新型化學灌漿泵在地下水封洞庫工程中的應用

張慧 李珍 趙曉 邵曉妹 李發權

摘要：地下水封洞庫工程較地面儲庫具有安全性能高、運營管理費用低、使用壽命長等優點。以湛江地下水封石油洞庫工程防滲堵漏灌漿施工為依托，介紹了新型化學灌漿泵在地下水封洞庫工程施工的應用，采用了新型化學灌漿泵嵌入式系統控制專用驅動器。樣機試驗結果表明：灌漿壓力控制精度高，長時間保持穩壓滲透化學灌漿，可有效發揮漿材作用，施工效率高，且能滿足防滲堵漏加固補強化學灌漿施工需求。

關鍵詞：地下水封;洞庫工程;化學灌漿;化學灌漿泵

中圖法分類號：TV543.2文獻標志碼：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.008

文章編號：1006 - 0081（2021）06 - 0041 - 04

1 研究背景

與地面儲庫相比，地下水封洞庫工程利用飽水巖體密封性進行儲存，具有安全性能高、投資省、損耗少、運營管理費用低、使用壽命長以及污染小等優點[1-2]。目前，我國正在沿海地質條件優良的場區規劃和建設多個大型地下洞庫工程[3]。

在隧洞開挖時，地下水封洞庫工程會遇到斷層破碎帶、裂隙帶、泥化夾層、滲漏和塌方等情況，常采用水泥補強灌漿處理，但水泥漿液對斷層破碎帶、裂隙帶的補強作用較小，未達到防滲堵漏的理想效果，需要采取化學灌漿材料進行封堵減滲漏，直至達到設計技術要求。

湛江地下水封石油洞庫工程部分洞段受斷層及節理裂隙密集帶影響，裂隙發育，巖體破碎，圍巖穩定性差，需對滲水部位快速封堵，并通過補強措施提高巖體的整體性和安全性。前期雖經過多次水泥和細水泥灌漿，但因巖層的特殊性和處理方式的局限性，未達理想效果，經組織多名專業技術人員開展生產性試驗、確定防滲堵漏復合灌漿方案。本文以湛江地下水封石油洞庫工程項目為例，介紹了新型化學灌漿泵在地下水封洞庫工程施工的應用情況。

2 工程概況

湛江國家石油儲備地下水封洞庫工程位于廣東省湛江市廉江市良垌鎮，工程包括地下工程和地上輔助設施兩部分，設計石油儲備庫容500萬m3。地下工程主要由主洞室群、豎井、水幕系統及施工巷道等組成。其中主洞室群由10條主洞室組成，洞室數量較多，且開挖及支護施工平行作業，施工干擾較大，洞室范圍內主要為微風化-微風化片麻狀花崗巖，裂隙較發育-不發育，有局部裂隙發育，巖體破碎。

1號地下油庫隧洞在隧洞開挖時出現過塌方。在塌方處進行鋼拱架處理，采取水泥補強灌漿處理，但是此段有明顯破碎帶，裂隙發育良好，滲漏水豐富，多次采用水泥漿液注漿后，巖石表面仍有明顯滲水現象。這表明水泥漿液對裂隙帶、斷層破碎帶無法起到防滲堵漏作用，需要采用水泥化學復合灌漿進行封堵減滲漏。

通過材料與石油混合實驗結果表明：環氧樹脂化學材料與石油沒有任何反應現象，在隧洞滲漏水處理試驗質量檢查滿足設計要求后進行封堵。灌漿施工采用全孔一次性鉆掃孔，埋管純壓式一次性灌漿，環間環內不分序，環內從底孔至頂孔先鉆孔。鉆孔有涌水或壓水透水率較大孔段進行水泥注漿或者聚氨酯材料注漿。待材料凝固后，再對此孔鉆掃孔進行環氧樹脂材料注漿。單耗漿量超過100 kg的灌漿孔，在旁邊增加灌漿孔進行加密處理。對滲水構造發育地段可以增加環間加密灌漿處理。

3 化學灌漿泵

3.1 概 況

化學灌漿成套技術已發展成為解決建筑物不良地質體加固與防滲、混凝土裂隙防滲堵漏等技術難題不可或缺的解決方案[4]。化學灌漿設備是化學灌漿成套技術中的重要環節，主要有制漿、儲漿設備和化學灌漿泵，其中較為重要的是化學灌漿泵[5]。其性能優劣、使用方法的正確與否，直接影響化學灌漿的質量[6]。從原始的簡易手動泵，到機械傳動、液壓傳動，發展到電控系統和微機系統，再到大數據物聯網系統，化學灌漿泵一直持續改進創新，不斷滿足現代工程對化學灌漿的需要，為工程建設作出貢獻。

由董建軍等[7]研制發明的HGB-1（2）型化學灌漿泵，泵體動作通過液壓系統流量及壓力的調節進行控制，泵體結構合理，使用方便、易清洗，為后續新型灌漿泵的研制提供了較為重要的參考價值。由李珍等[8]提出以步進電機為驅動的新型灌漿泵，利用步進電機帶動絲杠螺母轉動，驅動絲杠連同活塞直線運動，設備可操作及可控性強，適用于環氧樹脂和聚氨酯化學灌漿材料的施工，在化學灌漿領域得到廣泛使用。

化學灌漿泵包括泵體、密封管路系統、傳動與控制、調速器、穩壓系統等結構。化學灌漿泵呈現點密封性、易拆洗、安全性、多品種等特點，根據壓力、流量和溫度等參數，合理的匹配化學灌漿泵設備，使化學灌漿泵能更好滿足施工需要，適應不同需求。

3.2 新型化學灌漿泵

本文新型化學灌漿泵采用以AVR為核心的嵌入式系統精確控制專用驅動器，專用驅動器驅動伺服電機，進行精確調壓、穩定控壓，最大壓力為25 MPa，最大流量為5.5 L/min。

新型化學灌漿泵的設備結構如圖1所示。

泵頭分為進漿和出漿兩部分，不斷吸入和輸出化學灌漿材料。泵頭部分的進口閥連接吸料管，進口閥內裝有單向導通的鋼球與閥座，泵頭吸入化學灌漿材料，液壓泵體的出漿壓力和流量滿足工程要求。泵頭連接油漿隔離器，數顯壓力表，油壓隔離器保證壓力表的精度和穩定性，數顯壓力表顯示實時壓力。開關電源控制設備的開關運行，壓力調節增加和減少壓力預定值。專用驅動器是化學灌漿泵的傳動核心，伺服電機是動力源，驅動單缸柱塞泵，帶動偏心輪通過曲柄連桿帶動柱塞泵的往復運動，通過進出口鋼球與閥座的配合運動，從而完成化學灌漿材料的吸入和輸出。

嵌入式系統產生PWM脈沖調節信號控制驅動器，驅動器驅動伺服電機。溫度傳感器和壓力傳感器的采樣數據發送至嵌入式系統，嵌入式系統同時控制彩色顯示屏，金屬鍵盤和蜂鳴報警器。壓力調節輸入值由金屬鍵盤輸入，或者人工操作電機旋鈕的設定輸入值。設定的輸入值傳輸至嵌入式系統，已編程封裝的嵌入式系統參數自整定控制器發揮作用，依據設定參數及參數自整定控制原理進行調速。通過嵌入式系統編程控制驅動器，完成伺服電機恒壓調速。系統控制如圖2所示。

3.3 結合傳統灌漿泵對比分析

結合傳統化學灌漿泵對比分析，新型化學灌漿泵采用柱塞式泵體結構，軸向柱塞泵柱塞與主軸平行，工作時柱塞隨缸體繞中軸轉動，實現缸體內的往復運動，相較傳統泵避免了結構中存在的接觸高副摩擦，提高灌漿壓力和效率，降低了脈動幅度，進而減小振動和噪音，同時降低了加工難度，更適用于環氧化學漿材。

上一代化學灌漿泵設備體積重量較大，不利于狹窄廊道空間作業，老式指示表顯示不靈敏不穩定。新型化學灌漿泵設備機身移動靈活、結構簡單、可操作及可控性強、易拆裝清洗，更符合工程實際的需求。采用嵌入式系統進行壓力精確穩定控制，電機調速范圍大、調速平滑性好且具有足夠的機械特性。液晶屏可實時顯示數據，操作界面人性化，設備具有自診斷自保護功能，施工效率高。

由于化學灌漿材料具有一定腐蝕性，新型化學灌漿泵泵體采用全密封管路系統，下一階段針對密封件作進一步研究，更有利于人身安全和環境保護，使化學灌漿泵能更好地滿足現場施工作業的需要，適應用戶不同需求。

4 工程應用

地下水封石油洞庫工程防滲堵漏灌漿施工主要施工流程：①施工準備;②確定施工部位;③搭建灌漿平臺、化學灌漿設備就位;④資料收集、地質條件分析;⑤確定施工方案;⑥測量放線;⑦分序鉆孔（鉆孔沖洗、驗收、埋管和阻塞—灌漿泵調試、管路連接—壓水試驗—灌漿材料配制—化學灌漿—待凝—抬動觀測）;⑧質量檢查;⑨封孔、清理;⑩取芯測試;11項目驗收。地下水封石油洞庫工程防滲堵漏灌漿施工流程如圖3所示。

在防滲堵漏灌漿施工現場搭設移動式灌漿操作平臺，化學灌漿泵放置操作平臺上，泵頭連接進漿管，將進漿管放入塑料貯漿桶內，開始化學灌漿時先將灌漿壓力調至起始壓力。

（1）化學灌漿泵啟動檢查。接交流220 V電源，進漿管連接泵頭下部進漿部件，并與攪拌桶連接，出漿管連接泵頭出口出漿部件，并與灌漿孔口管連接。化學灌漿泵應進行空載試運轉，當設備運轉正常進行壓水試驗，模擬化學灌漿工況，在攪拌桶內裝水并連接管路，觀察各管路無漏漿情況，設備正常無報警后正式進行化學灌漿。

（2）化學灌漿泵施工。施工啟動化學灌漿泵，利用環氧漿液將孔內積水進一步趕出，直至回漿管口有持續純漿排出，關閉回漿閥繼續灌漿。觀察孔口返水情況，判斷孔內是否有漏漿情況發生。化學灌漿泵排漿量能無極調節且能滿足最大和最小注入率的要求。在灌漿泵出漿口處安設壓力表，其最大標值應為最大灌漿壓力的2.0～2.5倍，壓力表與管路之間要有隔漿裝置，工作壓力在壓力表最大標值的1/4～3/4之間，壓力表在使用前檢驗其準確性，誤差控制在5%以內，所有化學灌漿設備都有備用配件。灌漿管路采用Ф14 mm高壓軟管連接，灌漿管路能承受壓力不小于10 MPa。灌漿壓力宜讀取壓力波動的中值，波動范圍應不大于灌漿壓力的20%，灌漿壓力的最大值也應予以記錄。擺動范圍應作記錄，并有專人看守壓力表，不得超壓。灌漿壓力記錄以孔口壓力為準。化學灌漿過程以逐級升壓為原則，每段灌漿壓力結合現場實際情況確定。

（3）化學灌漿泵灌漿結束及壓水檢查。化學灌漿過程中，灌漿壓力達到設計壓力值后，化學灌漿注入率不大于結束值，再繼續灌注30 min進行閉漿待凝，才可結束灌漿。壓水試驗檢查應在灌漿結束28 d后進行，檢查孔數量不少于灌漿孔總數的5%。壓水壓力采用設計壓力。檢查合格標準：85%以上孔段的透化學水率小于1 Lu，其余孔段的透水率小于1.5 Lu，且分布不集中。

（4）化學灌漿泵用后清洗保養。先用水對進回漿管路帶壓沖洗干凈，再用丙酮清洗管道接頭及阻塞器，灌漿泵泵頭用丙酮沖洗干凈后，加上潤滑油。若出現管道堵塞，將丙酮打入管道內循環清洗。

5 結 語

新型化學灌漿泵采用嵌入式系統控制專用驅動器，灌漿壓力控制精度高，可長時間保持穩壓滲透化學灌漿，能有效發揮漿材作用，在湛江地下水封石油洞庫工程防滲堵漏灌漿施工中可滿足防滲堵漏加固補強化學灌漿施工需求，可在同類地下水封洞庫工程防滲堵漏加固補強中推廣應用。

參考文獻：

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[8] 李珍，魏濤，柏國奈，等. 步進電機驅動化學灌漿泵[P]. 2010-07-14.

（編輯：唐湘茜）