長距離頂管壓漿智能控制系統的技術研究

王 平

上海市基礎工程集團有限公司 上海 200433

頂管施工過程中用觸變泥漿減阻的方式，是頂管減少摩阻力的重要環節之一。泥漿的主要作用有2個：一是支撐，二是潤滑。由于頂管機械略大于管段外徑幾厘米，穿越土體后產生的空隙需要泥漿來填充彌補，即泥漿形成支撐面，若支撐不足則土體就會坍落于管外壁，使滑動摩擦主要作用因素變為干摩擦，此時整個管段摩阻力會大幅上升，隨之后座頂力也會增大，頂進困難，所以頂管工程中采用頂管機尾部同步注漿和其之后的跟蹤補漿2種方式進行減阻，同時采用人工方式進行壓漿。但是隨著頂管超長距離的常態化，人工壓漿方式的問題也逐漸暴露出來，如何利用自動化技術來實現施工要求顯得尤為重要[1]。

1 傳統人工壓漿存在的問題

1）注漿量無法精確保證，頂管工藝即意味著整條管線始終都是在運動著，局部區域壓漿量的調整也應是動態的，光靠人工很難做到精確控制每個區域的注漿量。

2）注漿壓力無法靈活調節，隨著頂管距離的增加，送漿距離也隨之增加，壓力的損耗也會比較大，而最前端的壓漿壓力則相應減小，人工方式下不便于快速調節壓漿壓力，容易導致注漿不到位，形成不了有效的泥漿套。

3）壓漿動作無法聯動，順序比較單一，效率低下，長距離頂管必然會布置多個中繼環，中繼環的前后區域，以及一些特殊地質區域，都需要在過程中進行不定期的補漿，人工操作時每個人負責長400～500 m管道區域，這些區域的及時補漿實施難度比較高，容易造成補漿不到位的情況。

4）壓漿質量管理工作相當困難，超長距離頂管必然需要多路同時壓漿，以滿足全線壓漿量的需要，人工方式1個人只能完成400～500 m管道區域的壓漿操作，因此，2 000 m就需分成4～5個區段，1個區段由1個人專門負責，勞動強度大，相當耗費人力，且人工操作水平參差不齊，施工質量難以保障，另外人工記錄數據不及時、不準確，無法建立很好的數據檔案，造成施工管理工作困難。

綜上所述，長距離頂管壓漿需要解決傳統人工壓漿方式下難以完成的精準控制，所以研究自動化智能控制技術，可實現沿線任一點位的壓漿方量、壓漿壓力的靈活調節和邏輯順序的聯動控制功能，提升壓漿質量[2-7]。

2 頂管智能壓漿系統設計

選取某一長距離頂管施工項目，在原有頂管智能控制系統的基礎之上再擴展實現智能壓漿的功能。設計原則：集中監控、分散控制、先壓后頂、隨壓隨頂、及時補漿。設計該系統的目的就是為了解決人工壓漿方式的不足，提高壓漿質量。

以該工程頂管前300 m管道作為試驗段，壓漿系統管路及控制布置如圖1所示，每隔15 m左右布置一環壓漿孔，一環上的多個壓漿孔用1寸支管連接起來，然后安裝1個電動球閥，再接入2寸總管。共計安裝30個電動閥，每10個作為一組，每個閥都由一個獨立的控制模塊進行開閉控制，各控制模塊間利用一根雙絞線并聯連接起來，采用RS485通訊方式接入就近的中繼環三菱PLC從站模塊，多個PLC之間利用CC-link現場總線技術匯總到地面控制中心，至此形成頂管控制系統的一個子功能擴展。

圖1 壓漿系統布置示意

本案例中，環1—環3作為同步注漿，之后的作為跟蹤補漿，環3和環4之間安裝壓力變送器2和流量計2；地面設置漿液容器1個，壓漿泵1臺，在出口位置安裝壓力變送器1和流量計1，在壓漿泵的回流管上安裝1個電動比例閥，通過改變閥門開度來調節回漿量的多少，最終調整壓漿壓力；所有傳感器數據反饋到就近的PLC從站，再通過現場總線反饋到地面主站。該頂管智能壓漿系統通過自動化、信息化的手段，很好地解決了人工壓漿方式的幾個技術難題，主要實現了以下功能：

1）壓漿方量的精確控制。總管上首、尾端都安裝有流量計，起始端即泵的出口處的流量計1，作為總的壓漿量統計，末尾端的流量計2則統計同步注漿量，兩者的差值即為跟蹤注漿量。具體壓漿量的多少取決于頂進速度的快慢和管徑大小，由技術部門進行計算并給出指令，系統可以根據流量的大小，自動調節對應點位的閥門開閉時間來保證足夠的壓漿量。

2）壓漿壓力的靈活調節。總管上首、尾端都安裝有壓力變送器，個別地方還需額外加裝壓力變送器，通過改變壓漿泵回漿管路電動比例閥的開度來調節壓漿壓力1，即壓漿總壓力，結合壓力2判別壓力的損耗以及堵管泄漏的情況，系統可以自動調節這個比例閥開度，使壓漿總壓力始終維持在設定壓力，保障壓漿動作的到位。

3）壓漿動作的聯動控制。通過遠程模塊控制電動閥的開閉來實現壓漿動作，頂管施工開始頂進前，先開啟同步注漿的環1—環3中某1個或2個或全部閥門，再開啟地面壓漿泵，開始同步注漿，同步注漿的閥保持開啟，然后再跟蹤補漿，開啟環4閥門，當到達設定時間或壓力2到達設定值時，往后開啟環5，同時關閉環4，以此類推，直到環30閥門打開，待此環也到達設定時間或壓力設定值或壓漿量時，關閉壓漿泵并關閉所有閥門，即完成一遍完整的壓漿流程。壓漿過程中也可人工禁用某些環，直接跳過，避開一些無需壓漿的區域。通過調節參數可以自由設定壓漿的動作邏輯順序，實現壓漿全線的聯動控制。

4）故障報警檢測及數據記錄。電動閥開閉動作不到位則報警；壓力流量檢測，某一數據值發生突變時，管路發生堵塞甚至是爆管漏漿，此時系統報警并自動關泵，同時將泵出口端的回流管比例閥調至最大，以快速釋放壓力，然后關閉其他所有閥門；通訊狀態檢測，每個控制單元都具有“看門狗”的功能，即通訊不正常了立即關閉閥門，不至于影響其他環壓漿，并保證該環壓漿孔位不會出現反流的情況；數據記錄統計，對每個點位的壓漿壓力、壓漿流量、壓漿時間等數據都有記錄，再對壓漿方量進行統計，做到數據可追溯，支持大數據分析，方便技術管理工作。

3 結語

根據該工程項目部應用反饋，頂管后座主頂力降低不少，自動注入的潤滑泥漿能在管子的外圍形成一個行之有效的漿套，減阻效果是令人滿意的，摩阻力可由12～30 kN/m2減至3～5 kN/m2，后座主頂油壓由20 MPa降至15 MPa左右。該套系統試用情況良好，具有很好的穩定性和可靠性，此項功能的豐富大大地節省了人力，提升了壓漿質量，提高了施工效率，并且可以大幅減少操作人員，降低勞動強度，具有推廣意義。