長距離頂管壓漿智能控制系統(tǒng)的技術(shù)研究

王 平

上海市基礎(chǔ)工程集團(tuán)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(huán)節(jié)之一。泥漿的主要作用有2個(gè)：一是支撐，二是潤滑。由于頂管機(jī)械略大于管段外徑幾厘米，穿越土體后產(chǎn)生的空隙需要泥漿來填充彌補(bǔ)，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?yōu)楦赡Σ粒藭r(shí)整個(gè)管段摩阻力會大幅上升，隨之后座頂力也會增大，頂進(jìn)困難，所以頂管工程中采用頂管機(jī)尾部同步注漿和其之后的跟蹤補(bǔ)漿2種方式進(jìn)行減阻，同時(shí)采用人工方式進(jìn)行壓漿。但是隨著頂管超長距離的常態(tài)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(shù)來實(shí)現(xiàn)施工要求顯得尤為重要[1]。

1 傳統(tǒng)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(yùn)動著，局部區(qū)域壓漿量的調(diào)整也應(yīng)是動態(tài)的，光靠人工很難做到精確控制每個(gè)區(qū)域的注漿量。

2）注漿壓力無法靈活調(diào)節(jié)，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(yīng)減小，人工方式下不便于快速調(diào)節(jié)壓漿壓力，容易導(dǎo)致注漿不到位，形成不了有效的泥漿套。

3）壓漿動作無法聯(lián)動，順序比較單一，效率低下，長距離頂管必然會布置多個(gè)中繼環(huán)，中繼環(huán)的前后區(qū)域，以及一些特殊地質(zhì)區(qū)域，都需要在過程中進(jìn)行不定期的補(bǔ)漿，人工操作時(shí)每個(gè)人負(fù)責(zé)長400～500 m管道區(qū)域，這些區(qū)域的及時(shí)補(bǔ)漿實(shí)施難度比較高，容易造成補(bǔ)漿不到位的情況。

4）壓漿質(zhì)量管理工作相當(dāng)困難，超長距離頂管必然需要多路同時(shí)壓漿，以滿足全線壓漿量的需要，人工方式1個(gè)人只能完成400～500 m管道區(qū)域的壓漿操作，因此，2 000 m就需分成4～5個(gè)區(qū)段，1個(gè)區(qū)段由1個(gè)人專門負(fù)責(zé)，勞動強(qiáng)度大，相當(dāng)耗費(fèi)人力，且人工操作水平參差不齊，施工質(zhì)量難以保障，另外人工記錄數(shù)據(jù)不及時(shí)、不準(zhǔn)確，無法建立很好的數(shù)據(jù)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(tǒng)人工壓漿方式下難以完成的精準(zhǔn)控制，所以研究自動化智能控制技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)沿線任一點(diǎn)位的壓漿方量、壓漿壓力的靈活調(diào)節(jié)和邏輯順序的聯(lián)動控制功能，提升壓漿質(zhì)量[2-7]。

2 頂管智能壓漿系統(tǒng)設(shè)計(jì)

選取某一長距離頂管施工項(xiàng)目，在原有頂管智能控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)之上再擴(kuò)展實(shí)現(xiàn)智能壓漿的功能。設(shè)計(jì)原則：集中監(jiān)控、分散控制、先壓后頂、隨壓隨頂、及時(shí)補(bǔ)漿。設(shè)計(jì)該系統(tǒng)的目的就是為了解決人工壓漿方式的不足，提高壓漿質(zhì)量。

以該工程頂管前300 m管道作為試驗(yàn)段，壓漿系統(tǒng)管路及控制布置如圖1所示，每隔15 m左右布置一環(huán)壓漿孔，一環(huán)上的多個(gè)壓漿孔用1寸支管連接起來，然后安裝1個(gè)電動球閥，再接入2寸總管。共計(jì)安裝30個(gè)電動閥，每10個(gè)作為一組，每個(gè)閥都由一個(gè)獨(dú)立的控制模塊進(jìn)行開閉控制，各控制模塊間利用一根雙絞線并聯(lián)連接起來，采用RS485通訊方式接入就近的中繼環(huán)三菱PLC從站模塊，多個(gè)PLC之間利用CC-link現(xiàn)場總線技術(shù)匯總到地面控制中心，至此形成頂管控制系統(tǒng)的一個(gè)子功能擴(kuò)展。

圖1 壓漿系統(tǒng)布置示意

本案例中，環(huán)1—環(huán)3作為同步注漿，之后的作為跟蹤補(bǔ)漿，環(huán)3和環(huán)4之間安裝壓力變送器2和流量計(jì)2；地面設(shè)置漿液容器1個(gè)，壓漿泵1臺，在出口位置安裝壓力變送器1和流量計(jì)1，在壓漿泵的回流管上安裝1個(gè)電動比例閥，通過改變閥門開度來調(diào)節(jié)回漿量的多少，最終調(diào)整壓漿壓力；所有傳感器數(shù)據(jù)反饋到就近的PLC從站，再通過現(xiàn)場總線反饋到地面主站。該頂管智能壓漿系統(tǒng)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(gè)技術(shù)難題，主要實(shí)現(xiàn)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(jì)，起始端即泵的出口處的流量計(jì)1，作為總的壓漿量統(tǒng)計(jì)，末尾端的流量計(jì)2則統(tǒng)計(jì)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(jìn)速度的快慢和管徑大小，由技術(shù)部門進(jìn)行計(jì)算并給出指令，系統(tǒng)可以根據(jù)流量的大小，自動調(diào)節(jié)對應(yīng)點(diǎn)位的閥門開閉時(shí)間來保證足夠的壓漿量。

2）壓漿壓力的靈活調(diào)節(jié)。總管上首、尾端都安裝有壓力變送器，個(gè)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(diào)節(jié)壓漿壓力1，即壓漿總壓力，結(jié)合壓力2判別壓力的損耗以及堵管泄漏的情況，系統(tǒng)可以自動調(diào)節(jié)這個(gè)比例閥開度，使壓漿總壓力始終維持在設(shè)定壓力，保障壓漿動作的到位。

3）壓漿動作的聯(lián)動控制。通過遠(yuǎn)程模塊控制電動閥的開閉來實(shí)現(xiàn)壓漿動作，頂管施工開始頂進(jìn)前，先開啟同步注漿的環(huán)1—環(huán)3中某1個(gè)或2個(gè)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(bǔ)漿，開啟環(huán)4閥門，當(dāng)?shù)竭_(dá)設(shè)定時(shí)間或壓力2到達(dá)設(shè)定值時(shí)，往后開啟環(huán)5，同時(shí)關(guān)閉環(huán)4，以此類推，直到環(huán)30閥門打開，待此環(huán)也到達(dá)設(shè)定時(shí)間或壓力設(shè)定值或壓漿量時(shí)，關(guān)閉壓漿泵并關(guān)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(huán)，直接跳過，避開一些無需壓漿的區(qū)域。通過調(diào)節(jié)參數(shù)可以自由設(shè)定壓漿的動作邏輯順序，實(shí)現(xiàn)壓漿全線的聯(lián)動控制。

4）故障報(bào)警檢測及數(shù)據(jù)記錄。電動閥開閉動作不到位則報(bào)警；壓力流量檢測，某一數(shù)據(jù)值發(fā)生突變時(shí)，管路發(fā)生堵塞甚至是爆管漏漿，此時(shí)系統(tǒng)報(bào)警并自動關(guān)泵，同時(shí)將泵出口端的回流管比例閥調(diào)至最大，以快速釋放壓力，然后關(guān)閉其他所有閥門；通訊狀態(tài)檢測，每個(gè)控制單元都具有“看門狗”的功能，即通訊不正常了立即關(guān)閉閥門，不至于影響其他環(huán)壓漿，并保證該環(huán)壓漿孔位不會出現(xiàn)反流的情況；數(shù)據(jù)記錄統(tǒng)計(jì)，對每個(gè)點(diǎn)位的壓漿壓力、壓漿流量、壓漿時(shí)間等數(shù)據(jù)都有記錄，再對壓漿方量進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，做到數(shù)據(jù)可追溯，支持大數(shù)據(jù)分析，方便技術(shù)管理工作。

3 結(jié)語

根據(jù)該工程項(xiàng)目部應(yīng)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(gè)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(tǒng)試用情況良好，具有很好的穩(wěn)定性和可靠性，此項(xiàng)功能的豐富大大地節(jié)省了人力，提升了壓漿質(zhì)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(qiáng)度，具有推廣意義。