年；Shao等人，2017年；Shao等人，2021年；Chen等人，2014年）。湿喷混凝土是一种有效的施工方法，它利用湿式喷射设备或人工操作将混凝土混合物快速喷射到需要加固的表面，使其能够粘附并迅速硬化，从而形成致密的混凝土加固层（Zhang等人，2016年；Ono，1996年）。将超高性能混凝土与湿喷技术相结合，有助于解决隧道加固过程中存在的耐久性不足和施工周期过长的问题。使用超高性能混凝土对现有结构进行加固，不仅能提升结构的自承能力并减轻设计重量，还能显著提高施工效率（Cui等人，2022a年；Chen等人，2023年）。然而，目前关于超高性能混凝土的研究主要集中在材料层面，涉及其力学性能、耐久性（Cui等人，2022b年；Al-Ameen等人，2023年）以及超高性能混凝土加固层与原有混凝土基体之间的粘结性能（Chen等人，2026b年）等方面。针对超高性能混凝土的沉积特性开展研究的文献相对较少。已有研究探讨了不同施工参数如喷射空气压力、喷射距离和混合时间对最大单点喷涂厚度的影响（Hu等人，2025年）。混凝土材料的粘度也会影响其扩散范围，较高的粘度会降低扩散范围，从而为喷射施工中的材料配比提供参考（Wang等人，2024年；Yun等人，2022年）。沉积轮廓（质量分布）是湿喷混凝土最重要的特性之一。已有研究通过传统混凝土的现场试验来探究喷射和粘附过程中的质量分布情况（Ning等人，2024年；Ginouse和Jolin，2015年；Chen等人，2022年），发现沉积轮廓通常呈圆锥形，从中心逐渐向边缘扩散。作为湿喷混凝土沉积特性的数学表征，沉积模型对后续的喷涂参数优化和质量控制具有重要作用。现有的沉积模型大致可分为两类（Ginouse等人，2014年；Guo，2022年）：一类是以柯西分布和高斯分布为代表的无限范围模型，另一类则是以β分布为代表的有限范围模型。这两种模型的区别在于喷嘴与喷射表面之间的距离是否会影响混凝土的粘附效果。与传统湿喷混凝土相比，超高性能混凝土具有更密集的颗粒骨架、更高的粘结剂含量、更低的水灰比、更高的粘度以及分散的钢纤维（Cui等人，2022b年）。这些特性虽能提升混凝土的凝聚力和厚度保持能力，但也会影响其喷射扩散、回弹现象、泵送性能以及喷射后的局部流动行为（Chen等人，2026c年）。钢纤维还可能改变喷射材料与喷射表面之间的相互作用，进而增加工艺对喷嘴几何形状和空气压力的敏感度。因此，有必要对超高性能混凝土材料的沉积特性开展相关的实验和理论研究。在湿喷混凝土路径规划的研究中，施工参数的选择至关重要（Hu等人，2018年；Yu，2024年；Huang等人，2018年）。这些参数大致可分为两类（Liu等人，2025年）：一类是喷射参数，如喷射距离、喷射空气压力和喷射角度；另一类则是与机械运动学相关的喷嘴速度和移动参数。由于隧道工程的特殊限制，这些参数主要依赖于施工规范以及操作人员的主观经验，目前还没有定量的求解方法。随着人工智能算法的广泛应用（Huang，2023年；Huang，2024年），一些研究开始结合遗传算法、插值方法以及隧道点云数据来生成离散的轨迹点。综上所述，目前关于湿喷混凝土沉积特性的研究主要集中于传统混凝土，因此针对超高性能混凝土的沉积轮廓、最大单点喷涂厚度及沉积速率等方面的研究仍然较为有限。此外，不同隧道位置对超高性能混凝土沉积特性的影响也有待进一步探索，而这又涉及到后续施工过程中路径规划参数的选择问题。同时，关于超高性能混凝土喷涂参数的选择与优化以及喷涂路径规划的的理论研究也相对较少，基于超高性能混凝土特性的一种喷涂参数选择方法仍有待完善，未来还有大量的研究工作需要开展。本研究的主要创新点不在于高斯函数形式本身，而在于对超高性能混凝土沉积特性的描述，以及依据这种沉积特性并结合隧道位置差异来选择参数的方法。与以往主要研究传统湿喷混凝土或仅关注轨迹生成而不进行与材料特性相关的沉积校正的研究不同，本研究量化了在典型隧道位置上超高性能混凝土的沉积轮廓、最大单点喷涂厚度、回弹行为以及体积沉积速率。这些通过实验确定的特性被纳入路径间距和喷嘴速度的计算公式中，为不同位置的超高性能混凝土隧道加固提供了参数选择方法。因此，本研究的具体目标为：（1）描述超高性能混凝土的单点沉积轮廓及连续路径喷涂行为；（2）量化以拱角度表示的隧道位置对最大单点喷涂厚度、回弹率、粘结体积及沉积速率的影响；（3）建立包含拱角修正因子的超高性能混凝土校正沉积模型；（4）开发一种用于隧道加固的路径规划参数选择方法，确定相应的路径间距和喷嘴速度。这是一个具有前瞻性的研究课题，有望为未来超高性能混凝土的智能喷射施工提供理论支持，实现高效、便捷且质量有保障的施工目标。

材料部分：超高性能混凝土材料由湖南中路华城桥业有限公司提供。这些材料的主要成分包括P·II 52.5型波特兰水泥、硅灰、粉煤灰、石英粉、加速剂、三种不同粒径范围的石英砂、超塑化剂以及钢纤维，如图1所示。各材料的配比情况见表1。其中所使用的钢纤维为短直型，长度为10毫米，这种结构可避免钢纤维堵塞喷嘴。

单点喷涂沉积轮廓：图9a展示了超高性能混凝土在侧墙表面进行单点喷涂时的质量分布情况。测量得到的水平和垂直方向上的最大扩散范围分别为dx = 0.212米和dy = 0.204米，表明其扩散范围近似呈圆形。需要注意的是，最大扩散范围并不包括边缘处的零星物质分布（见图9a）。不同位置的沉积厚度测试结果如图9b所示，相关数据整理在表2中。

单点沉积模型：第3.1节重点研究了超高性能混凝土单点喷涂试验的沉积特征。单点喷涂和沉积的动态过程为沉积模型的建立提供了依据（见图16）。单点沉积速率模型既要反映超高性能混凝土的沉积特性，又要符合实际观测到的厚度分布规律。根据公式（4），体积沉积速率表示单位时间内平均沉积的体积量。

案例研究：隧道中的路径规划与参数选择：本节以某隧道在不同位置进行超高性能混凝土喷涂参数选择的实例进行分析。首先，该隧道的基本几何结构如图22所示，三个同心圆的半径分别为5.8米、17.5米和1.0米。这座隧道已经使用了20多年，出现了衬砌开裂和水渗漏等问题，因此需要分别采用0.05米和0.10米的加固厚度对其进行了加固。在实际施工过程中……

结论：本研究通过单点喷涂和路径喷涂试验，分析了超高性能混凝土的沉积特性，旨在明确不同位置对超高性能混凝土最大单点喷涂厚度和沉积速率的影响，以及沉积轮廓的分布规律。基于实验研究，提出了超高性能混凝土的沉积模型和喷涂路径规划方法，同时还研究了隧道加固场景下的喷涂参数选择问题。

未来工作：目前的沉积模型是基于一种超高性能混凝土混合料、一种喷涂设备配置以及恒定的喷射距离和空气压力进行校准的。对于不同喷射距离和空气压力条件下超高性能混凝土的沉积特性，还需要进一步研究。虽然坍落度、力学性能和沉积特性能够为所测试的超高性能混凝土混合料的喷射性能提供实用信息，但这些指标无法完全反映材料的流变行为。未来的研究将……

作者贡献说明：Huai-Na Wu：负责研究指导、资金申请以及概念构思；Jia Wen：负责文章的修改润色、初稿撰写、正式分析以及数据整理工作；Tao Chen：负责数据可视化、方法设计以及数据整理工作；Man Yu：负责资源协调以及方法研究工作。陈仁鹏：监督、项目管理。利益冲突声明作者声明不存在任何可能影响本文所述工作的已知财务利益或个人关系。致谢本研究得到了中国国家重点研发计划（项目编号2023YFB2604400）和湖南省科技创新计划（项目编号2025RC1032）的支持，对此我们表示衷心的感谢。吴怀娜|文佳|陈涛|余曼|陈仁鹏