楊 釗, 鄒新祥, 李杰華, *, 孫 恒, 徐 剛

(1. 中交第二航務(wù)工程局有限公司, 湖北 武漢 430040; 2. 長(zhǎng)大橋梁建設(shè)施工技術(shù)交通行業(yè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 湖北 武漢 430040; 3. 交通運(yùn)輸行業(yè)交通基礎(chǔ)設(shè)施智能制造技術(shù)研發(fā)中心, 湖北 武漢 430040; 4. 鎮(zhèn)江典程機(jī)電有限公司, 江蘇 鎮(zhèn)江 212100)

0 引言

雙液注漿法通常指的是水玻璃和水泥漿的混合漿液注漿,因其凝結(jié)速度快,且具有一定的強(qiáng)度,常常用于隧道工程和基坑工程的防水堵漏、空洞填充中,其工藝中的難點(diǎn)在于雙液漿配比的精確控制和注漿壓力穩(wěn)定控制2個(gè)方面。雙液漿的初凝時(shí)間、流動(dòng)度、結(jié)石強(qiáng)度等受漿液配比的影響很大,因此漿液配比對(duì)雙液漿的注漿效果影響很大。雙液漿初凝時(shí)強(qiáng)度不高,注漿壓力過(guò)高容易擊穿已經(jīng)形成的止水環(huán)或隔水層;注漿壓力過(guò)低,則縫隙填充不飽滿(mǎn),不能起到密封作用。因此,注漿壓力需穩(wěn)定可控。

張平格等[1]通過(guò)液壓系統(tǒng)設(shè)計(jì),利用調(diào)節(jié)缸的行程位置調(diào)節(jié),實(shí)現(xiàn)了2種漿液比例的無(wú)極調(diào)節(jié),但其需要手動(dòng)調(diào)節(jié)螺母改變漿缸位置,調(diào)節(jié)繁瑣。田公明[2]在傳統(tǒng)注漿泵普通調(diào)速閥的基礎(chǔ)上,使用一種電液比例閥,通過(guò)PLC輸出到電液比例閥的電流大小,來(lái)調(diào)節(jié)雙液注漿泵的流量,實(shí)現(xiàn)注漿流量的電控調(diào)速。雖然利用閥組改變通徑大小可以調(diào)節(jié)流量,但流量大小與閥組通徑的關(guān)系會(huì)隨油壓的高低而變化,無(wú)法實(shí)現(xiàn)注漿配比的精準(zhǔn)控制,究其原因是未解決動(dòng)力源排油穩(wěn)定性的問(wèn)題。趙玉敏等[3]、王俊勇[4]提出利用PWM(脈沖寬度調(diào)制技術(shù))信號(hào)控制電磁換向閥的通斷時(shí)間比例,進(jìn)而控制進(jìn)入液壓缸中液壓油的流速,實(shí)現(xiàn)對(duì)液壓缸活塞往返速度的控制,即通過(guò)調(diào)節(jié)占空比來(lái)控制流量的方法,并通過(guò)AMEsim軟件,驗(yàn)證了PWM控制流量的理論可行性,但其未實(shí)際應(yīng)用,且未有整體化成熟產(chǎn)品。

以上主要是從液壓回路控制調(diào)節(jié)元件方面進(jìn)行的研究。本文認(rèn)為從動(dòng)力源頭改善流量穩(wěn)定性也是一種思路。因此,針對(duì)現(xiàn)有雙液注漿泵不能滿(mǎn)足高精度注漿配比、注漿壓力穩(wěn)定可控的問(wèn)題,本文提出了注漿壓力和注漿配比雙控機(jī)制,通過(guò)雙聯(lián)齒輪泵組設(shè)計(jì),保證油壓穩(wěn)定和無(wú)極調(diào)節(jié)。通過(guò)程序設(shè)定,保證雙液漿配比快速達(dá)到指定配比; 通過(guò)梯次注漿程序設(shè)計(jì),保證不超壓及注漿填充飽滿(mǎn)。

1 智能注漿泵設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

1.1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)原理

智能注漿泵ZYB100/4T為集成式一體化設(shè)備,由電機(jī)、油泵、液壓閥組、智能控制箱、油缸總成、吸排漿總成、風(fēng)冷卻器、底座、壓力傳感和流量傳感等組成。其實(shí)物圖如圖1所示。

圖1 ZYB100/4T注漿泵實(shí)物圖Fig. 1 Photograph of ZYB100/4T grouting pump

該泵為雙缸、雙作用活塞泵,其工作原理為:電機(jī)通過(guò)聯(lián)軸器帶動(dòng)油泵高速旋轉(zhuǎn),油泵產(chǎn)生高壓油,經(jīng)液壓油管路、控制閥組等進(jìn)入油缸,并推動(dòng)油缸內(nèi)的活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng)。由于油缸活塞桿和漿缸活塞桿之間是剛性連接,因此,油缸活塞能帶動(dòng)漿缸活塞做往復(fù)運(yùn)動(dòng),配合吸排漿閥組,完成吸排漿工作。ZYB100/4T注漿泵動(dòng)力原理示意如圖2所示。注漿泵性能參數(shù)如表1所示。

1—液壓油箱; 2—過(guò)濾器; 3—齒輪泵組; 4—齒輪泵組電磁換向閥; 5—單向閥; 6—渦輪流量計(jì); 7—壓力傳感器; 8—抗震壓力表; 9—直動(dòng)式溢流閥; 10—電磁換向閥; 11—驅(qū)動(dòng)油缸。圖2 ZYB100/4T注漿泵動(dòng)力原理示意圖Fig. 2 Sketch of principle of ZYB100/4T grouting pumps

表1 注漿泵性能參數(shù)Table 1 Performance parameters of grouting pump

該注漿泵有2套獨(dú)立的動(dòng)力系統(tǒng),分別控制A液和B液注漿動(dòng)力,通過(guò)PLC控制電機(jī)啟停和頻率,以調(diào)節(jié)A、B液注漿順序以及注漿流量和壓力,使A液和B液按指定的配比在孔口混合。

1.1.2 泵頭結(jié)構(gòu)

其中一套動(dòng)力系統(tǒng)的泵頭結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1—液壓油缸; 2—油缸活塞桿; 3—平膜式壓力傳感器; 4—排漿管路; 5—鋼球; 6—漿缸; 7—吸漿管路。圖3 ZYB100/4T注漿泵泵頭結(jié)構(gòu)圖Fig. 3 Structure diagram of ZYB100/4T grouting pump head

泵頭吸排室的閥門(mén)采用鋼球自由啟閉結(jié)構(gòu),鋼球的球面形狀使砂石不易卡塞閥口,鋼球的自由轉(zhuǎn)動(dòng)會(huì)使鋼球磨損均勻,使之能長(zhǎng)時(shí)間保持使用性能。 這種結(jié)構(gòu)的制造工藝較油缸驅(qū)動(dòng)、強(qiáng)制啟閉錐閥的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,鋼閥門(mén)檢修也方便,當(dāng)鋼球磨小不能密封時(shí),可以更換1個(gè)鋼球,鋼球在閥門(mén)內(nèi)自由放置,比安裝螺栓等方法拆裝簡(jiǎn)便;同時(shí),閥門(mén)的啟閉利用漿液自身壓力的變化而變化,不消耗額外動(dòng)力。

吸排漿工作原理為: 注漿缸活塞桿與液壓缸活塞桿一端連接,當(dāng)活塞桿向左運(yùn)動(dòng)時(shí),鋼球1和3打開(kāi),鋼球2和4閉合,漿液從吸漿口進(jìn)入吸漿腔,由于排漿腔容積減小所以從排漿口排漿;當(dāng)活塞桿向右運(yùn)動(dòng)時(shí),鋼球2和4打開(kāi),鋼球1和3閉合,漿液從吸漿口進(jìn)入吸漿腔,由于排漿腔容積減小所以從排漿口排漿,活塞桿運(yùn)動(dòng)與吸排漿同時(shí)進(jìn)行,避免了漿液反串。

1.1.3 控制部分設(shè)計(jì)

該設(shè)備由PLC主控制本機(jī)控制柜,在控制柜中預(yù)留有通訊接口,可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制,同時(shí)也可以將該系統(tǒng)接入其他主系統(tǒng)。整個(gè)系統(tǒng)主要包括邏輯控制器、液壓系統(tǒng)和數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置。液壓系統(tǒng)有2套,每套由變頻電機(jī)、雙聯(lián)齒輪泵、2個(gè)三位四通換向閥和液壓缸組成。數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)裝置包括HMI人機(jī)界面(見(jiàn)圖4)、流量傳感器和壓力傳感器等。HMI人機(jī)界面與PLC相連進(jìn)行通訊。ZYB100/4T注漿泵控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5所示。

圖4 ZYB100/4T注漿泵HMI人機(jī)界面Fig. 4 HMI interface of ZYB100/4T grouting pump

圖5 ZYB100/4T注漿泵控制器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig. 5 System structure of ZYB100/4T grouting pump controller

PLC通過(guò)控制變頻電機(jī)的頻率改變其轉(zhuǎn)速,從而控制液壓泵排量,改變液壓油的流速,進(jìn)而控制活塞桿的泵送速度,調(diào)節(jié)流量。

1.1.4 注漿泵整機(jī)

注漿泵在介質(zhì)輸出管路中設(shè)置有流量傳感器和壓力傳感器,可以通過(guò)傳感器信號(hào)的實(shí)時(shí)反饋將注漿壓力和流量在控制界面顯示出來(lái),便于操作者了解注漿參數(shù)。

根據(jù)形態(tài)可將該注漿泵分解為注漿泵頭(見(jiàn)圖3,A、B液系統(tǒng)各1個(gè))、注漿泵動(dòng)力單元(見(jiàn)圖6)、本機(jī)控制柜(見(jiàn)圖7)和注漿泵檢測(cè)管路(見(jiàn)圖8)4個(gè)部分。

圖6 ZYB100/4T注漿泵動(dòng)力單元Fig. 6 Power unit of ZYB100/4T grouting pump

圖7 ZYB100/4T注漿泵本機(jī)控制柜Fig. 7 Control panel of ZYB100/4T grouting pump

圖8 ZYB100/4T注漿泵檢測(cè)管路Fig. 8 Grouting inspection pipe of ZYB100/4T grouting pump

注漿泵檢測(cè)管路主要作用為校核程序中理論推算數(shù)值的準(zhǔn)確性。具體可以根據(jù)安裝空間來(lái)確定該部分的取舍。

1.2 工作原理

1.2.1 注漿泵動(dòng)力單元設(shè)計(jì)

采用外嚙合齒輪泵作為注漿泵動(dòng)力單元的動(dòng)力原件,外嚙合齒輪泵負(fù)載壓力對(duì)平均流量影響不大,轉(zhuǎn)速對(duì)脈動(dòng)率有影響,轉(zhuǎn)速越高,總體脈動(dòng)率越低[5]。在壓力和溫度不變的情況下,增加外嚙合齒輪泵轉(zhuǎn)速,齒輪泵間隙泄漏的液壓油基本保持不變,從而容積效率上升[6]。故為了泵排量的穩(wěn)定和高效,采用雙聯(lián)齒輪泵(如圖6所示),通過(guò)電磁閥和PLC控制2個(gè)齒輪泵的工作時(shí)機(jī),根據(jù)流量大小來(lái)選擇不同的齒輪泵工作,使其工作一直保持在高轉(zhuǎn)速區(qū),以保證液壓泵的高效和穩(wěn)定。

1.2.2 流量控制原理

如圖2所示,當(dāng)設(shè)定流量信號(hào)發(fā)出時(shí),根據(jù)PLC程序判別設(shè)定相應(yīng)的齒輪泵,判別標(biāo)準(zhǔn)見(jiàn)2.1節(jié)。變頻電機(jī)按照對(duì)應(yīng)的電機(jī)頻率啟動(dòng),通過(guò)液壓回路中的渦輪式流量計(jì)監(jiān)測(cè)液壓油流速,將流量數(shù)據(jù)反饋給PLC。當(dāng)流量過(guò)大時(shí),降低電機(jī)頻率;當(dāng)流量過(guò)小時(shí),增大電機(jī)頻率。液壓油的流量決定了柱塞桿運(yùn)動(dòng)的速度,也反映了泵頭吸、排漿液的流量。

泵頭吸、排漿流量的大小和變頻電機(jī)的轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系,電機(jī)頻率和其轉(zhuǎn)速呈正比例關(guān)系。當(dāng)電機(jī)頻率無(wú)極調(diào)節(jié)時(shí),齒輪泵的液壓油排量也無(wú)極變化,使驅(qū)動(dòng)油缸帶動(dòng)活塞桿運(yùn)動(dòng)的速度也無(wú)極增減,從而使泵頭吸、排漿液的流量也可無(wú)極調(diào)節(jié)。

注漿初期,為達(dá)到較高的施工效率,采用較高的注漿速率,當(dāng)漿液注入一段時(shí)間后,注漿壓力逐漸達(dá)到設(shè)計(jì)注漿壓力,此時(shí)便逐級(jí)降低注漿速率,減小注漿阻力,使注漿壓力不超過(guò)設(shè)計(jì)注漿壓力,從而達(dá)到較大的注漿量,保證注漿效果[7]。注漿流量控制的理念是采用注漿速率梯次設(shè)計(jì)原則,通過(guò)PLC控制完成起初大流量的注入,達(dá)到設(shè)定壓力后,流量自動(dòng)減小到一定百分比; 隨后繼續(xù)注入,此時(shí)壓力減小,當(dāng)壓力再次達(dá)到設(shè)計(jì)壓力后,流量再次減小,梯次減小3次后,注漿停止。

1.2.3 注漿壓力的控制原理

在注漿施工過(guò)程中,注漿壓力大小受地層阻力影響,地層阻力越大,泵注入壓力就越大,反之越小。雙液注漿對(duì)注漿壓力有著嚴(yán)格的要求[8]。注漿壓力控制方式有2種:

1)在注漿泵的液壓系統(tǒng)中設(shè)置了1個(gè)安全閥(即直動(dòng)式溢流閥),在2套液壓系統(tǒng)的液壓回路中均安裝有壓力傳感器以監(jiān)測(cè)液壓系統(tǒng)壓力,通過(guò)PLC控制其安全壓力,超過(guò)一定數(shù)值后自動(dòng)切斷電源,注漿泵停止工作。同時(shí),直動(dòng)式溢流閥也可以實(shí)現(xiàn)高壓保護(hù),當(dāng)液壓系統(tǒng)壓力增高到設(shè)定壓力時(shí),完成自動(dòng)卸荷。該控制方式具有保護(hù)注漿安全和液壓系統(tǒng)安全的雙重作用。

2)在注漿管路中設(shè)置有無(wú)腔平膜式壓力傳感器(見(jiàn)圖9)監(jiān)測(cè)注漿管路壓力,反饋調(diào)節(jié)泵送速率,以控制注漿管中的壓力。無(wú)腔平膜式壓力傳感器選用德國(guó)進(jìn)口擴(kuò)散硅芯體,采用平面膜直接感受壓力,傳感器平膜片解決了結(jié)垢及黏稠液體堵塞等問(wèn)題,降低了泥漿堵塞的風(fēng)險(xiǎn)。

圖9 無(wú)腔平膜式壓力傳感器Fig. 9 Flat film pressure sensor

通過(guò)在PLC的控制程序中編制邏輯語(yǔ)言,能使注漿過(guò)程中在注漿壓力的控制下限壓注漿,并自動(dòng)停止注漿。

1.2.4 注漿模式設(shè)計(jì)

該注漿泵設(shè)計(jì)有3種模式: 普通注漿、限壓注漿、定量注漿。

1.2.4.1 普通注漿

普通注漿為單液漿注入時(shí)采用,為常規(guī)注漿模式,輸入注漿流量,即可注漿,始終以設(shè)定流量進(jìn)行注漿。

1.2.4.2 限壓注漿

在注漿操作室里的觸控屏上輸入A液注漿速度、雙液漿配比、預(yù)設(shè)注漿壓力、A液注漿量等參數(shù),選擇“自動(dòng)”運(yùn)行。注漿過(guò)程中,接近預(yù)設(shè)壓力值時(shí),系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)降低注漿速度,控制壓力上升速度;到達(dá)預(yù)設(shè)壓力值時(shí),自動(dòng)停止注漿。在注漿過(guò)程中,如果A液注漿量到達(dá)預(yù)設(shè)值,也會(huì)自動(dòng)停止注漿,并報(bào)警顯示“限壓注漿已完成”。該注漿方式可確保限壓注實(shí),避免常規(guī)注漿引起的壓力虛高和安全隱患。

隧道壁后注漿擴(kuò)散方式考慮為滲透注漿,將雙液漿考慮為牛頓流體,漿液在地層里擴(kuò)散可以近似看作在單個(gè)圓形毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng),則其流動(dòng)速率可以用伯塑尼(Poissuine)方程[9]表示:

(1)

式中:q′為單位時(shí)間流量;R為毛細(xì)管半徑(孔隙半徑); Δp為有效注漿壓力;r為漿液在毛細(xì)管內(nèi)流動(dòng)的距離;μ為動(dòng)力黏度或黏度系數(shù)。

從式(1)中可以看出,流量q′和注漿壓力Δp呈正比。故限壓注漿是通過(guò)控制注漿流量,使壓力恒定在設(shè)定值以?xún)?nèi)。

1.2.4.3 定量注漿

定量注漿為在觸控屏上輸入A液注漿速度、雙液漿配比、A液注漿量等參數(shù),選擇“自動(dòng)”運(yùn)行。設(shè)備自動(dòng)注漿并計(jì)量注漿量,達(dá)到預(yù)設(shè)值后,自動(dòng)停止,并報(bào)警顯示“定量注漿已完成”。該模式不受注漿壓力的影響。

1.3 參數(shù)設(shè)計(jì)與計(jì)算

1.3.1 變頻驅(qū)動(dòng)齒輪泵設(shè)計(jì)

齒輪泵為恒排量動(dòng)力源,其排量與轉(zhuǎn)速有關(guān)。齒輪泵排量公式為:

Q1=η1×q×n。

(2)

式中:Q1為泵排量,mL/min;η1為齒輪泵容積效率(一般取95%);q為泵的單圈排量,mL/r;n為轉(zhuǎn)速,r/min。

將單次注漿行程所需的液壓油量和泥漿排量近似為常數(shù),用V1和V2表示,結(jié)合式(2),推導(dǎo)出泥漿排量:

(3)

式中η2為柱塞泵容積效率。

本次設(shè)計(jì)中選用電機(jī)為YVF2-132M-4,電機(jī)轉(zhuǎn)速為1 440 r/min,柱塞泵容積效率為90%[10](材料為水灰比等于1∶1的泥水漿時(shí))。根據(jù)泵頭尺寸參數(shù),推算出單次注漿所需液壓油為0.48 L,排出1.42 L泥漿,隧道雙液注漿最大注漿速度控制在60 L/min左右,由式(3)可得:

(4)

根據(jù)1.2.1節(jié)的表述,這里采用雙聯(lián)齒輪泵,單圈排量為8 mL/r和12 mL/r,使其能達(dá)到最大排量要求的同時(shí)滿(mǎn)足注漿高效性。

1.3.2 注漿泵壓力輸出

盾構(gòu)注漿的壓力是根據(jù)盾構(gòu)注漿點(diǎn)的靜止水壓和靜止土壓決定的,與盾構(gòu)埋深直接相關(guān)。目前,隧道埋深一般不超過(guò)100 m,注漿壓力不超過(guò)2 MPa?？紤]到施工的特殊性和其他壓力損失,本注漿泵額定壓力設(shè)置為4 MPa,滿(mǎn)足盾構(gòu)隧道注漿施工工況要求。

1.3.3 注漿泵注漿流量設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)液壓回路中安裝有渦輪流量計(jì),監(jiān)測(cè)回路液壓油流量為v1,注漿缸中瞬時(shí)流量為v2。液壓油和水泥漿同為液體,在一般條件下,溫度和壓力引起的液體密度變化很小。故可近似認(rèn)為兩者的密度是固定不變的,主要的體積差在于容積效率的影響,則注漿流量可設(shè)定為:

v2=v1η1η2。

(5)

2 注漿泵技術(shù)性能

2.1 注漿流量智能調(diào)節(jié)

ZYB100/4T注漿泵注漿流量通過(guò)變頻電機(jī)、無(wú)極調(diào)節(jié)齒輪泵轉(zhuǎn)速實(shí)現(xiàn)流量的無(wú)極調(diào)節(jié),同時(shí)根據(jù)設(shè)定的流量數(shù)值,對(duì)應(yīng)啟動(dòng)相應(yīng)數(shù)值的電機(jī)頻率,使流量迅速達(dá)到設(shè)定流量附近(程序邏輯參考圖5),再通過(guò)檢測(cè)到的流量信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行微調(diào)使其接近于設(shè)定數(shù)值。

變頻調(diào)速的原理是利用變頻器將固定頻率轉(zhuǎn)換為可調(diào)頻率,其轉(zhuǎn)速和頻率滿(mǎn)足公式[4]:

(6)

式中:n為同步轉(zhuǎn)速,r/min;p為電機(jī)極對(duì)數(shù);f1為電機(jī)頻率,Hz。

由式(6)可知,若電機(jī)頻率改變,則電機(jī)轉(zhuǎn)速n改變。選用電機(jī)為YVF2-132M-4,極對(duì)數(shù)p為2,常用交流電頻率f1為50 Hz,由式(6)得出n=1 500 r/min。作為負(fù)載電機(jī),需要工作在發(fā)電機(jī)狀態(tài),因此,感應(yīng)電機(jī)供電頻率f應(yīng)低于f1[11]。

(7)

式中s為感應(yīng)電機(jī)的轉(zhuǎn)差率,s=0.04。

根據(jù)式(3)推導(dǎo)出泥漿排量與頻率的關(guān)系[12]:

(8)

單次注漿行程所需的液壓油量以及注漿缸排出的泥漿量近似為常數(shù),選用電機(jī)為YVF2-132M-4,極對(duì)數(shù)p為2,雙聯(lián)齒輪泵單圈排量為8 mL/r和12 mL/r。通過(guò)式(8)得出泥漿排量Q2為0.58f和0.88f。

ZYB100/4T注漿泵單泵流量輸出系統(tǒng)程序設(shè)定曲線(xiàn)如圖10所示。圖中q1為排量8 mL/r單泵頭的工作流量曲線(xiàn),q2為排量12 mL/r單泵頭的工作流量曲線(xiàn),q3為雙泵頭工作流量曲線(xiàn)。變頻電機(jī)頻率范圍為25～50 Hz,具有更好的減速、加速、起動(dòng)性能等[11]。故根據(jù)分階段供油原理編制PLC程序控制,即當(dāng)流量小時(shí)采用小齒輪,流量稍大時(shí)采用大齒輪,達(dá)到額定流量或超頻時(shí)采用雙齒輪。程序設(shè)定中根據(jù)對(duì)應(yīng)的流量設(shè)定值,自動(dòng)匹配相應(yīng)的電機(jī)頻率,使注漿流量最快穩(wěn)定到設(shè)定流量。

圖10 ZYB100/4T注漿泵單泵流量輸出系統(tǒng)程序設(shè)定曲線(xiàn)Fig. 10 Program setting curves of unilateral flow output system of ZYB100/4T grouting pump

2.2 注漿壓力智能調(diào)節(jié)

注漿壓力采用壓力控制梯次設(shè)計(jì)原則,注漿主控壓力設(shè)定為1～2倍地下水壓力[7],壓力自主設(shè)定后,注漿壓力由小到大,注漿量由大到小,最終達(dá)到或接近設(shè)計(jì)的注漿終壓[13]。根據(jù)注漿壓力分多段進(jìn)行調(diào)節(jié):

1)當(dāng)注漿壓力接近于設(shè)計(jì)終壓的70%時(shí),將注漿流量調(diào)整至初始注漿流量的80%,持續(xù)注入,壓力逐漸上升。

2)當(dāng)注漿壓力上升至設(shè)計(jì)終壓的80%時(shí),將注漿流量調(diào)整至初始注漿流量的60%,持續(xù)注入,壓力逐漸上升。

3)當(dāng)注漿壓力上升至設(shè)計(jì)終壓的90%時(shí),將注漿流量調(diào)整至初始注漿流量的40%,持續(xù)注入,壓力逐漸上升。

4)當(dāng)注漿壓力上升至設(shè)計(jì)終壓時(shí),注漿泵停止工作,注漿完成。

注漿梯次設(shè)計(jì)可以根據(jù)實(shí)際情況選擇梯次次數(shù)。通過(guò)以上注漿壓力控制原理編制PLC控制邏輯關(guān)系,使注漿填充飽滿(mǎn),保證注漿質(zhì)量。

2.3 雙液漿注入智能調(diào)節(jié)

雙液漿中水玻璃的摻量會(huì)影響雙液漿的初凝時(shí)間,隨著水玻璃摻量的增加,雙液漿的膠凝時(shí)間增長(zhǎng),漿液流動(dòng)性變好,漿液凝結(jié)強(qiáng)度先增加后減小[14]。故雙液注漿配比的精準(zhǔn)度直接影響漿液的性能。

該智能雙液注漿泵最大的特點(diǎn)在于雙液注漿配比可以任意調(diào)節(jié),設(shè)定注漿終止壓力、流量及雙液漿配比后,系統(tǒng)根據(jù)本文所述流量調(diào)節(jié)方式啟動(dòng)A液系統(tǒng)注漿,迅速達(dá)到設(shè)定流量; 同時(shí),B液系統(tǒng)采用跟隨注漿,即對(duì)A液注漿流量信號(hào)采集后處理,按照所設(shè)定的配比注漿,且數(shù)值隨著A液流量的改變而改變,始終保持設(shè)定配比注入,從啟動(dòng)到所指定的配比時(shí)間一般為10～25 s,能保證雙液注漿質(zhì)量。

2.4 其他技術(shù)性能

1)注漿程序編程可以本機(jī)控制,也可以遠(yuǎn)程控制。

2)注漿流量、壓力、注漿量等參數(shù)及泵的運(yùn)行情況,可以通過(guò)遠(yuǎn)程移動(dòng)設(shè)備app顯示和監(jiān)控。

3)對(duì)設(shè)備運(yùn)行狀態(tài)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差時(shí)及時(shí)報(bào)警并提供解決方案,縮短設(shè)備維護(hù)時(shí)間。注漿過(guò)程中出現(xiàn)泄漏、堵管、超壓注漿等現(xiàn)象時(shí),能自動(dòng)發(fā)出警報(bào),提供解決方案。

3 試驗(yàn)測(cè)試及效果

3.1 試驗(yàn)平臺(tái)搭建

根據(jù)試驗(yàn)要求搭建了試驗(yàn)平臺(tái),如圖11所示。

圖11 ZYB100/4T注漿泵檢測(cè)試驗(yàn)平臺(tái)Fig. 11 Detection test platform of ZYB100/4T grouting pump

注漿試驗(yàn)的目的是測(cè)試流量精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性及程序功能等。

通過(guò)外置注漿泵檢測(cè)管路中的電磁流量計(jì),校核其流量顯示的精準(zhǔn)度和流量穩(wěn)定性; 通過(guò)混合器外連接加壓裝置,驗(yàn)證負(fù)載下流量的穩(wěn)定性和速率梯次程序設(shè)計(jì)的可行性。

加壓裝置(如圖12所示)為錐閥,結(jié)構(gòu)與直動(dòng)式溢流閥相似,通過(guò)螺紋來(lái)調(diào)節(jié)閘門(mén)開(kāi)度,改變管路中的壓力,模擬地層中注漿間隙變小的過(guò)程,同時(shí)伴隨著壓力升高,達(dá)到加壓的目的。

圖12 加壓裝置Fig. 12 Pressurizing device

外置注漿泵檢測(cè)管路中的電磁流量計(jì)(見(jiàn)圖13)直接監(jiān)測(cè)注漿管中漿液的流量,并與系統(tǒng)中顯示的流量對(duì)比,以驗(yàn)證顯示數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

圖13 電磁流量計(jì)Fig. 13 Flow monitoring device

泵出口位置接2根DN25 mm高壓軟管,連接在流量監(jiān)測(cè)裝置上,再通過(guò)2根相同管線(xiàn)連接在混合器(如圖14所示)上,混合器前方管線(xiàn)連接加壓裝置。

3.2 注漿泵性能檢測(cè)試驗(yàn)

3.2.1 試驗(yàn)方法

根據(jù)盾構(gòu)隧道管片注漿常用的A液注漿終止壓力1 MPa,設(shè)置A、B液配比(即流量比)為2∶1,設(shè)定完成后進(jìn)行注漿測(cè)試。

注漿測(cè)試介質(zhì)采用42.5普通硅酸鹽水泥,按照水灰比1∶1調(diào)制,水玻璃波美度為36 °Bé。

啟動(dòng)電源后選定注漿模式為“自動(dòng)”,然后選擇限壓注漿模式,點(diǎn)擊注漿開(kāi)始測(cè)試。

進(jìn)行3種檢驗(yàn)性試驗(yàn): 注漿流量穩(wěn)定性和雙液配比精準(zhǔn)度試驗(yàn)、顯示流量與實(shí)際流量誤差對(duì)比試驗(yàn)、梯次注漿程序功能性試驗(yàn)。

1)注漿流量穩(wěn)定性和雙液配比精準(zhǔn)度試驗(yàn),將A液注漿流量設(shè)置為60 L/min,按照上述參數(shù)調(diào)制好注漿材料后開(kāi)始注漿,然后通過(guò)調(diào)節(jié)加壓裝置將注漿壓力穩(wěn)定在0.5 MPa,持續(xù)注漿8 min后停止,監(jiān)測(cè)其參數(shù)穩(wěn)定性和配比精準(zhǔn)度。

2)顯示流量與實(shí)際流量誤差對(duì)比試驗(yàn),將A液注漿流量設(shè)置為45 L/min,持續(xù)注漿15 min后停止,采集相關(guān)流量數(shù)據(jù),通過(guò)液壓油流量推算出排漿量(即顯示流量),并與電磁流量計(jì)直接監(jiān)測(cè)到的數(shù)據(jù)對(duì)比。

3)梯次注漿程序功能性試驗(yàn),按照試驗(yàn)1)中的參數(shù)調(diào)制好注漿材料后開(kāi)始注漿,持續(xù)通過(guò)加壓裝置提升注漿壓力,檢測(cè)能否實(shí)現(xiàn)梯次注漿。

3.2.2 注漿試驗(yàn)結(jié)果分析

注漿流量穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果如圖15所示。從圖中可以看出: A液注漿流量在25 s左右穩(wěn)定在60 L/min,B液注漿流量在10 s左右穩(wěn)定在30 L/min,其雙液配比始終保持為2∶1; 隨后A、B液注漿流量波動(dòng)大致相同,配比誤差控制在10%以?xún)?nèi),且加壓后對(duì)其注漿流量基本無(wú)影響,能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定配比注漿。

圖15 注漿流量穩(wěn)定性試驗(yàn)結(jié)果Fig. 15 Grouting stability test data

ZYB100/4T注漿泵界面顯示數(shù)據(jù)是通過(guò)液壓系統(tǒng)流量計(jì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)理論推算得到的注漿流量,根據(jù)1.3.3節(jié)可知,其誤差主要在于系統(tǒng)容積效率,故本次試驗(yàn)得出的理論值與實(shí)際值基本一致(如圖16所示),說(shuō)明計(jì)算中容積效率取值有效,設(shè)備數(shù)據(jù)采集真實(shí)有效,同時(shí)根據(jù)顯示數(shù)據(jù)去執(zhí)行相關(guān)程序能達(dá)到實(shí)際的效果。

圖16 注漿流量準(zhǔn)確性試驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig. 16 Curve of grouting flow accuracy test data

梯次注漿程序功能性試驗(yàn)結(jié)果如圖17所示。從圖中可以看出: 注漿壓力達(dá)到程序設(shè)定壓力后,流量自動(dòng)降低,壓力也隨之降低;再次加壓,達(dá)到設(shè)定壓力后流量自動(dòng)降低,依次成梯次實(shí)現(xiàn)其功能。根據(jù)2.2節(jié)可知梯次注漿程序可以實(shí)現(xiàn)梯次注漿。

圖17 梯次注漿程序功能性試驗(yàn)結(jié)果Fig. 17 Functional test data curve of stepped grouting program

通過(guò)試驗(yàn)可以得出ZYB100/4T智能雙液注漿泵能實(shí)現(xiàn)流量的無(wú)極調(diào)節(jié)、配比精準(zhǔn)注入,且能實(shí)現(xiàn)梯次注漿和限壓注漿。

4 現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用及效果

ZYB100/4T智能雙液注漿泵從2022年3月試制成功后,分別于2022年7月和9月在福州地鐵濱?？炀€(xiàn)3標(biāo)2工區(qū)2臺(tái)盾構(gòu)更換盾尾刷時(shí),盾尾刷后部止水環(huán)施工中得到應(yīng)用。止水環(huán)施工采用雙液漿作為主要材料。

本次更換盾尾刷所在地層為〈2-4-5〉(含泥)粉細(xì)砂、〈2-4-2〉粉質(zhì)黏土層,地層富水,止水環(huán)施工難度大。

左右線(xiàn)隧道更換盾尾刷時(shí),均需對(duì)增設(shè)注漿孔的4環(huán)管片進(jìn)行注漿封堵,每環(huán)19個(gè)注漿孔,采用材料相同,注漿工藝相同。右線(xiàn)采用ZBSB-148礦用雙液注漿泵,左線(xiàn)采用ZYB100/4T智能雙液注漿泵。

根據(jù)左右線(xiàn)注漿前后錯(cuò)臺(tái)和破損統(tǒng)計(jì)可知,左線(xiàn)注漿區(qū)域管片錯(cuò)臺(tái)和破損明顯減少。說(shuō)明采用智能雙液注漿泵的限壓注漿控制,能有效減少注漿過(guò)程中管片結(jié)構(gòu)的損壞。

注漿效果檢查為所有注漿孔采用1.2 m鉆桿(超過(guò)同步注漿層0.5 m)進(jìn)行鉆孔檢測(cè),觀(guān)察滲漏水情況,若有滲漏,需繼續(xù)注漿止水。右線(xiàn)共進(jìn)行了3次注漿,環(huán)號(hào)為116—119;左線(xiàn)均在一次注漿完成后檢測(cè)合格,環(huán)號(hào)為201—204。由此可以看出,采用傳統(tǒng)注漿泵在富水砂層中注漿易出現(xiàn)重復(fù)注漿的現(xiàn)象;而采用智能雙液注漿泵一次注漿完成,提高了止水環(huán)施作的效率。

對(duì)左、右線(xiàn)注漿材料消耗量進(jìn)行統(tǒng)計(jì),結(jié)果如表2所示。左線(xiàn)材料消耗量明顯小于右線(xiàn)材料消耗量,說(shuō)明智能雙液注漿泵精確控制了雙液注漿材料配比,提高了材料的利用率。

表2 左、右線(xiàn)注漿材料消耗量Table 2 Left and right line grouting material consumption

采用智能雙液注漿泵后注漿效率、注漿質(zhì)量、材料利用率均得到了改善,注漿壓力限定在0.8 MPa左右,流量控制在40 L/min以?xún)?nèi)。開(kāi)孔檢查注漿效果,滿(mǎn)足富水砂層更換盾尾刷的要求。

5 結(jié)論與討論

1)ZYB100/4T智能雙液注漿泵采用PLC控制電磁換向閥,對(duì)雙聯(lián)齒輪泵選擇性使用,可以實(shí)現(xiàn)對(duì)驅(qū)動(dòng)油缸速度的穩(wěn)定控制。通過(guò)推導(dǎo)出電機(jī)頻率和注漿流量的關(guān)系,設(shè)置程序快速達(dá)到指定流量值附近; 然后通過(guò)液壓系統(tǒng)中渦輪流量計(jì)反饋的信號(hào)微調(diào)電機(jī)頻率,使其達(dá)到指定流量和配比,實(shí)現(xiàn)雙液注漿配比精確控制,同時(shí)縮短達(dá)到指定配比的時(shí)間。

2)ZYB100/4T智能雙液注漿泵通過(guò)平膜式壓力傳感器和電磁式流量傳感器精準(zhǔn)監(jiān)測(cè)注漿參數(shù),保證注漿參數(shù)的準(zhǔn)確性,同時(shí)通過(guò)PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)梯次注漿,簡(jiǎn)化注漿工藝。

3)ZYB100/4T智能雙液注漿泵具備注漿數(shù)據(jù)采集和存儲(chǔ)功能,可形成注漿數(shù)據(jù)庫(kù),為后續(xù)不同地層、不同深度注漿參數(shù)的設(shè)定提供參考。

4)ZYB100/4T智能雙液注漿泵參數(shù)設(shè)定完成后,后續(xù)注漿只需“一鍵”完成自動(dòng)啟停,自動(dòng)進(jìn)行梯次注漿,保證雙液注漿質(zhì)量。

5)若雙液注漿流量數(shù)據(jù)采集來(lái)源于漿液管路中的流量計(jì)則會(huì)更加真實(shí)準(zhǔn)確,但設(shè)備調(diào)節(jié)穩(wěn)定性會(huì)變差,調(diào)節(jié)周期會(huì)變長(zhǎng),該問(wèn)題需后續(xù)進(jìn)行研究解決。