盾構同步注漿機液壓原理及故障分析

謝大文

（中鐵交通投資集團有限公司，南寧 530219）

0 引言

近年來，城市涌入的人口日益增加，城市空間顯得局促狹小，特別是在交通方面顯得更加突出[1]，城市老城區設計容量與現有發展極不匹配，交通擁堵已成為日常出行常態[2]。交通擁堵問題直接促進了城市地下空間的開發[3]，在交通出行方面越來越多的城市選擇修建地鐵以緩解城市交通擁堵的現象[4]，隨著二線城市地鐵建設的獲批，越來越多的城市加入到地鐵建設行列，地鐵建設已然成為一個城市發展的標志[5]。隨著我國城市地鐵建設日益增多，盾構機在國內的使用和保有量呈爆發式增長，據不完全統計，截至2019年底國內保有的盾構機已超過3000臺，基本還以每年500臺的速度遞增，盾構法已成為我國地鐵施工的主要方法[6]。

盾構機是盾構法施工的主要設備之一，其具有自動化程度高、設備組成復雜、學科融合性強等諸多特點[7]，同步注漿系統是盾構機的關鍵組成部分之一，其主要作用為將同步注漿漿液隨著盾構機的掘進通過尾盾注漿管路注射至管片和開挖土體之間的縫隙里，防止土體塌陷，在一定程度上防止土體內雜質經盾尾密封刷流至盾體內，同步注漿效果的優劣直接影響盾構施工效果[8]，同步注漿控制不當，極易發生盾構施工地表沉降、隆起、盾尾刷密封失效等現象[9]，對盾構施工安全起著重要作用。同步注漿機是同步注漿系統的主要設備，其具有自動化程度高、液壓控制原理復雜、設備不易調試等諸多特點[10]，在盾構設備新機、再制造、維修調試和施工過程中易產生故障，為了解決這些問題，根據海瑞克某型號盾構機注漿機再制造調試和現場組裝施工經驗，通過對同步注漿機設計原理和不同故障現象進行深入分析，查找盾構同步注漿機產生故障的原因，并提出相關的解決措施，梳理盾構同步注漿機在再制造和維保過程中的注意事項，為盾構同步注漿機故障處理提供參考。

1 同步注漿機組成及工作原理

1.1 同步注漿機組成

如圖1所示，盾構同步注漿機由主推進油缸、混凝土吸料缸、吸料控制油缸、送料控制油缸、清洗潤滑存儲斗、控制閥塊及支撐架組成，同步注漿機主要作用為將同步注漿漿液由注漿罐抽出，輸送至管片與開挖土體之間的間隙[11]。其工作原理為同步注漿機吸料時，主推進油缸收回，吸料控制油缸收回打開混凝土吸料缸與注漿罐之間的通道，送料控制油缸伸出，將混凝土吸料缸與注漿輸送管路切斷，注漿漿液由注漿罐被吸入混凝土吸料缸；當主推進油缸收縮到底部時，啟動相關液壓控制油路，主推進油缸自動伸出，吸料控制油缸伸出切斷混凝土吸料缸與注漿罐之間的通道，送料控制油缸收回，將混凝土吸料缸與注漿輸送管路打開，注漿漿液由混凝土吸料缸輸送至注漿管路；當主推進油缸伸出至極限位置時，啟動相關液壓控制油路，主推進油缸收回，吸料控制油缸和送料控制油缸配合動作，重復吸料過程，往返重復運行完成同步注漿功能，整體液壓系統由比例閥控制，控制液壓系統的流量，從而控制同步注漿機運行的速度，控制注漿速度[12]。

圖1 同步注漿機外觀圖

1.2 液壓系統工作原理

同步注漿機液壓原理如圖2所示，主要由插裝閥1、插裝閥2、啟動控制閥、吸料控制油缸、送料控制油缸、液控換向閥、液控換向閥2、液控換向閥3等組成。同步注漿機處于工作時，將啟動控制閥板至右工位，壓力油進入主推進油缸無桿腔，主推進油缸伸出，液控換向閥2處于下工位工作，壓力油流經液控換向閥1進入吸料控制油缸的有桿腔和送料控制油缸無桿腔，開啟混凝土吸料缸與注漿管路之間的聯通，切斷混凝土吸料缸與注漿罐之間的聯通，壓力油控制液控換向閥3，使其處于下工位工作，保證主推進油缸一直處于伸出運動狀態，保證同步注漿機處于送料狀態；當主推進油缸運行至最頂端時，由于主推進油缸活塞的隔離作用，使得插裝閥2左右兩側產生壓力差，即左側為高壓狀態，壓力油控制液控換向閥動作，液控換向閥1處于上工位工作，壓力油流經液控換向閥1進入吸料控制油缸的無桿腔和送料控制油缸有桿腔，切斷混凝土吸料缸與注漿管路之間的聯通，開啟混凝土吸料缸與注漿罐之間的聯通，由于壓力油經液控換向閥1進行換向，壓力油控制液控換向閥3，使其處于上工位工作，主推進油缸變為有桿腔進油，無桿腔出油，主推進油缸處于收回狀態，同步注漿機處于吸料狀態；當主推進油缸收回至最底端時，由于主推進油缸活塞的隔離作用，使得插裝閥1左右兩側產生壓力差，即右側為高壓狀態，壓力油控制液控換向閥動作，液控換向閥1處于下工位工作，壓力油流經液控換向閥1進入吸料控制油缸的有桿腔和送料控制油缸無桿腔，開啟混凝土吸料缸與注漿管路之間的聯通，切斷混凝土吸料缸與注漿罐之間的聯通，由于壓力油經液控換向閥1進行換向，壓力油控制液控換向閥3，使其處于下工位工作，主推進油缸變為無桿腔進油，有桿腔出油，主推進油缸處于伸出狀態，同步注漿機處于送料狀態；往復重復兩種動作，使同步注漿機一直處于自動工作狀態，通過電磁比例閥控制整個液壓系統油路的流量，可以控制同步注漿機運行速度的快慢。當啟動控制閥處于左工位工作時，主推進油缸與送料控制油缸、吸料控制油缸的配合動作恰好相反，同步注漿機處于清洗狀態。

圖2 同步注漿機液壓原理圖

2 同步注漿機故障

2.1 注漿系統啟動后同步注漿機無動作

注漿系統啟動后同步注漿機無動作主要有幾方面原因：（1）注漿系統液壓泵未加載或處于大開度溢流狀態，整個液壓系統無壓力；（2）比例放大版未通電或比例放大版處于關閉狀態或比例放大版與比例電磁閥之間無通信，造成比例電磁閥處于關閉狀態，無液壓油進入同步注漿機控制閥塊；（3）啟動控制閥未開啟，處于中位狀態。根據以上原因分別排除相關故障即可。

2.2 同步注漿機吸送料動作配合錯誤

同步注漿機吸送料動作配合錯誤主要有以下幾方面原因：（1）液控換向閥1控制油路接反，造成動作配合錯誤；（2）液控換向閥2控制油路接反，造成動作配合錯誤；（3）液控換向閥3控制油路接反，造成動作配合錯誤；（4）液控換向閥1、液控換向閥2、液控換向閥3控制油路均接反，造成動作配合錯誤；（5）啟動控制閥一側油路接反，造成動作配合錯誤；（6）送料控制油缸和吸料控制油缸兩個油缸的油管接反，造成動作配合錯誤；（7）送料控制油缸和吸料控制油缸進出油管接反，造成動作配合錯誤；（8）主推進油缸進出油管接反，造成動作配合錯誤。根據以上原因對照圖紙調整相關油路接口即可。

2.3 同步注漿機無法完成完整動作循環

同步注漿系統啟動后，控制同步注漿機動作，同步注漿機可以進行運動（此時主推進油缸基本處于中間位置，不在兩端），但主推進油缸運行到其中一端時無法繼續運動，主要表現為主推進油缸運動一定形成后向反方向運動，送料控制油缸和吸料控制油缸不停在進行換向，其主要原因為在控制閥塊組裝時進入空氣，在液控換向閥1、液控換向閥2或液控換向閥3的一側形成氣囊，造成同步注漿機不停進行換向，不能完成整周循環運動，打開注漿控制閥塊，排出其中空氣即可。

3 同步注漿機拆檢及維保注意事項

（1）同步注漿機在再制造或維修過程中要做好影像資料記錄，拆檢或維修后按照原樣進行復原，防止油管連接錯位；

（2）同步注漿機液壓閥塊在拆檢后組裝的過程中要注意無塵操作，防止因進入異物造成動作故障；

（3）同步注漿機在新機或拆檢組裝后，要注意充油時排氣，防止因進入空氣造成氣囊現象而產生動作故障；

（4）同步注漿機在新機或再制造后，若更換混凝土吸料缸缸筒和橡膠活塞，會造成摩擦力增大，產生無法動作的現象，要適當增加系統壓力，并在組裝前在橡膠活塞上涂抹潤滑油脂；

（5）同步注漿機在使用過程中除在清洗潤滑儲存斗內加水外，還應添加潤滑油脂，防止橡膠活塞與混凝土吸料缸“干磨”；

（6）同步注漿機在使用過程中要注意液壓系統油液的清潔，防止進入異物而造成動作發卡。

4 結束語

本文針對海瑞克盾構機同步注漿機工作原理及液壓系統進行分析，結合同步注漿機在新機、再制造、維修調試和施工過程產生的故障現象，分析其故障的原因，并提出相應的解決措施，總結盾構同步注漿機拆檢及維保注意事項，為盾構同步注漿機再制造、組裝調試和施工提供相關參考。