盾構同步注漿泵原理及應用分析

陳良武，李 光，朱 英，詹晨菲

（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

在隧道施工中，隨著盾構的不斷掘進，由于盾尾的抽出管片與洞壁之間會出現空隙，如不及時填充可能發生地表沉降等問題[1]，因此需要對管片外側與洞壁之間的環形空間進行注漿填充，用混凝土提供相應壓力支持上方土體，確保管片襯砌的早期穩定性和間隙的密封性，從而有效地解決盾構掘進過程中引起地面沉降和結構漏水等問題，注漿原理如圖1所示。目前國內盾構使用的同步注漿泵全是國外進口產品，采購周期較長，而且現場使用出現問題時不能及時進行維修或者更換零部件，影響施工進度。本文以施維英同步注漿泵為例，對同步注漿泵的構造及控制原理進行分析，對現場使用及維修經驗進行總結。

圖1 同步注漿原理

1 同步注漿泵主要參數分析

施工中需根據實際地質條件決定注漿壓力、注漿量、注漿速度等參數，以對注漿泵進行手動控制或者自動控制。自動控制時由上位機設定最大及最小注入壓力，當注漿壓力達到最大設定壓力時注漿泵將停止注漿，隨著盾構的繼續掘進，當漿液流動使注漿壓力小于最低注入壓力時注漿泵再次啟動進行注漿。

1.1 注漿壓力

注漿壓力是衡量漿液填充情況的重要參數之一，壓力過大可能損壞管片，過小又不易注入漿液，因此需綜合考慮地質、管片強度、設備性能、漿液性質、開挖倉壓力等情況確定出既能完全充填盾尾空隙又安全的最佳注漿壓力值。注漿泵出口壓力與注漿管末端盾尾間隙處地層壓力、漿液流經管路的沿程壓力損失、流經閥門和變徑管等的局部壓力損失有關[2]，可用下式計算

式中Pp——泵出口處壓力；

Pe——盾尾間隙處地層壓力；

ΔP1——管路的沿程壓力損失，

ΔP2——局部壓力損失，ΔP2=ξρv2/2。

λ——沿程阻力系數；

l——圓管的沿程長度，m；

d——圓管內徑，m；

v——管內平均速度，m/s；

ρ——砂漿密度，kg/m3；

ξ——局部阻力系數。

注漿泵出口壓力值隨注漿管長度的增加而增加，注漿泵在空間允許時應盡可能放在接近盾尾處，減少壓力損失。采用同步注漿時注漿壓力應保持在適當范圍內，不應有大幅波動,并要求地層中的漿液壓力大于該點的靜止水壓及土壓力之和。在每條注漿管線靠近盾尾注入點處都安裝有土壓傳感器，實時反饋和控制注漿壓力，從而控制注漿量。

1.2 注漿量

理論上同步注漿量是填充切削土體與管片間隙所需的漿液量，并根據地質、線路及掘進方式等因素考慮適當的飽滿系數，以達到填充密實。注漿量Q按下式計算

式中V——理論空隙量，m3；

α——注入率，實際注漿量根據地質和施工損耗等情況選取相應的注入率[3]，α=α1+α2+α3+α4;

α1——壓密系數；

α2——土質系數；

α3——施工損耗系數；

α4——超挖系數。

每環理論注漿量

式中D1——開挖直徑，m；

D2——管片外徑，m；

L——管片長度，m。

注漿量也可由注漿泵上脈沖計數器的顯示數據來推算，以注漿泵輸送缸的容積修正量及單位時間內的泵送次數計算出單位時間的注漿量[4]

式中n——泵送次數；

vm——修正后的輸送缸容積，m3。

施工中達到設定的注漿量，也只能保證盾尾空隙理論上的填充飽滿，實際的填充情況則取決于注漿壓力。另外，注漿量也可根據注漿前后砂漿罐的容量之差來確定。

1.3 注漿速度

注漿速度應與盾構的掘進速度相適應，過快可能導致堵管，過慢則會導致地層的坍塌或使管片受力不均，產生偏壓。

式中Q——壁后注漿量；

T——每環推進時間。

式中v——盾構推進速度。

由式5、式6得出

為滿足盾構最大推進速度 時的同步注漿要求，漿液注入速度必須滿足

2 同步注漿泵結構

同步注漿泵為雙管活塞出料，通過提升閥控制進、排漿口開閉，如圖2所示[5]。

圖2 同步注漿泵結構圖

同步注漿泵由注漿主油缸、清洗水箱、輸送缸、進出料提升閥和活塞等元件組成。泵出料時，注漿輸送缸活塞由主油缸伸出推動，混凝土在壓力作用下通過排漿口壓入輸送管道送至盾尾環形間隙，此時吸料提升閥關閉，出料提升閥打開。主油缸達到最大行程后，系統自動切換到泵吸料狀態，此時吸料提升閥打開，出料提升閥關閉，注漿主油缸帶動活塞回縮，混凝土在自重和吸力共同作用下被吸入輸送缸，完成吸漿過程。輸送缸在液壓缸的往復驅動下，交替進行吸漿和排漿，實現混凝土的連續泵送。

3 同步注漿泵現場常見問題處理

操作人員應經常對注漿設備進行徹底的清理、檢查，要保持注漿管路暢通、壓力顯示系統準確無誤，對發現的問題及時處理，確保注漿泵正常工作，注漿泵常見故障如下。

1）吸料提升閥油缸不動作 注漿完畢未及時清洗注漿泵，泵內漿液硬化，造成活塞被卡。處理方法，拆除吸料提升閥缸液壓管路，利用千斤頂頂起活塞，清除硬化泥漿。

2）無注漿壓力顯示 注漿管路未及時清理硬化后堵塞，漿液到不了注漿壓力傳感器所在位置，應將注漿管路清理暢通。

3）注漿泵工作一段時間后換向沖擊變大 換向時液壓沖擊大，由于節流閥松緊螺母未擰緊，注漿泵工作時振動等原因使節流閥開口不斷變大，將節流閥開口度調節到換向沖擊合適時，擰緊松緊螺母。

4）注漿脈沖次數顯示不正常 注漿時某一路注漿次數為其它組2倍或無顯示，脈沖接近開關安裝位置超前，活塞經過時接近開關感應兩次，從而脈沖計數加倍，將脈沖計數接近開關調整至脈沖計數顯示正確的合適位置；接近開關探頭伸出太短以致檢測不到活塞動作時脈沖次數不顯示，應當調整探頭伸出長度。

5）注漿壓力上不去 注漿動作正常但注漿壓力上不去，由于注漿泵出料提升閥、吸料提升閥磨損，致使它們靠錐面的密封不嚴密，泵送時漿液從吸料提升閥處向吸料管泄漏，吸料時漿液由注漿泵出口漿液輸送管通過出料提升閥處向吸料鑄件腔泄漏，漿液泄漏造成泵送時壓力上不去，或者泵送后的壓力下降。此時，需要更換提升閥。

對于注漿泵出現的其他問題也應通過分析解決，并且注漿時漿液要從管片的對稱位置注入，防止產生偏壓使管片發生錯臺或損壞；注漿過程中要密切關注管片的變形情況，若發現管片有破損、錯臺、上浮等現象應立即停止注漿；當注漿量突然增大時應檢查是否發生了泄漏或注入掌子面的現象，若發生前述現象應停止注漿，妥善處理后再繼續注入。

4 結論與討論

1）本文對隧道施工中同步注漿的過程進行了說明，介紹了同步注漿泵的結構，并對注漿工作過程和反泵沖洗過程的液壓控制原理進行了詳細的分析。

2）對施工中所需注漿壓力、注漿量、注漿速度等參數進行了分析討論，提供了多種日常使用時參數設置的計算方法。

3）對注漿泵常見故障和使用注意事項進行總結并分析了原因，有利于同步注漿泵可靠合理的使用，為隧道的順利貫通提供重要支持。

[1]楊俊卿，任德志，徐麗萍，等.新型盾構液壓系統設計與仿真研究[J].機床與液壓，2011，(39)：94-96.

[2]王益群，高殿英.液壓工程師技術手冊[M].北京:化學工業出版社，2009.

[3]張景異，趙婷婷.盾構同步注漿系統研究[J].液壓與氣動，2011，(9)：22-24.

[4]騰延鋒.盾構新型注漿泵控制系統的研制[J].建筑施工，2011，(33)：407-408.

[5]李 光.盾構同步注漿泵液壓系統設計[J].盾構工程，2011，(11)：76-77.