盾構(gòu)機(jī)雙液同步注漿系統(tǒng)概述

高丙歡 楊 云

（濟(jì)南重工股份有限公司，濟(jì)南 250109）

盾構(gòu)機(jī)是一種隧道掘進(jìn)的專(zhuān)用工程機(jī)械，一般情況下，刀盤(pán)開(kāi)挖直徑大于盾體各部件殼體外徑，而管片拼裝是在尾盾內(nèi)部完成的。隨著盾構(gòu)機(jī)的不斷推進(jìn)，當(dāng)尾盾脫離管片后，管片外徑與隧道地層之間會(huì)存在一定距離的空隙，為防止地面沉降、隧道扭曲、管片錯(cuò)臺(tái)等危害的發(fā)生，必須及時(shí)消除該空隙。盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)正是為了消除這一隱患而發(fā)明的，在拼裝管片的同時(shí)，通過(guò)開(kāi)啟注漿泵施加壓力使得漿液通過(guò)注漿管路輸送到尾盾殼體內(nèi)部的注漿通道內(nèi)，進(jìn)而注入到已經(jīng)固定好的管片外側(cè)，填充管片與隧道地層之間的空隙，起到保護(hù)的作用。另外，為了防止同步注漿填充不均，漿液凝固后存在孔洞等缺陷，在管片上預(yù)留注漿口進(jìn)行二次注漿，進(jìn)一步消除漿液填充不均的潛在危險(xiǎn)。

1 注漿系統(tǒng)的分類(lèi)及特點(diǎn)

依據(jù)注漿形式，傳統(tǒng)的盾構(gòu)機(jī)注漿系統(tǒng)一般可以分為三類(lèi)：同步注漿、及時(shí)注漿和二次注漿，其中同步注漿又包括單液同步注漿和雙液同步注漿兩種類(lèi)型。一般情況下，單液同步注漿和及時(shí)注漿能夠基本滿(mǎn)足普通注漿的需要，然而不同的地形以及各種復(fù)雜的地質(zhì)對(duì)注漿系統(tǒng)有了更多功能性的要求，因而出現(xiàn)了二次注漿和雙液同步注漿兩種新型注漿方式。

1.1 單液同步注漿

此種方法可使周?chē)鷰r體獲得及時(shí)支撐，有效地防止巖體的坍陷，控制地表的沉降，確保施工環(huán)境安全。作為第一道襯砌防水防線(xiàn)，單液同步注漿能夠使各種外力作用均勻，提高隧道管片三維位置的穩(wěn)定性，為隧道提高長(zhǎng)期穩(wěn)定均質(zhì)的防水功能，延長(zhǎng)隧道的使用壽命，是目前最主要應(yīng)用最為廣泛的注漿方式。但為了防止管路堵塞，通常漿液調(diào)配比例相對(duì)較稀，因而漿液凝固時(shí)間比較長(zhǎng)、凝固后體積收縮較大，會(huì)產(chǎn)生拱部空洞，增加掘進(jìn)風(fēng)險(xiǎn)，影響隧道質(zhì)量[2]。

1.2 雙液同步注漿

雙液同步注漿是指同步注漿時(shí)，為了克服單液同步注漿凝固時(shí)間較長(zhǎng)的缺陷，在A液中添加B液，加速A液的凝固，從而縮短A液的凝固時(shí)間，更加有效地防止巖體塌陷，快速控制地表沉降。其中，A液主要由水泥砂漿等攪拌而成，B液主要成分為水玻璃。

圖1 單液同步注漿結(jié)構(gòu)

A、B液混合方式分為三種：一是在進(jìn)入尾盾注漿管前通過(guò)管路混合之后同步注入盾尾注漿管，最終流入管片與隧道的空隙中。優(yōu)點(diǎn)是A、B液混合最為充分；缺點(diǎn)是混合液在管路中流程較長(zhǎng)，容易造成管路堵塞。二是在A液進(jìn)入尾盾注漿管之后，B液注入A液中進(jìn)行混合，最終在盾構(gòu)機(jī)向前推進(jìn)時(shí)尾盾后端管片與巖土形成空隙的同時(shí)注入混合液。優(yōu)點(diǎn)是混合較為充分，既可以實(shí)現(xiàn)A、B液一定程度的混合，還可以控制A、B混合液在管路中的流動(dòng)距離，防止混合液在管路中凝固；缺點(diǎn)是機(jī)械結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，制作成本較高。三是A液和B液分別同時(shí)注入尾盾后端，在管片與巖土形成空隙中混合，進(jìn)而形成混合液。優(yōu)點(diǎn)是可以完全避免A、B液在管路中發(fā)生凝固，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)；缺點(diǎn)是A、B液混合不充分，達(dá)不到預(yù)期的混合效果。

與單液相比，A、B液迅速反應(yīng)，混合漿液凝固時(shí)間大大縮短，從而最大程度地控制地表沉降的范圍，通常在地表沉降要求較高的軟土地層或富含水地層施工時(shí)采用雙液同步注漿。當(dāng)盾構(gòu)機(jī)選用雙液同步注漿前兩種混合方式時(shí)，為了防止注漿管路堵塞，需要新增相應(yīng)的沖洗管路，在注入混合液后增加管路清洗流程，提高掘進(jìn)效率。

1.3 及時(shí)注漿

及時(shí)注漿是通過(guò)管片上注漿孔將漿液注入到管片與隧道之間空隙的方法。當(dāng)?shù)刭|(zhì)條件比較穩(wěn)定時(shí)，掘金過(guò)程中地表沉降較小，此時(shí)經(jīng)常采用及時(shí)注漿的方式：每掘進(jìn)一環(huán)或幾環(huán)，當(dāng)管片存在一定的空隙時(shí)，它會(huì)對(duì)管片的間隙進(jìn)行及時(shí)注漿[3-4]。但由于這種注漿方式與掘進(jìn)過(guò)程不同步進(jìn)行，不能及時(shí)填充管片間隙，因而早期脫落的管片一直處于懸空的狀態(tài)，受力狀態(tài)比較差，容易發(fā)生錯(cuò)臺(tái)。

1.4 二次注漿

二次注漿是指在管片外壁與隧道間的空隙內(nèi)填充漿液，當(dāng)單液同步注漿效果不理想時(shí)，需要通過(guò)二次注漿進(jìn)行補(bǔ)充。作為一種主要的補(bǔ)充手段，二次注漿主要在需要糾偏、加固或抗?jié)B漏，堵截盾構(gòu)機(jī)后方的水源，減少?lài)娪堪l(fā)生的機(jī)會(huì)，保證盾構(gòu)機(jī)進(jìn)出站安全等情況下使用。

二次注漿既可選用單液漿也可選用雙液漿，多采用雙液漿。二次注漿效果受設(shè)備配置與作業(yè)平臺(tái)影響較大，其填充密實(shí)性差，致使地表沉降得不到有效控制。

2 新型雙液同步注漿系統(tǒng)

根據(jù)地質(zhì)條件特殊性，結(jié)合上述幾種注漿系統(tǒng)的特點(diǎn)以及實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題，筆者設(shè)計(jì)了一種新型雙液同步注漿系統(tǒng)。該系統(tǒng)不僅能夠?qū)崿F(xiàn)A、B液在管路中充分混合，還可以借助新增的管路沖洗功能有效防止混合液在管路中的凝固，避免管路堵塞。

本文以鄭州市某寫(xiě)字樓的沉降數(shù)據(jù)為例進(jìn)行建模分析，由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)較多，本試驗(yàn)僅選取A1監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)例中的觀測(cè)數(shù)據(jù)均為累計(jì)沉降值，為了更方便地進(jìn)行試驗(yàn)操作，選用了8 期數(shù)據(jù)，利用前7 期的沉降觀測(cè)值建立灰色預(yù)測(cè)模型來(lái)預(yù)測(cè)第8期的結(jié)果，最后分析比較預(yù)測(cè)結(jié)果，檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途取?/p>

2.1 雙液同步注漿機(jī)械結(jié)構(gòu)

所有注漿管均為內(nèi)嵌式，注漿管分布于盾構(gòu)機(jī)常用位置，共10組（其中4用6備），現(xiàn)將常用的4組進(jìn)行改造，每組均新增B液管路和水清洗通道，其中B液管路和水清洗通道均由低壓流體輸送鋼管內(nèi)置于殼體外側(cè)的槽中，并由相應(yīng)的蓋板堆焊密封，無(wú)縫鋼管兩端由45°彎管引入尾盾內(nèi)部，左側(cè)彎頭與流體系統(tǒng)對(duì)應(yīng)管路連接，右側(cè)彎頭通過(guò)與相應(yīng)尺寸的軟管、接頭、三通以及球閥連接到觀察窗上，從而實(shí)現(xiàn)A、B液的混合以及B液管路反清洗功能，具體結(jié)構(gòu)如圖2、圖3所示。

圖2 雙液同步注漿結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 B液管路（水清洗通道）示意圖

2.2 雙液同步注漿流體原理

新型雙液同步注漿系統(tǒng)流體原理如圖4所示，共可實(shí)現(xiàn)四項(xiàng)功能：?jiǎn)为?dú)注入A液；混合注入A液、B液；反沖洗B液管路；清除觀察窗內(nèi)殘留B液。具體實(shí)施過(guò)程如下。

（1）當(dāng)只需注入A液時(shí)，關(guān)閉圖4中所示球閥ZJV010，打開(kāi)球閥ZJV102和ZJP101，A液經(jīng)由砂漿泵及連接管路輸送至尾盾注漿管（A液通道）內(nèi)，最終流至隧道與管片之間的空隙中。

（2）當(dāng)注入A、B混合液時(shí)，打開(kāi)圖4中所示球閥ZJV102和ZJP101，氣動(dòng)球閥ZJV019、ZJV021，其余關(guān)閉，A液經(jīng)由砂漿泵及連接管路輸送至尾盾注漿管（A液通道）內(nèi)，B液經(jīng)由螺桿泵及連接管路輸送至尾盾B液管路中，在觀察窗處注入A液通道內(nèi)，實(shí)現(xiàn)A、B液混合，最終流至隧道與管片之間的空隙中，此時(shí)，單向閥可防止A液反向流入B液管路中。

（3）在注入A、B混合液后，需要對(duì)B液管路進(jìn)行反沖洗，打開(kāi)圖4中所示ZJV022、ZJV024氣動(dòng)球閥，其余關(guān)閉，此時(shí)水通道開(kāi)啟，反沖洗B液管路。

（4）當(dāng)清除觀察窗內(nèi)殘留B液時(shí)，打開(kāi)圖4中所示ZJV018、ZJV019氣動(dòng)球閥，其余關(guān)閉，此時(shí)向B液管道尾部通氣，清除觀察窗內(nèi)殘余B液。

需要注意的是，當(dāng)實(shí)現(xiàn)混合注入A液、B液以及清除觀察窗內(nèi)殘留B液功能時(shí)，需關(guān)閉A、B液泵。

2.3 雙液同步注漿電氣控制原理

2.3.1 A液部分控制原理

配置了一個(gè)帶攪拌功能的漿液罐和兩個(gè)雙出口注漿泵，其中攪拌器軸承有自動(dòng)潤(rùn)滑裝置，注漿泵采用液壓驅(qū)動(dòng)。在A液管路的注入端安裝了壓力傳感器用于檢測(cè)A液注漿壓力，可以通過(guò)控制液壓油流量來(lái)調(diào)整注漿動(dòng)作次數(shù)，從而調(diào)節(jié)泵送注漿量。

控制方式有手動(dòng)操作和自動(dòng)操作模式兩種。手動(dòng)操作時(shí)，單獨(dú)地選擇四個(gè)注入點(diǎn)，并通過(guò)控制板上的開(kāi)關(guān)啟動(dòng)該支路，注入量可以通過(guò)控制板上的電位器控制比例調(diào)速閥來(lái)實(shí)現(xiàn)。自動(dòng)操作模式時(shí)，四個(gè)注入點(diǎn)都通過(guò)壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測(cè)，如果注漿壓力小于最小靜壓力的設(shè)定值，開(kāi)始注漿；如果注漿壓力大于最大靜壓力的預(yù)設(shè)值，A液注漿停止。

A液注漿由就地控制箱或上位機(jī)進(jìn)行控制，控制位置在上位機(jī)進(jìn)行選擇。上位機(jī)和就地控制箱都可以顯示注漿壓力，上位機(jī)能夠統(tǒng)計(jì)環(huán)累計(jì)量、總累計(jì)量及各支路環(huán)累計(jì)量，就地控制箱只能顯示注入次數(shù)（可手動(dòng)復(fù)位）。

圖4 雙液同步注漿系統(tǒng)流體原理

2.3.2 B液部分控制原理

B液注漿也分為四路注入管路。配置了一個(gè)B液罐和4臺(tái)螺桿泵，螺桿泵驅(qū)動(dòng)電機(jī)功率1.5kW，由變頻器進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。每路注入管路上都安裝了壓力傳感器和流量傳感器，用來(lái)檢測(cè)B液注入壓力和注入流量。

由于盾構(gòu)機(jī)整機(jī)控制系統(tǒng)由中鐵裝備提供，未開(kāi)放控制權(quán)限，故B液控制系統(tǒng)單獨(dú)設(shè)計(jì)制造，不能兼容于原整機(jī)控制系統(tǒng)中。B液控制采用手動(dòng)控制，在就地操作箱進(jìn)行操作。操作時(shí)，單獨(dú)選擇注入支路，通過(guò)控制板上的電位器控制變頻器的輸出轉(zhuǎn)速，從而控制螺桿泵的轉(zhuǎn)速以實(shí)現(xiàn)注入流量的控制。當(dāng)B液注入壓力大于設(shè)定值或B液罐液位低時(shí)，相關(guān)支路的變頻器不允許啟動(dòng)。注入壓力及注入流量在控制板上顯示。另外，B液的轉(zhuǎn)運(yùn)泵采用氣動(dòng)隔膜泵，由操作人員手動(dòng)控制氣源手動(dòng)球閥進(jìn)行控制。

3 結(jié)語(yǔ)

在盾構(gòu)施工過(guò)程中，注漿系統(tǒng)是施工中的重要一環(huán)，對(duì)隧道的后期成型、地表的沉降控制起著重要的作用。單液同步注漿、雙液同步注漿、及時(shí)注漿、二次注漿各具特點(diǎn)，人們需要根據(jù)具體的施工情況來(lái)選擇相應(yīng)的注漿方式。新型雙液同步注漿系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)A、B液的均勻混合，并且混合液能夠在隧道中快速高效地凝固，有效防止地層塌陷等隱患的產(chǎn)生，同時(shí)具有原理清晰、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、易于實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。