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)的專用工程機(jī)械，一般情況下，刀盤開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存在一定距離的空隙，為防止地面沉降、隧道扭曲、管片錯臺等危害的發(fā)生，必須及時消除該空隙。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，通過開啟注漿泵施加壓力使得漿液通過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。

1 注漿系統(tǒng)的分類及特點

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：同步注漿、及時注漿和二次注漿，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型。一般情況下，單液同步注漿和及時注漿能夠基本滿足普通注漿的需要，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

此種方法可使周圍巖體獲得及時支撐，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，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，為隧道提高長期穩(wěn)定均質(zhì)的防水功能，延長隧道的使用壽命，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)配比例相對較稀，因而漿液凝固時間比較長、凝固后體積收縮較大，會產(chǎn)生拱部空洞，增加掘進(jìn)風(fēng)險，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，為了克服單液同步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，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)點是A、B液混合最為充分；缺點是混合液在管路中流程較長，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)時尾盾后端管片與巖土形成空隙的同時注入混合液。優(yōu)點是混合較為充分，既可以實現(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距離，防止混合液在管路中凝固；缺點是機(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)簡單，容易實現(xiàn)；缺點是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，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 及時注漿

及時注漿是通過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，掘金過程中地表沉降較小，此時經(jīng)常采用及時注漿的方式：每掘進(jìn)一環(huán)或幾環(huán)，當(dāng)管片存在一定的空隙時，它會對管片的間隙進(jìn)行及時注漿[3-4]。但由于這種注漿方式與掘進(jìn)過程不同步進(jìn)行，不能及時填充管片間隙，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)生錯臺。

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，需要通過二次注漿進(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，減少噴涌發(fā)生的機(jī)會，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)平臺影響較大，其填充密實性差，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)的特點以及實際應(yīng)用過程中出現(xiàn)的相關(guān)問題，筆者設(shè)計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。

本文以鄭州市某寫字樓的沉降數(shù)據(jù)為例進(jìn)行建模分析，由于監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)較多，本試驗僅選取A1監(jiān)測點的監(jiān)測數(shù)據(jù)作為試驗數(shù)據(jù)。實例中的觀測數(shù)據(jù)均為累計沉降值，為了更方便地進(jìn)行試驗操作，選用了8 期數(shù)據(jù)，利用前7 期的沉降觀測值建立灰色預(yù)測模型來預(yù)測第8期的結(jié)果，最后分析比較預(yù)測結(jié)果，檢驗?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)對應(yīng)管路連接，右側(cè)彎頭通過與相應(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，共可實現(xiàn)四項功能：單獨注入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。具體實施過程如下。

（1）當(dāng)只需注入A液時，關(guān)閉圖4中所示球閥ZJV010，打開球閥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，打開圖4中所示球閥ZJV102和ZJP101，氣動球閥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)，實現(xiàn)A、B液混合，最終流至隧道與管片之間的空隙中，此時，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B液管路進(jìn)行反沖洗，打開圖4中所示ZJV022、ZJV024氣動球閥，其余關(guān)閉，此時水通道開啟，反沖洗B液管路。

（4）當(dāng)清除觀察窗內(nèi)殘留B液時，打開圖4中所示ZJV018、ZJV019氣動球閥，其余關(guān)閉，此時向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，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

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

控制方式有手動操作和自動操作模式兩種。手動操作時，單獨地選擇四個注入點，并通過控制板上的開關(guān)啟動該支路，注入量可以通過控制板上的電位器控制比例調(diào)速閥來實現(xiàn)。自動操作模式時，四個注入點都通過壓力傳感器進(jìn)行監(jiān)測，如果注漿壓力小于最小靜壓力的設(shè)定值，開始注漿；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)計環(huán)累計量、總累計量及各支路環(huán)累計量，就地控制箱只能顯示注入次數(shù)（可手動復(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B液罐和4臺螺桿泵，螺桿泵驅(qū)動電機(jī)功率1.5kW，由變頻器進(jìn)行驅(qū)動。每路注入管路上都安裝了壓力傳感器和流量傳感器，用來檢測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，未開放控制權(quán)限，故B液控制系統(tǒng)單獨設(shè)計制造，不能兼容于原整機(jī)控制系統(tǒng)中。B液控制采用手動控制，在就地操作箱進(jìn)行操作。操作時，單獨選擇注入支路，通過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，相關(guān)支路的變頻器不允許啟動。注入壓力及注入流量在控制板上顯示。另外，B液的轉(zhuǎn)運泵采用氣動隔膜泵，由操作人員手動控制氣源手動球閥進(jìn)行控制。

3 結(jié)語

在盾構(gòu)施工過程中，注漿系統(tǒng)是施工中的重要一環(huán)，對隧道的后期成型、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、及時注漿、二次注漿各具特點，人們需要根據(jù)具體的施工情況來選擇相應(yīng)的注漿方式。新型雙液同步注漿系統(tǒng)可以實現(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，同時具有原理清晰、結(jié)構(gòu)簡單、易于實現(xiàn)的優(yōu)點。