盾构同步注浆泵原理及应用分析

2014-01-31陈良武詹晨菲

建筑机械化 2014年5期

陈良武，李光，朱英，詹晨菲

（中铁工程装备集团有限公司，河南郑州 450016）

在隧道施工中，随着盾构的不断掘进，由于盾尾的抽出管片与洞壁之间会出现空隙，如不及时填充可能发生地表沉降等问题[1]，因此需要对管片外侧与洞壁之间的环形空间进行注浆填充，用混凝土提供相应压力支持上方土体，确保管片衬砌的早期稳定性和间隙的密封性，从而有效地解决盾构掘进过程中引起地面沉降和结构漏水等问题，注浆原理如图1所示。目前国内盾构使用的同步注浆泵全是国外进口产品，采购周期较长，而且现场使用出现问题时不能及时进行维修或者更换零部件，影响施工进度。本文以施维英同步注浆泵为例，对同步注浆泵的构造及控制原理进行分析，对现场使用及维修经验进行总结。

图1 同步注浆原理

1 同步注浆泵主要参数分析

施工中需根据实际地质条件决定注浆压力、注浆量、注浆速度等参数，以对注浆泵进行手动控制或者自动控制。自动控制时由上位机设定最大及最小注入压力，当注浆压力达到最大设定压力时注浆泵将停止注浆，随着盾构的继续掘进，当浆液流动使注浆压力小于最低注入压力时注浆泵再次启动进行注浆。

1.1 注浆压力

注浆压力是衡量浆液填充情况的重要参数之一，压力过大可能损坏管片，过小又不易注入浆液，因此需综合考虑地质、管片强度、设备性能、浆液性质、开挖仓压力等情况确定出既能完全充填盾尾空隙又安全的最佳注浆压力值。注浆泵出口压力与注浆管末端盾尾间隙处地层压力、浆液流经管路的沿程压力损失、流经阀门和变径管等的局部压力损失有关[2]，可用下式计算

式中Pp——泵出口处压力；

Pe——盾尾间隙处地层压力；

ΔP1——管路的沿程压力损失，

ΔP2——局部压力损失，ΔP2=ξρv2/2。

λ——沿程阻力系数；

l——圆管的沿程长度，m；

d——圆管内径，m；

v——管内平均速度，m/s；

ρ——砂浆密度，kg/m3；

ξ——局部阻力系数。

注浆泵出口压力值随注浆管长度的增加而增加，注浆泵在空间允许时应尽可能放在接近盾尾处，减少压力损失。采用同步注浆时注浆压力应保持在适当范围内，不应有大幅波动,并要求地层中的浆液压力大于该点的静止水压及土压力之和。在每条注浆管线靠近盾尾注入点处都安装有土压传感器，实时反馈和控制注浆压力，从而控制注浆量。

1.2 注浆量

理论上同步注浆量是填充切削土体与管片间隙所需的浆液量，并根据地质、线路及掘进方式等因素考虑适当的饱满系数，以达到填充密实。注浆量Q按下式计算

式中V——理论空隙量，m3；

α——注入率，实际注浆量根据地质和施工损耗等情况选取相应的注入率[3]，α=α1+α2+α3+α4;

α1——压密系数；

α2——土质系数；

α3——施工损耗系数；

α4——超挖系数。

每环理论注浆量

式中D1——开挖直径，m；

D2——管片外径，m；

L——管片长度，m。

注浆量也可由注浆泵上脉冲计数器的显示数据来推算，以注浆泵输送缸的容积修正量及单位时间内的泵送次数计算出单位时间的注浆量[4]

式中n——泵送次数；

vm——修正后的输送缸容积，m3。

施工中达到设定的注浆量，也只能保证盾尾空隙理论上的填充饱满，实际的填充情况则取决于注浆压力。另外，注浆量也可根据注浆前后砂浆罐的容量之差来确定。

1.3 注浆速度

注浆速度应与盾构的掘进速度相适应，过快可能导致堵管，过慢则会导致地层的坍塌或使管片受力不均，产生偏压。

式中Q——壁后注浆量；

T——每环推进时间。

式中v——盾构推进速度。

由式5、式6得出

为满足盾构最大推进速度时的同步注浆要求，浆液注入速度必须满足

2 同步注浆泵结构

同步注浆泵为双管活塞出料，通过提升阀控制进、排浆口开闭，如图2所示[5]。

图2 同步注浆泵结构图

同步注浆泵由注浆主油缸、清洗水箱、输送缸、进出料提升阀和活塞等元件组成。泵出料时，注浆输送缸活塞由主油缸伸出推动，混凝土在压力作用下通过排浆口压入输送管道送至盾尾环形间隙，此时吸料提升阀关闭，出料提升阀打开。主油缸达到最大行程后，系统自动切换到泵吸料状态，此时吸料提升阀打开，出料提升阀关闭，注浆主油缸带动活塞回缩，混凝土在自重和吸力共同作用下被吸入输送缸，完成吸浆过程。输送缸在液压缸的往复驱动下，交替进行吸浆和排浆，实现混凝土的连续泵送。

3 同步注浆泵现场常见问题处理

操作人员应经常对注浆设备进行彻底的清理、检查，要保持注浆管路畅通、压力显示系统准确无误，对发现的问题及时处理，确保注浆泵正常工作，注浆泵常见故障如下。

1）吸料提升阀油缸不动作注浆完毕未及时清洗注浆泵，泵内浆液硬化，造成活塞被卡。处理方法，拆除吸料提升阀缸液压管路，利用千斤顶顶起活塞，清除硬化泥浆。

2）无注浆压力显示注浆管路未及时清理硬化后堵塞，浆液到不了注浆压力传感器所在位置，应将注浆管路清理畅通。

3）注浆泵工作一段时间后换向冲击变大换向时液压冲击大，由于节流阀松紧螺母未拧紧，注浆泵工作时振动等原因使节流阀开口不断变大，将节流阀开口度调节到换向冲击合适时，拧紧松紧螺母。

4）注浆脉冲次数显示不正常注浆时某一路注浆次数为其它组2倍或无显示，脉冲接近开关安装位置超前，活塞经过时接近开关感应两次，从而脉冲计数加倍，将脉冲计数接近开关调整至脉冲计数显示正确的合适位置；接近开关探头伸出太短以致检测不到活塞动作时脉冲次数不显示，应当调整探头伸出长度。

5）注浆压力上不去注浆动作正常但注浆压力上不去，由于注浆泵出料提升阀、吸料提升阀磨损，致使它们靠锥面的密封不严密，泵送时浆液从吸料提升阀处向吸料管泄漏，吸料时浆液由注浆泵出口浆液输送管通过出料提升阀处向吸料铸件腔泄漏，浆液泄漏造成泵送时压力上不去，或者泵送后的压力下降。此时，需要更换提升阀。

对于注浆泵出现的其他问题也应通过分析解决，并且注浆时浆液要从管片的对称位置注入，防止产生偏压使管片发生错台或损坏；注浆过程中要密切关注管片的变形情况，若发现管片有破损、错台、上浮等现象应立即停止注浆；当注浆量突然增大时应检查是否发生了泄漏或注入掌子面的现象，若发生前述现象应停止注浆，妥善处理后再继续注入。