同步雙液注漿控制系統(tǒng)在盾構(gòu)施工中的應用

程益君

（中國鐵建重工集團股份有限公司，湖南長沙 410100）

0 引言

隨著國家對鐵路和地鐵的大力建設，盾構(gòu)機己成為隧道挖掘過程中不可缺少的工具，盾構(gòu)機是融合機械、電氣、液壓、傳感器、信息等多項技術(shù)于一身的專用隧道掘進機械。在盾構(gòu)機復雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，注漿系統(tǒng)是其中不可缺少的一部分。同步注漿是從安裝在盾構(gòu)機上的注漿管直接注入盾尾間隙的方法，與盾構(gòu)掘進同時進行，是通過同步注漿系統(tǒng)及盾尾的注漿管，在盾構(gòu)向前推進盾尾空隙行程的同時進行，漿液在盾尾空隙形成的瞬間及時起到填充作用，使周圍巖體獲得及時的支撐，可有效防止巖體的坍塌，控制地表的沉降[1]。雙液同步注漿是指同步注漿時，為了克服單液注漿凝固時間較長的缺陷，在A 液中添加B 液，加速A 液的凝固，從而縮短A 液的凝固時間，快速控制地表沉降，能夠較好的保持地層的穩(wěn)定性，抑制施工過程中引起的過大變形，確保地面和周邊建筑物沉降在安全范圍內(nèi)，在特殊地質(zhì)和小曲線、下穿結(jié)構(gòu)及建筑物盾構(gòu)區(qū)間施工中具有推廣意義[2]。以某公司生產(chǎn)的DZ666 泥水平衡盾構(gòu)機同步配置的雙液注漿系統(tǒng)為例進行控制方式方面的詳細介紹。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

同步雙液注漿單路的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)組成如圖1 所示，根據(jù)盾構(gòu)機的需求配置相應注入路數(shù)。系統(tǒng)主要由A 液泵、B 液泵、沖洗泵、氣動閥、傳感器、盾體混合注漿管等構(gòu)成。注漿時A、B 液通過A、B 液螺桿泵根據(jù)施工需求按照一定的流量比例通過控制相應閥的開關(guān)注入盾體內(nèi)的混合注漿管內(nèi)，在混合注漿管內(nèi)充分混合后注入盾尾空隙。沖洗泵為系統(tǒng)提供清水，通過控制相應閥的開關(guān)完成管路的清洗。

圖1 同步雙液注漿單路結(jié)構(gòu)

A、B 液管路上安裝有相應的流量計，實時顯示實際流量并根據(jù)流量精確統(tǒng)計注漿量。管路安裝的各種壓力傳感器可保護整個系統(tǒng)防止壓力超限損壞設備，也可控制每路的注漿壓力，滿足不同注漿口的壓力控制需求。盾體機內(nèi)混合注漿管是整套雙液自動注漿的關(guān)鍵部件，通過控制活塞桿來實現(xiàn)沖洗和注漿模式的切換，活塞桿縮回狀態(tài)下，清洗管路與A 液管路相通來實現(xiàn)清洗功能，活塞桿伸出狀態(tài)下A 液管路與注入口相通來實現(xiàn)注漿功能。

2 電氣控制系統(tǒng)組成

同步雙液注漿作為一個獨立的控制單元，動力電采用三相AC 400 V 電源進行供電，為A、B 液螺桿泵電機以及沖洗泵等提供電源。為了精確控制A、B 液的流量，采用ABB 變頻器來控制A、B 液螺桿泵的速度?？刂齐姴捎每刂谱儔浩鲗⒉糠諥C 400 V 變?yōu)锳C 230 V，供接觸器、柜內(nèi)散熱風扇等使用。由開關(guān)電源提供DC 24 V 控制電源，供PLC 及各傳感器及控制繼電器等使用。

同步注漿系統(tǒng)采用西門子ET 200SP 子站與主站CPU S7-1516 通信，完成外部壓力、流量等傳感器信息采集，電機及各執(zhí)行機構(gòu)等的控制。本地操作箱安裝有工業(yè)觸摸屏，操作人員在此操作同步注漿系統(tǒng)?？刂剖业纳衔粰C的雙液注漿頁面同步顯示并保存記錄各種數(shù)據(jù)，盾構(gòu)司機可以通過此頁面了解同步雙液注漿的詳細情況，可通過控制室配置的喊話器向注漿操作手下達指令等。電氣系統(tǒng)主要組成框圖如圖2 所示。

圖2 電氣系統(tǒng)主要組成

3 電氣控制系統(tǒng)設計

根據(jù)同步雙液注漿的結(jié)構(gòu)原理和客戶的需求，分析其控制系統(tǒng)主要有以下控制要求：

（1）注漿手動現(xiàn)場操作，盾構(gòu)司機可實時監(jiān)控、了解信息。系統(tǒng)能實時統(tǒng)計各點位注漿量，操作界面需實時顯示注漿總量與注漿理論量的偏差，方便注漿手動隨時調(diào)整注漿參數(shù)。

（2）系統(tǒng)能精確控制各個注漿點位的注漿壓力和注漿量，以注漿壓力控制為主，注漿量控制為輔。能滿足各種施工情況下的控制需求，各注漿點位壓力單獨可控、互不干涉。

（3）由于A、B 液混合后初凝時間短，注漿完畢后，為防止管路及盾體內(nèi)混合器堵塞，需立即對A 液管路和混合注漿管進行沖洗，保證沖洗效果。

針對以上分析的控制要求，現(xiàn)場操作箱配置操作方便的工業(yè)觸摸屏，程序設計手動、半自動、自動注漿控制模式和自動清洗模式。

3.1 控制界面設計

系統(tǒng)觸摸屏選用西門子12 英寸工業(yè)觸摸屏，實現(xiàn)系統(tǒng)與PLC 的數(shù)據(jù)交換。主要控制界面如圖3 所示，觸摸屏操作界面分為控制、參數(shù)設置、半自動模擬表格、注漿量統(tǒng)計、報警等界面，控制界面可控制同步雙液注漿每路的啟動和停止等，參數(shù)設置區(qū)域可對系統(tǒng)運行時的各控制參數(shù)（如限制壓力、注入率等）進行設置，統(tǒng)計界面顯示開挖面的各點傳感器壓力，且實時顯示各注漿點位的實際注漿量、注漿總量與理論注漿量的偏差，方便注漿操作人員及時調(diào)整注漿參數(shù)。操作人員可在模擬表格內(nèi)設置各通道A、B 液的速度、比例等參數(shù)，模擬手動或者半自動情況下各路的A、B 液總流量及配比情況，方便操作人員根據(jù)施工要求分配各注漿點位的注漿量，合理設置對應的參數(shù)。報警界面顯示各種報警信息，方便維護人員在發(fā)生故障時快速找到故障點并排除。

圖3 觸摸屏主要界面

3.2 手動控制模式控制設計

選擇手動控制模式時，各閥及泵可以在觸摸屏通過點擊相應的控制按鈕手動控制其打開或關(guān)閉。由于手動模式來完成注漿需要操作的閥、泵等元件較多，正常情況一般不使用此模式來進行注漿，此模式可用于檢修、管路泄壓、漿罐管路清洗、廢漿排出或者長時間停機前注入膨潤土防止盾尾包裹等情況。

3.3 半自動控制模式控制設計

半自動控制模式A 液泵速度根據(jù)注漿操作人員設置，B 液速度根據(jù)A 液與B 液比例參數(shù)自動實時根據(jù)A 液的實際流量調(diào)整，當注漿壓力達到設置的最大壓力時，系統(tǒng)自動停止注漿。A、B 液出口壓力傳感器用于保護A、B 液泵，當A、B 液泵出口壓力超過設置的最大壓力時，停止注漿，防止壓力過大損傷泵的結(jié)構(gòu)。由于A、B 液的初凝時間短，為防止盾體內(nèi)混合注漿管堵塞，B 液泵需延時啟動，A 液泵需延時停止。每一路設置一鍵啟動按鈕，啟動過程為打開A 閥、G 閥，盾體內(nèi)注漿混合管活塞打開，檢測開到位后，啟動A 液泵，A 液流量達到一定值時，設置的B 液啟動延時時間后，開啟B 閥，檢測開到位后，啟動B 液泵。注漿完成后，點擊觸摸屏停止按鈕，B 液泵停止，B 閥關(guān)閉到位后，設置的A 液泵停止延時時間后，A 液泵停止，A 閥、G 閥、注漿混合管活塞關(guān)閉，D 閥自動打開2 s，卸去B 液管路的壓力。半自動模式下操作人員既能實時掌控注漿速度，又最大化地節(jié)省了操作步驟，是有經(jīng)驗的操作人員的首選操作模式。

3.4 自動控制模式控制設計

自動控制模式的控制流程如圖4 所示，此模式需要設置所有的參數(shù)。自動模式下每路的流量根據(jù)以下公式計算：

圖4 自動模式控制流程

單路A 液流量目標值：

單路B 液流量目標值：

其中，D 為刀盤開挖直徑，d 為管片外徑，α 為單路的注入比例，β 為注入率，v 為掘進機推進速度，p 為配比。

控制程序中采用PID 塊來調(diào)節(jié)A、B 液螺桿泵電機的速度，使A、B 液的流量匹配當前流量目標值。流量目標值計算公式中v 的取值根據(jù)速度控制模式中的設置，可以選擇固定速度或者跟隨掘進機當前掘進速度。開啟重啟模式后，當注漿壓力由于超過最大壓力暫時停止注漿后此路進入等待模式，系統(tǒng)在盾構(gòu)機掘進行程達到重啟行程設置的參數(shù)后，此路又重新開始注漿。注漿的啟動和停止過程和半自動模式相同，A 液停止時會延時關(guān)閉，B 液啟動時會延時開啟。

自動模式下參數(shù)的設置比較關(guān)鍵，比如每路注漿壓力的設置一般略大于該地層的靜止水土壓力，在實際的掘進過程中不斷優(yōu)化，注漿壓力過大會導致地面隆起和管片變形，過小則漿液填充速度趕不上空隙行程速度，引起地面沉降[3]。

3.5 自動沖洗模式控制設計

為防止管道內(nèi)殘存的A 液長時間凝固堵塞管路，每一路注漿完成后必須馬上進行沖洗。實驗證實分多次沖洗效果最好，參數(shù)設置界面可以設置沖洗的次數(shù)和時間，可根據(jù)沖洗水出口水的渾濁程度判斷實際沖洗效果，根據(jù)效果來修正參數(shù)。操作界面點擊啟動沖洗，程序自動完成整個沖洗過程。自動沖洗模式控制流程如圖5 所示。

圖5 自動沖洗模式控制流程

4 應用實例

同步雙液注漿系統(tǒng)控制方式已經(jīng)在DZ666 項目上使用，目前此臺盾構(gòu)機已完成掘進1400 多環(huán)，實現(xiàn)了自動化程度較高的同步雙液注漿功能。盾構(gòu)已成功下穿多個風險區(qū)段，地表沉降控制精度高，隧道成型后工程局使用測量注漿飽儀器檢測注漿的實際填充效果，結(jié)果表明注漿飽和度在可控范圍內(nèi)。實際注入量通過A、B流量計累積計算，理論注入量可由式（3）計算：

其中，D 其為刀盤開挖直徑，d 為管片外徑，L 為的當前環(huán)掘進量，β 為注入率。表1 是調(diào)取5 環(huán)注漿完成后統(tǒng)計的注漿實際與理論的差值，實際注漿量與理論注漿量差值保持在5%～10%，表明注漿效果較好。

表1 注漿差量統(tǒng)計

5 結(jié)束語

同步雙液注漿控制系統(tǒng)在DZ666項目成功應用，系統(tǒng)運行穩(wěn)定可靠，圖形化的控制界面給操作帶來極大的方便，實現(xiàn)了沉降控制精度高、注漿填充飽滿的控制效果，對系統(tǒng)以后的優(yōu)化升級和推廣應用具有較高的參考價值。系統(tǒng)也可以作為一個獨立的單元，應用于對地層沉降控制精度要求較高的區(qū)間盾構(gòu)改造使用。隨著同步雙液注漿技術(shù)在國內(nèi)的發(fā)展和推廣，同步雙液注漿的控制技術(shù)定會越來越成熟。