盾構(gòu)同步注漿實(shí)際注入量的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

郝震宇（上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司，上海 200031）

盾構(gòu)同步注漿實(shí)際注入量的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)

Dynamic Calibration and Test Technology on Actual Quantity of Shield Synchronous Grouting

郝震宇（上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司，上海 200031）

分析了盾構(gòu)同步注漿設(shè)備的特點(diǎn)及同步注漿注入量現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的不足。在此基礎(chǔ)上提出了同步注漿實(shí)際注入量的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)方法，并總結(jié)了提高盾構(gòu)同步注漿實(shí)際注入量檢測(cè)效果的技術(shù)攻關(guān)經(jīng)驗(yàn)。

同步注漿；注入量檢測(cè)；動(dòng)態(tài)校驗(yàn)

1 盾構(gòu)同步注漿技術(shù)

同步注漿系統(tǒng)是盾構(gòu)機(jī)的重要組成部分。盾構(gòu)掘進(jìn)過(guò)程中，同步注漿系統(tǒng)將漿液及時(shí)送達(dá)盾構(gòu)外殼和管片背部之間形成的建筑空隙中，從而使脫離盾尾的管片依附漿液在周?chē)馏w間及時(shí)獲得支撐，以防止管片周?chē)馏w的坍塌，控制地表的沉降。

1.1 技術(shù)背景

盾構(gòu)同步注漿系統(tǒng)是由注漿泵、儲(chǔ)漿桶、液壓動(dòng)力站、注漿管路、球閥、電氣控制系統(tǒng)以及各類(lèi)傳感器等組成。

注漿泵送出的漿液通過(guò)球閥控制輸送至盾構(gòu)外殼包管內(nèi)對(duì)應(yīng)注漿管路，如圖 1 所示。注漿系統(tǒng)的累計(jì)注漿量采用在靠近主油缸活塞處的接近開(kāi)關(guān)累計(jì)計(jì)數(shù)再乘以活塞腔內(nèi)容積實(shí)現(xiàn)。

圖1 同步注漿路徑示意圖

1.2 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

20 世紀(jì) 90 年代初引進(jìn)的法國(guó) FCB 公司土壓平衡盾構(gòu)的同步注漿是以設(shè)定土壓力為目標(biāo)值的閉環(huán)自動(dòng)控制環(huán)節(jié)。由于設(shè)定壓力與實(shí)際工況的差異，在工程中經(jīng)常發(fā)生超量注漿或者欠量注漿情況，嚴(yán)重影響地層穩(wěn)定性。因此，工程實(shí)際應(yīng)用改用手動(dòng)操作方式：在盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)安排操作人員就地控制每個(gè)注漿口注入規(guī)定的漿量。

此后盾構(gòu)選型采用以注漿量為對(duì)象的同步注漿方式。技術(shù)人員根據(jù)建筑空隙的理論值結(jié)合施工環(huán)境、工況條件和施工經(jīng)驗(yàn)確定掘進(jìn)一環(huán)的注漿量。由 PLC 實(shí)現(xiàn)注漿量控制。近年來(lái)部分施工單位對(duì)注漿控制柜進(jìn)行技術(shù)改造，改用變頻器控制調(diào)整注漿量。

2 盾構(gòu)同步注漿注入量現(xiàn)有檢測(cè)技術(shù)的不足

現(xiàn)有盾構(gòu)同步注漿實(shí)際注入量的檢測(cè)主要有 3 種方法：電磁流量計(jì)檢測(cè)方法、注漿活塞計(jì)數(shù)方法、視頻圖像采集信息方法。目前常用的是注漿活塞計(jì)數(shù)方法。

2.1 電磁流量計(jì)檢測(cè)方法

當(dāng)流動(dòng)漿液通過(guò)電磁流量計(jì)切割磁力線(xiàn)時(shí)，其感生電勢(shì)與流速成正比。在確定管徑條件下，通過(guò)對(duì)電磁流量計(jì)的感生電動(dòng)勢(shì)的積分求得注漿漿液的體積。電磁流量計(jì)工作原理如圖 2 所示。

圖2 電磁流量計(jì)工作原理

由于同步注漿漿液在電磁流量計(jì)內(nèi)膽的固結(jié)效應(yīng)，并由固結(jié)效應(yīng)引起實(shí)際漿液流徑變小，所以造成電磁流量計(jì)檢測(cè)注漿量準(zhǔn)確性降低。

2.2 注漿活塞計(jì)數(shù)方法

注漿泵液壓動(dòng)力站控制系統(tǒng)通過(guò)關(guān)閉送料閘門(mén)、打開(kāi)進(jìn)料閘門(mén)以及主油缸后退動(dòng)作，將儲(chǔ)漿桶內(nèi)的砂漿吸入注漿腔，實(shí)現(xiàn)進(jìn)料工序；再通過(guò)關(guān)閉進(jìn)料閘門(mén)、打開(kāi)送料閘門(mén)以及主油缸前進(jìn)動(dòng)作砂漿被活塞擠壓推出注漿腔，完成砂漿送料工序。油缸組相互配合地往復(fù)運(yùn)行實(shí)現(xiàn)漿液的脈沖式泵送。

由于漿液粘滯性或壓注速度變化直接影響活塞腔內(nèi)漿液的占空比。當(dāng)漿液實(shí)際配比變化或注入壓力變化，使得實(shí)際注入漿液體積小于活塞腔內(nèi)體積：Vr＜V0。

因此在漿液比例、注入速度、注入壓力等變化條件下采用注漿泵活塞次數(shù)的方法使得活塞腔內(nèi)漿液的占空比具有隨機(jī)性，不能保證實(shí)際注漿計(jì)量的準(zhǔn)確性。

2.3 視頻圖像采集信息方法

視頻圖像采集方法無(wú)數(shù)值化信息，僅作為注漿活塞計(jì)數(shù)方法不足的一種補(bǔ)償。

3 用液位計(jì)檢測(cè)同步注漿實(shí)際注入量的技術(shù)難點(diǎn)

3.1 注漿箱內(nèi)攪拌棒體積與液位為復(fù)雜非線(xiàn)性關(guān)系

到目前為止尚無(wú)用液位檢測(cè)到同步注漿實(shí)際注入量的案例。其主要原因是：當(dāng)液位處于攪拌棒運(yùn)動(dòng)軌跡之下，漿液液位與攪拌棒體積為復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系，由漿液液位很難求得同步注漿實(shí)際注入量。

3.2 液位的波動(dòng)性

為防止?jié){桶內(nèi)漿液凝結(jié)，漿桶攪拌棒需要不停地?cái)噭?dòng)，漿液液位受攪拌棒和臺(tái)車(chē)傾角的影響，具有一定的波動(dòng)性。

4 建立液位計(jì)動(dòng)態(tài)校驗(yàn)同步注漿實(shí)際注入量的方法

4.1 漿桶液位波動(dòng)數(shù)據(jù)分析

盾構(gòu)在進(jìn)行同步注漿時(shí)，漿桶內(nèi)的攪拌器不停工作使?jié){液更均勻，實(shí)際液位波動(dòng)呈非線(xiàn)性變化動(dòng)態(tài)特征狀態(tài)，如表1 所示。

表1 液位采樣樣本 (前8次觀(guān)測(cè)值)

根據(jù)測(cè)量信號(hào)中包含動(dòng)態(tài)載荷的特點(diǎn)，假設(shè)動(dòng)態(tài)載荷由周期函數(shù)組成，則可獲得液位變化信號(hào)：

式中：w——靜態(tài)液位；

Ai——第 i 個(gè)頻率成分動(dòng)態(tài)載荷的幅值；

fi——頻率；

φi——初始相位；

n——信號(hào)中動(dòng)態(tài)頻率成分?jǐn)?shù)。

目標(biāo)函數(shù)為：

式中：w——實(shí)際采樣信號(hào)；

M——采樣信號(hào)點(diǎn)數(shù)。

要獲得最佳的靜態(tài)液位估計(jì)，就要尋找最優(yōu)的參數(shù)估計(jì)

要使得 F(X) 最小，有許多最優(yōu)化算法可求解非線(xiàn)性最小二乘問(wèn)題。這里借助在科學(xué)和工程計(jì)算方面功能強(qiáng)大的MATLAB 所提供的 Fittype 函數(shù)來(lái)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行非線(xiàn)性擬合，結(jié)果如下所示：

4.2 液位差分方法

由于漿桶側(cè)向?qū)ΨQ(chēng)中點(diǎn)與攪拌棒軸相交，漿桶上方平面幾何中點(diǎn)測(cè)不到攪拌棒下方液位，所以在漿桶上方布置 2只激光測(cè)距儀，采用液位差分方法來(lái)抵消臺(tái)車(chē)傾角引起液面變化。

2 只傳感器與漿桶臥式攪拌軸位于同一平面發(fā)射激光垂直指向攪拌桶底(圖 3)，2 只激光傳感器間隔 n+1/4 個(gè)螺旋周期，當(dāng)傳感器 A 檢測(cè)到螺旋槳葉片位于最高點(diǎn)時(shí)，傳感器 B 檢測(cè)到的高程即為漿桶內(nèi)砂漿液面的真實(shí)高度。當(dāng)傳感器 B 檢測(cè)到螺旋槳葉片位于最高點(diǎn)時(shí)，傳感器 A 同樣能夠檢測(cè)漿桶內(nèi)真實(shí)的液位高。連續(xù)兩次分別由A和B測(cè)得的數(shù)據(jù)做平均處理，即可消除螺旋槳葉片對(duì)液位測(cè)量的干擾，也能消除因車(chē)架傾角而造成的液位測(cè)量誤差。

圖3 激光傳感器安裝示意圖

4.3 動(dòng)態(tài)校驗(yàn)檢測(cè)實(shí)際注漿量方法

攪拌棒葉片上沿到漿桶上沿為線(xiàn)性區(qū)域，攪拌棒葉片上沿到漿桶底為非線(xiàn)性區(qū)域(圖 4)。由于掘進(jìn)一環(huán)的漿液配方不變，且工況接近，所以當(dāng)漿液在線(xiàn)性區(qū)域時(shí)記錄注漿活塞次數(shù)，求得該區(qū)域注漿量Vr和活塞單次注入的實(shí)際體積Vs：

式中：a——漿桶長(zhǎng)；

B——漿桶寬；

Dh——線(xiàn)性區(qū)域的液位差；

ti——線(xiàn)性區(qū)域注漿泵活塞注入次數(shù)。

當(dāng)漿液液位在非線(xiàn)性區(qū)域時(shí)，實(shí)際注漿量：

式中：j——非線(xiàn)性區(qū)域注漿泵活塞注入次數(shù)。

圖4 激光測(cè)距儀校驗(yàn)活塞腔實(shí)際注漿量

5 同步注漿實(shí)際注入量動(dòng)態(tài)校驗(yàn)檢測(cè)功能實(shí)現(xiàn)

5.1 激光測(cè)距儀

選用德國(guó)易福門(mén)公司的 O1D155 型激光測(cè)距傳感器，測(cè)量范圍 0.1～6 m，輸出 4～20 mA 電流，波長(zhǎng) 650 nm，光斑直徑 ＜8 mm。外殼防護(hù)等級(jí) IP67。

5.2 PLC接口

三菱 Q 系列 64AD 模擬量遠(yuǎn)程模塊作為盾構(gòu) PLC 的IO 接口，通過(guò) CCLINK 總線(xiàn)與盾構(gòu) PLC 的 CPU 通信。

5.3 初始條件

(1) 標(biāo)定：實(shí)測(cè)激光測(cè)距儀安裝位置至漿桶底部距離為c，激光傳感器信號(hào)為 laser，則液位 h=c-laser。

設(shè) h1為 非線(xiàn)性區(qū)域上沿。

(2) 一環(huán)開(kāi)始條件：

If 環(huán)號(hào)差≥1 and 螺旋機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)

ho= c-laser‘ho為本環(huán)液位初始值

置環(huán)號(hào)差=0

sta=0 ‘置狀態(tài)變量=0

5.4 判斷邏輯

If h＞h1如果液位高于非線(xiàn)性區(qū)域上沿

Vr=v0= ab*(h0-h), sta=0 實(shí)際注入量為長(zhǎng)寬液位差乘積

If h＜h1and sta=0 如果液位在非線(xiàn)性區(qū)域上沿

Vs=abDh/∑ti, sta=1 求單次注漿體積，只做一次。

If h＜h1and sta=1 如果液位在非線(xiàn)性區(qū)域下沿

Vr=v0+ Vs*∑tj由活塞實(shí)際漿液容積計(jì)算注漿體積

其中 Vr是本環(huán)同步注漿實(shí)際注入的量。

5.5 工程應(yīng)用及效果

2016 年 9 月，盾構(gòu)同步注漿實(shí)際注入量的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)在上海軌交 17 號(hào)線(xiàn) 3 標(biāo)漕盈路到風(fēng)井下行線(xiàn)進(jìn)行工程應(yīng)用。

表2 記錄了盾構(gòu)同步注漿實(shí)際注入量的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)在上海軌交 17 號(hào)線(xiàn) 3 標(biāo)漕盈路站到風(fēng)井下行線(xiàn) 1 406環(huán)到 1 410 環(huán)的數(shù)據(jù)。表 2 第 6 行反映了注漿泵活塞效率(占空比)。數(shù)據(jù)反映這連續(xù) 5 環(huán)掘進(jìn)過(guò)程中，在漿液配比、施工環(huán)境、注入速度等近似條件下注漿泵效率略有差異，但總體比較接近。

表2 同步注漿工程應(yīng)用數(shù)據(jù)樣本

6 結(jié) 語(yǔ)

盾構(gòu)同步注漿實(shí)際注入量的動(dòng)態(tài)校驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)，解決了注漿泵活塞計(jì)數(shù)隨機(jī)性占空比的技術(shù)難題，提高了同步注漿實(shí)際注入量檢測(cè)結(jié)果的置信度。這對(duì)提高同步注漿施工質(zhì)量起到積極的促進(jìn)作用。

TU50

A

1674-814X(2017)02-0021-04

2016-12-20

郝震宇，現(xiàn)供職于上海地鐵盾構(gòu)設(shè)備工程有限公司。主要從事隧道施工、盾構(gòu)及相關(guān)設(shè)備設(shè)計(jì)、改造工作。曾參與上中路隧道、滬崇蘇隧道、虹梅南路隧道等多項(xiàng)工程工作。作者通信地址：上海徐匯區(qū)淮海中路1298號(hào) ，郵編：200031。