盾構(gòu)同步注漿泵原理及應(yīng)用分析

陳良武，李 光，朱 英，詹晨菲

（中鐵工程裝備集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

在隧道施工中，隨著盾構(gòu)的不斷掘進(jìn)，由于盾尾的抽出管片與洞壁之間會(huì)出現(xiàn)空隙，如不及時(shí)填充可能發(fā)生地表沉降等問題[1]，因此需要對(duì)管片外側(cè)與洞壁之間的環(huán)形空間進(jìn)行注漿填充，用混凝土提供相應(yīng)壓力支持上方土體，確保管片襯砌的早期穩(wěn)定性和間隙的密封性，從而有效地解決盾構(gòu)掘進(jìn)過程中引起地面沉降和結(jié)構(gòu)漏水等問題，注漿原理如圖1所示。目前國內(nèi)盾構(gòu)使用的同步注漿泵全是國外進(jìn)口產(chǎn)品，采購周期較長(zhǎng)，而且現(xiàn)場(chǎng)使用出現(xiàn)問題時(shí)不能及時(shí)進(jìn)行維修或者更換零部件，影響施工進(jìn)度。本文以施維英同步注漿泵為例，對(duì)同步注漿泵的構(gòu)造及控制原理進(jìn)行分析，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)使用及維修經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)。

圖1 同步注漿原理

1 同步注漿泵主要參數(shù)分析

施工中需根據(jù)實(shí)際地質(zhì)條件決定注漿壓力、注漿量、注漿速度等參數(shù)，以對(duì)注漿泵進(jìn)行手動(dòng)控制或者自動(dòng)控制。自動(dòng)控制時(shí)由上位機(jī)設(shè)定最大及最小注入壓力，當(dāng)注漿壓力達(dá)到最大設(shè)定壓力時(shí)注漿泵將停止注漿，隨著盾構(gòu)的繼續(xù)掘進(jìn)，當(dāng)漿液流動(dòng)使注漿壓力小于最低注入壓力時(shí)注漿泵再次啟動(dòng)進(jìn)行注漿。

1.1 注漿壓力

注漿壓力是衡量漿液填充情況的重要參數(shù)之一，壓力過大可能損壞管片，過小又不易注入漿液，因此需綜合考慮地質(zhì)、管片強(qiáng)度、設(shè)備性能、漿液性質(zhì)、開挖倉壓力等情況確定出既能完全充填盾尾空隙又安全的最佳注漿壓力值。注漿泵出口壓力與注漿管末端盾尾間隙處地層壓力、漿液流經(jīng)管路的沿程壓力損失、流經(jīng)閥門和變徑管等的局部壓力損失有關(guān)[2]，可用下式計(jì)算

式中Pp——泵出口處壓力；

Pe——盾尾間隙處地層壓力；

ΔP1——管路的沿程壓力損失，

ΔP2——局部壓力損失，ΔP2=ξρv2/2。

λ——沿程阻力系數(shù)；

l——圓管的沿程長(zhǎng)度，m；

d——圓管內(nèi)徑，m；

v——管內(nèi)平均速度，m/s；

ρ——砂漿密度，kg/m3；

ξ——局部阻力系數(shù)。

注漿泵出口壓力值隨注漿管長(zhǎng)度的增加而增加，注漿泵在空間允許時(shí)應(yīng)盡可能放在接近盾尾處，減少壓力損失。采用同步注漿時(shí)注漿壓力應(yīng)保持在適當(dāng)范圍內(nèi)，不應(yīng)有大幅波動(dòng),并要求地層中的漿液壓力大于該點(diǎn)的靜止水壓及土壓力之和。在每條注漿管線靠近盾尾注入點(diǎn)處都安裝有土壓傳感器，實(shí)時(shí)反饋和控制注漿壓力，從而控制注漿量。

1.2 注漿量

理論上同步注漿量是填充切削土體與管片間隙所需的漿液量，并根據(jù)地質(zhì)、線路及掘進(jìn)方式等因素考慮適當(dāng)?shù)娘枬M系數(shù)，以達(dá)到填充密實(shí)。注漿量Q按下式計(jì)算

式中V——理論空隙量，m3；

α——注入率，實(shí)際注漿量根據(jù)地質(zhì)和施工損耗等情況選取相應(yīng)的注入率[3]，α=α1+α2+α3+α4;

α1——壓密系數(shù)；

α2——土質(zhì)系數(shù)；

α3——施工損耗系數(shù)；

α4——超挖系數(shù)。

每環(huán)理論注漿量

式中D1——開挖直徑，m；

D2——管片外徑，m；

L——管片長(zhǎng)度，m。

注漿量也可由注漿泵上脈沖計(jì)數(shù)器的顯示數(shù)據(jù)來推算，以注漿泵輸送缸的容積修正量及單位時(shí)間內(nèi)的泵送次數(shù)計(jì)算出單位時(shí)間的注漿量[4]

式中n——泵送次數(shù)；

vm——修正后的輸送缸容積，m3。

施工中達(dá)到設(shè)定的注漿量，也只能保證盾尾空隙理論上的填充飽滿，實(shí)際的填充情況則取決于注漿壓力。另外，注漿量也可根據(jù)注漿前后砂漿罐的容量之差來確定。

1.3 注漿速度

注漿速度應(yīng)與盾構(gòu)的掘進(jìn)速度相適應(yīng)，過快可能導(dǎo)致堵管，過慢則會(huì)導(dǎo)致地層的坍塌或使管片受力不均，產(chǎn)生偏壓。

式中Q——壁后注漿量；

T——每環(huán)推進(jìn)時(shí)間。

式中v——盾構(gòu)推進(jìn)速度。

由式5、式6得出

為滿足盾構(gòu)最大推進(jìn)速度 時(shí)的同步注漿要求，漿液注入速度必須滿足

2 同步注漿泵結(jié)構(gòu)

同步注漿泵為雙管活塞出料，通過提升閥控制進(jìn)、排漿口開閉，如圖2所示[5]。

圖2 同步注漿泵結(jié)構(gòu)圖

同步注漿泵由注漿主油缸、清洗水箱、輸送缸、進(jìn)出料提升閥和活塞等元件組成。泵出料時(shí)，注漿輸送缸活塞由主油缸伸出推動(dòng)，混凝土在壓力作用下通過排漿口壓入輸送管道送至盾尾環(huán)形間隙，此時(shí)吸料提升閥關(guān)閉，出料提升閥打開。主油缸達(dá)到最大行程后，系統(tǒng)自動(dòng)切換到泵吸料狀態(tài)，此時(shí)吸料提升閥打開，出料提升閥關(guān)閉，注漿主油缸帶動(dòng)活塞回縮，混凝土在自重和吸力共同作用下被吸入輸送缸，完成吸漿過程。輸送缸在液壓缸的往復(fù)驅(qū)動(dòng)下，交替進(jìn)行吸漿和排漿，實(shí)現(xiàn)混凝土的連續(xù)泵送。

3 同步注漿泵現(xiàn)場(chǎng)常見問題處理

操作人員應(yīng)經(jīng)常對(duì)注漿設(shè)備進(jìn)行徹底的清理、檢查，要保持注漿管路暢通、壓力顯示系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤，對(duì)發(fā)現(xiàn)的問題及時(shí)處理，確保注漿泵正常工作，注漿泵常見故障如下。

1）吸料提升閥油缸不動(dòng)作 注漿完畢未及時(shí)清洗注漿泵，泵內(nèi)漿液硬化，造成活塞被卡。處理方法，拆除吸料提升閥缸液壓管路，利用千斤頂頂起活塞，清除硬化泥漿。

2）無注漿壓力顯示 注漿管路未及時(shí)清理硬化后堵塞，漿液到不了注漿壓力傳感器所在位置，應(yīng)將注漿管路清理暢通。

3）注漿泵工作一段時(shí)間后換向沖擊變大 換向時(shí)液壓沖擊大，由于節(jié)流閥松緊螺母未擰緊，注漿泵工作時(shí)振動(dòng)等原因使節(jié)流閥開口不斷變大，將節(jié)流閥開口度調(diào)節(jié)到換向沖擊合適時(shí)，擰緊松緊螺母。

4）注漿脈沖次數(shù)顯示不正常 注漿時(shí)某一路注漿次數(shù)為其它組2倍或無顯示，脈沖接近開關(guān)安裝位置超前，活塞經(jīng)過時(shí)接近開關(guān)感應(yīng)兩次，從而脈沖計(jì)數(shù)加倍，將脈沖計(jì)數(shù)接近開關(guān)調(diào)整至脈沖計(jì)數(shù)顯示正確的合適位置；接近開關(guān)探頭伸出太短以致檢測(cè)不到活塞動(dòng)作時(shí)脈沖次數(shù)不顯示，應(yīng)當(dāng)調(diào)整探頭伸出長(zhǎng)度。

5）注漿壓力上不去 注漿動(dòng)作正常但注漿壓力上不去，由于注漿泵出料提升閥、吸料提升閥磨損，致使它們靠錐面的密封不嚴(yán)密，泵送時(shí)漿液從吸料提升閥處向吸料管泄漏，吸料時(shí)漿液由注漿泵出口漿液輸送管通過出料提升閥處向吸料鑄件腔泄漏，漿液泄漏造成泵送時(shí)壓力上不去，或者泵送后的壓力下降。此時(shí)，需要更換提升閥。

對(duì)于注漿泵出現(xiàn)的其他問題也應(yīng)通過分析解決，并且注漿時(shí)漿液要從管片的對(duì)稱位置注入，防止產(chǎn)生偏壓使管片發(fā)生錯(cuò)臺(tái)或損壞；注漿過程中要密切關(guān)注管片的變形情況，若發(fā)現(xiàn)管片有破損、錯(cuò)臺(tái)、上浮等現(xiàn)象應(yīng)立即停止注漿；當(dāng)注漿量突然增大時(shí)應(yīng)檢查是否發(fā)生了泄漏或注入掌子面的現(xiàn)象，若發(fā)生前述現(xiàn)象應(yīng)停止注漿，妥善處理后再繼續(xù)注入。

4 結(jié)論與討論

1）本文對(duì)隧道施工中同步注漿的過程進(jìn)行了說明，介紹了同步注漿泵的結(jié)構(gòu)，并對(duì)注漿工作過程和反泵沖洗過程的液壓控制原理進(jìn)行了詳細(xì)的分析。

2）對(duì)施工中所需注漿壓力、注漿量、注漿速度等參數(shù)進(jìn)行了分析討論，提供了多種日常使用時(shí)參數(shù)設(shè)置的計(jì)算方法。

3）對(duì)注漿泵常見故障和使用注意事項(xiàng)進(jìn)行總結(jié)并分析了原因，有利于同步注漿泵可靠合理的使用，為隧道的順利貫通提供重要支持。

[1]楊俊卿，任德志，徐麗萍，等.新型盾構(gòu)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真研究[J].機(jī)床與液壓，2011，(39)：94-96.

[2]王益群，高殿英.液壓工程師技術(shù)手冊(cè)[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2009.

[3]張景異，趙婷婷.盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)研究[J].液壓與氣動(dòng)，2011，(9)：22-24.

[4]騰延鋒.盾構(gòu)新型注漿泵控制系統(tǒng)的研制[J].建筑施工，2011，(33)：407-408.

[5]李 光.盾構(gòu)同步注漿泵液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].盾構(gòu)工程，2011，(11)：76-77.