張慧 李珍 趙曉 邵曉妹 李發(fā)權(quán)

摘要：地下水封洞庫工程較地面儲(chǔ)庫具有安全性能高、運(yùn)營管理費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。以湛江地下水封石油洞庫工程防滲堵漏灌漿施工為依托，介紹了新型化學(xué)灌漿泵在地下水封洞庫工程施工的應(yīng)用，采用了新型化學(xué)灌漿泵嵌入式系統(tǒng)控制專用驅(qū)動(dòng)器。樣機(jī)試驗(yàn)結(jié)果表明：灌漿壓力控制精度高，長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)壓滲透化學(xué)灌漿，可有效發(fā)揮漿材作用，施工效率高，且能滿足防滲堵漏加固補(bǔ)強(qiáng)化學(xué)灌漿施工需求。

關(guān)鍵詞：地下水封;洞庫工程;化學(xué)灌漿;化學(xué)灌漿泵

中圖法分類號(hào)：TV543.2文獻(xiàn)標(biāo)志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.008

文章編號(hào)：1006 - 0081（2021）06 - 0041 - 04

1 研究背景

與地面儲(chǔ)庫相比，地下水封洞庫工程利用飽水巖體密封性進(jìn)行儲(chǔ)存，具有安全性能高、投資省、損耗少、運(yùn)營管理費(fèi)用低、使用壽命長(zhǎng)以及污染小等優(yōu)點(diǎn)[1-2]。目前，我國正在沿海地質(zhì)條件優(yōu)良的場(chǎng)區(qū)規(guī)劃和建設(shè)多個(gè)大型地下洞庫工程[3]。

在隧洞開挖時(shí)，地下水封洞庫工程會(huì)遇到斷層破碎帶、裂隙帶、泥化夾層、滲漏和塌方等情況，常采用水泥補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理，但水泥漿液對(duì)斷層破碎帶、裂隙帶的補(bǔ)強(qiáng)作用較小，未達(dá)到防滲堵漏的理想效果，需要采取化學(xué)灌漿材料進(jìn)行封堵減滲漏，直至達(dá)到設(shè)計(jì)技術(shù)要求。

湛江地下水封石油洞庫工程部分洞段受斷層及節(jié)理裂隙密集帶影響，裂隙發(fā)育，巖體破碎，圍巖穩(wěn)定性差，需對(duì)滲水部位快速封堵，并通過補(bǔ)強(qiáng)措施提高巖體的整體性和安全性。前期雖經(jīng)過多次水泥和細(xì)水泥灌漿，但因巖層的特殊性和處理方式的局限性，未達(dá)理想效果，經(jīng)組織多名專業(yè)技術(shù)人員開展生產(chǎn)性試驗(yàn)、確定防滲堵漏復(fù)合灌漿方案。本文以湛江地下水封石油洞庫工程項(xiàng)目為例，介紹了新型化學(xué)灌漿泵在地下水封洞庫工程施工的應(yīng)用情況。

2 工程概況

湛江國家石油儲(chǔ)備地下水封洞庫工程位于廣東省湛江市廉江市良垌鎮(zhèn)，工程包括地下工程和地上輔助設(shè)施兩部分，設(shè)計(jì)石油儲(chǔ)備庫容500萬m3。地下工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統(tǒng)及施工巷道等組成。其中主洞室群由10條主洞室組成，洞室數(shù)量較多，且開挖及支護(hù)施工平行作業(yè)，施工干擾較大，洞室范圍內(nèi)主要為微風(fēng)化-微風(fēng)化片麻狀花崗巖，裂隙較發(fā)育-不發(fā)育，有局部裂隙發(fā)育，巖體破碎。

1號(hào)地下油庫隧洞在隧洞開挖時(shí)出現(xiàn)過塌方。在塌方處進(jìn)行鋼拱架處理，采取水泥補(bǔ)強(qiáng)灌漿處理，但是此段有明顯破碎帶，裂隙發(fā)育良好，滲漏水豐富，多次采用水泥漿液注漿后，巖石表面仍有明顯滲水現(xiàn)象。這表明水泥漿液對(duì)裂隙帶、斷層破碎帶無法起到防滲堵漏作用，需要采用水泥化學(xué)復(fù)合灌漿進(jìn)行封堵減滲漏。

通過材料與石油混合實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：環(huán)氧樹脂化學(xué)材料與石油沒有任何反應(yīng)現(xiàn)象，在隧洞滲漏水處理試驗(yàn)質(zhì)量檢查滿足設(shè)計(jì)要求后進(jìn)行封堵。灌漿施工采用全孔一次性鉆掃孔，埋管純壓式一次性灌漿，環(huán)間環(huán)內(nèi)不分序，環(huán)內(nèi)從底孔至頂孔先鉆孔。鉆孔有涌水或壓水透水率較大孔段進(jìn)行水泥注漿或者聚氨酯材料注漿。待材料凝固后，再對(duì)此孔鉆掃孔進(jìn)行環(huán)氧樹脂材料注漿。單耗漿量超過100 kg的灌漿孔，在旁邊增加灌漿孔進(jìn)行加密處理。對(duì)滲水構(gòu)造發(fā)育地段可以增加環(huán)間加密灌漿處理。

3 化學(xué)灌漿泵

3.1 概 況

化學(xué)灌漿成套技術(shù)已發(fā)展成為解決建筑物不良地質(zhì)體加固與防滲、混凝土裂隙防滲堵漏等技術(shù)難題不可或缺的解決方案[4]?；瘜W(xué)灌漿設(shè)備是化學(xué)灌漿成套技術(shù)中的重要環(huán)節(jié)，主要有制漿、儲(chǔ)漿設(shè)備和化學(xué)灌漿泵，其中較為重要的是化學(xué)灌漿泵[5]。其性能優(yōu)劣、使用方法的正確與否，直接影響化學(xué)灌漿的質(zhì)量[6]。從原始的簡(jiǎn)易手動(dòng)泵，到機(jī)械傳動(dòng)、液壓傳動(dòng)，發(fā)展到電控系統(tǒng)和微機(jī)系統(tǒng)，再到大數(shù)據(jù)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)，化學(xué)灌漿泵一直持續(xù)改進(jìn)創(chuàng)新，不斷滿足現(xiàn)代工程對(duì)化學(xué)灌漿的需要，為工程建設(shè)作出貢獻(xiàn)。

由董建軍等[7]研制發(fā)明的HGB-1（2）型化學(xué)灌漿泵，泵體動(dòng)作通過液壓系統(tǒng)流量及壓力的調(diào)節(jié)進(jìn)行控制，泵體結(jié)構(gòu)合理，使用方便、易清洗，為后續(xù)新型灌漿泵的研制提供了較為重要的參考價(jià)值。由李珍等[8]提出以步進(jìn)電機(jī)為驅(qū)動(dòng)的新型灌漿泵，利用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)絲杠螺母轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)絲杠連同活塞直線運(yùn)動(dòng)，設(shè)備可操作及可控性強(qiáng)，適用于環(huán)氧樹脂和聚氨酯化學(xué)灌漿材料的施工，在化學(xué)灌漿領(lǐng)域得到廣泛使用。

化學(xué)灌漿泵包括泵體、密封管路系統(tǒng)、傳動(dòng)與控制、調(diào)速器、穩(wěn)壓系統(tǒng)等結(jié)構(gòu)。化學(xué)灌漿泵呈現(xiàn)點(diǎn)密封性、易拆洗、安全性、多品種等特點(diǎn)，根據(jù)壓力、流量和溫度等參數(shù)，合理的匹配化學(xué)灌漿泵設(shè)備，使化學(xué)灌漿泵能更好滿足施工需要，適應(yīng)不同需求。

3.2 新型化學(xué)灌漿泵

本文新型化學(xué)灌漿泵采用以AVR為核心的嵌入式系統(tǒng)精確控制專用驅(qū)動(dòng)器，專用驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)，進(jìn)行精確調(diào)壓、穩(wěn)定控壓，最大壓力為25 MPa，最大流量為5.5 L/min。

新型化學(xué)灌漿泵的設(shè)備結(jié)構(gòu)如圖1所示。

泵頭分為進(jìn)漿和出漿兩部分，不斷吸入和輸出化學(xué)灌漿材料。泵頭部分的進(jìn)口閥連接吸料管，進(jìn)口閥內(nèi)裝有單向?qū)ǖ匿撉蚺c閥座，泵頭吸入化學(xué)灌漿材料，液壓泵體的出漿壓力和流量滿足工程要求。泵頭連接油漿隔離器，數(shù)顯壓力表，油壓隔離器保證壓力表的精度和穩(wěn)定性，數(shù)顯壓力表顯示實(shí)時(shí)壓力。開關(guān)電源控制設(shè)備的開關(guān)運(yùn)行，壓力調(diào)節(jié)增加和減少壓力預(yù)定值。專用驅(qū)動(dòng)器是化學(xué)灌漿泵的傳動(dòng)核心，伺服電機(jī)是動(dòng)力源，驅(qū)動(dòng)單缸柱塞泵，帶動(dòng)偏心輪通過曲柄連桿帶動(dòng)柱塞泵的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過進(jìn)出口鋼球與閥座的配合運(yùn)動(dòng)，從而完成化學(xué)灌漿材料的吸入和輸出。

嵌入式系統(tǒng)產(chǎn)生PWM脈沖調(diào)節(jié)信號(hào)控制驅(qū)動(dòng)器，驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)。溫度傳感器和壓力傳感器的采樣數(shù)據(jù)發(fā)送至嵌入式系統(tǒng)，嵌入式系統(tǒng)同時(shí)控制彩色顯示屏，金屬鍵盤和蜂鳴報(bào)警器。壓力調(diào)節(jié)輸入值由金屬鍵盤輸入，或者人工操作電機(jī)旋鈕的設(shè)定輸入值。設(shè)定的輸入值傳輸至嵌入式系統(tǒng)，已編程封裝的嵌入式系統(tǒng)參數(shù)自整定控制器發(fā)揮作用，依據(jù)設(shè)定參數(shù)及參數(shù)自整定控制原理進(jìn)行調(diào)速。通過嵌入式系統(tǒng)編程控制驅(qū)動(dòng)器，完成伺服電機(jī)恒壓調(diào)速。系統(tǒng)控制如圖2所示。

3.3 結(jié)合傳統(tǒng)灌漿泵對(duì)比分析

結(jié)合傳統(tǒng)化學(xué)灌漿泵對(duì)比分析，新型化學(xué)灌漿泵采用柱塞式泵體結(jié)構(gòu)，軸向柱塞泵柱塞與主軸平行，工作時(shí)柱塞隨缸體繞中軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)缸體內(nèi)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，相較傳統(tǒng)泵避免了結(jié)構(gòu)中存在的接觸高副摩擦，提高灌漿壓力和效率，降低了脈動(dòng)幅度，進(jìn)而減小振動(dòng)和噪音，同時(shí)降低了加工難度，更適用于環(huán)氧化學(xué)漿材。

上一代化學(xué)灌漿泵設(shè)備體積重量較大，不利于狹窄廊道空間作業(yè)，老式指示表顯示不靈敏不穩(wěn)定。新型化學(xué)灌漿泵設(shè)備機(jī)身移動(dòng)靈活、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作及可控性強(qiáng)、易拆裝清洗，更符合工程實(shí)際的需求。采用嵌入式系統(tǒng)進(jìn)行壓力精確穩(wěn)定控制，電機(jī)調(diào)速范圍大、調(diào)速平滑性好且具有足夠的機(jī)械特性。液晶屏可實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)，操作界面人性化，設(shè)備具有自診斷自保護(hù)功能，施工效率高。

由于化學(xué)灌漿材料具有一定腐蝕性，新型化學(xué)灌漿泵泵體采用全密封管路系統(tǒng)，下一階段針對(duì)密封件作進(jìn)一步研究，更有利于人身安全和環(huán)境保護(hù)，使化學(xué)灌漿泵能更好地滿足現(xiàn)場(chǎng)施工作業(yè)的需要，適應(yīng)用戶不同需求。

4 工程應(yīng)用

地下水封石油洞庫工程防滲堵漏灌漿施工主要施工流程：①施工準(zhǔn)備;②確定施工部位;③搭建灌漿平臺(tái)、化學(xué)灌漿設(shè)備就位;④資料收集、地質(zhì)條件分析;⑤確定施工方案;⑥測(cè)量放線;⑦分序鉆孔（鉆孔沖洗、驗(yàn)收、埋管和阻塞—灌漿泵調(diào)試、管路連接—壓水試驗(yàn)—灌漿材料配制—化學(xué)灌漿—待凝—抬動(dòng)觀測(cè)）;⑧質(zhì)量檢查;⑨封孔、清理;⑩取芯測(cè)試;11項(xiàng)目驗(yàn)收。地下水封石油洞庫工程防滲堵漏灌漿施工流程如圖3所示。

在防滲堵漏灌漿施工現(xiàn)場(chǎng)搭設(shè)移動(dòng)式灌漿操作平臺(tái)，化學(xué)灌漿泵放置操作平臺(tái)上，泵頭連接進(jìn)漿管，將進(jìn)漿管放入塑料貯漿桶內(nèi)，開始化學(xué)灌漿時(shí)先將灌漿壓力調(diào)至起始?jí)毫Α?/p>

（1）化學(xué)灌漿泵啟動(dòng)檢查。接交流220 V電源，進(jìn)漿管連接泵頭下部進(jìn)漿部件，并與攪拌桶連接，出漿管連接泵頭出口出漿部件，并與灌漿孔口管連接。化學(xué)灌漿泵應(yīng)進(jìn)行空載試運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)設(shè)備運(yùn)轉(zhuǎn)正常進(jìn)行壓水試驗(yàn)，模擬化學(xué)灌漿工況，在攪拌桶內(nèi)裝水并連接管路，觀察各管路無漏漿情況，設(shè)備正常無報(bào)警后正式進(jìn)行化學(xué)灌漿。

（2）化學(xué)灌漿泵施工。施工啟動(dòng)化學(xué)灌漿泵，利用環(huán)氧漿液將孔內(nèi)積水進(jìn)一步趕出，直至回漿管口有持續(xù)純漿排出，關(guān)閉回漿閥繼續(xù)灌漿。觀察孔口返水情況，判斷孔內(nèi)是否有漏漿情況發(fā)生?；瘜W(xué)灌漿泵排漿量能無極調(diào)節(jié)且能滿足最大和最小注入率的要求。在灌漿泵出漿口處安設(shè)壓力表，其最大標(biāo)值應(yīng)為最大灌漿壓力的2.0～2.5倍，壓力表與管路之間要有隔漿裝置，工作壓力在壓力表最大標(biāo)值的1/4～3/4之間，壓力表在使用前檢驗(yàn)其準(zhǔn)確性，誤差控制在5%以內(nèi)，所有化學(xué)灌漿設(shè)備都有備用配件。灌漿管路采用Ф14 mm高壓軟管連接，灌漿管路能承受壓力不小于10 MPa。灌漿壓力宜讀取壓力波動(dòng)的中值，波動(dòng)范圍應(yīng)不大于灌漿壓力的20%，灌漿壓力的最大值也應(yīng)予以記錄。擺動(dòng)范圍應(yīng)作記錄，并有專人看守壓力表，不得超壓。灌漿壓力記錄以孔口壓力為準(zhǔn)?；瘜W(xué)灌漿過程以逐級(jí)升壓為原則，每段灌漿壓力結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況確定。

（3）化學(xué)灌漿泵灌漿結(jié)束及壓水檢查?；瘜W(xué)灌漿過程中，灌漿壓力達(dá)到設(shè)計(jì)壓力值后，化學(xué)灌漿注入率不大于結(jié)束值，再繼續(xù)灌注30 min進(jìn)行閉漿待凝，才可結(jié)束灌漿。壓水試驗(yàn)檢查應(yīng)在灌漿結(jié)束28 d后進(jìn)行，檢查孔數(shù)量不少于灌漿孔總數(shù)的5%。壓水壓力采用設(shè)計(jì)壓力。檢查合格標(biāo)準(zhǔn)：85%以上孔段的透化學(xué)水率小于1 Lu，其余孔段的透水率小于1.5 Lu，且分布不集中。

（4）化學(xué)灌漿泵用后清洗保養(yǎng)。先用水對(duì)進(jìn)回漿管路帶壓沖洗干凈，再用丙酮清洗管道接頭及阻塞器，灌漿泵泵頭用丙酮沖洗干凈后，加上潤滑油。若出現(xiàn)管道堵塞，將丙酮打入管道內(nèi)循環(huán)清洗。

5 結(jié) 語

新型化學(xué)灌漿泵采用嵌入式系統(tǒng)控制專用驅(qū)動(dòng)器，灌漿壓力控制精度高，可長(zhǎng)時(shí)間保持穩(wěn)壓滲透化學(xué)灌漿，能有效發(fā)揮漿材作用，在湛江地下水封石油洞庫工程防滲堵漏灌漿施工中可滿足防滲堵漏加固補(bǔ)強(qiáng)化學(xué)灌漿施工需求，可在同類地下水封洞庫工程防滲堵漏加固補(bǔ)強(qiáng)中推廣應(yīng)用。

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（編輯：唐湘茜）