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(guó)內(nèi)盾構(gòu)使用的同步注漿泵全是國(guó)外進(jìn)口產(chǎn)品，采購(gòu)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(cāng)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.