流體培訓(xùn)-碴土改良

盾構(gòu)注入系統(tǒng)中鐵隧道裝備制造有限公司研究院流體所

2010-11-02本幻燈片展示以下內(nèi)容：

泡沫系統(tǒng)

注漿系統(tǒng)

膨潤土系統(tǒng)泡沫系統(tǒng)

（0XX-207-000-000）作用：1.改善碴土特性，使盾構(gòu)前方土體均勻便于施工；2.穩(wěn)定掌子面；3.降低土的滲透系數(shù),起到隔水的作用;4.降低刀盤扭矩,減少機具磨損;5.減少土的粘性,防止“泥餅”現(xiàn)象。

流體系統(tǒng)培訓(xùn)添加泡沫的具體表現(xiàn)（1）對于富含水砂層，一方面止水，另一方面可以改善砂的和易性；（2）在砂性土和砂礫土地層中，添加泡沫可以起到支撐作用而且可以改善土的流動性；（3）在粘性土層，添加泡沫則可以防止渣土附著刀盤和土倉室內(nèi)壁，另一方面，由于泡沫中的微細氣泡可以置換土顆粒中的空隙水，因而可以到達止水效果。添加泡沫的原因在土壓平衡式盾構(gòu)的施工中，第一要用開挖出的土料作為支撐掌子面穩(wěn)定的介質(zhì)，第二要便于傳送，能滿足以上兩個特點對支撐土料有以下要求：具有良好的塑性變形，軟稠度，內(nèi)摩擦角小及滲透率小。由于一般土壤不能完全滿足這些特性，所以要進行改良。

添加泡沫對機械部分的作用

減少盾構(gòu)機機械的磨損。土壓平衡式盾構(gòu)機在摩擦性較大土體中掘進時，與土體發(fā)生作用的刀具極易磨損，通過在刀盤上注入泡沫材料，可以降低土體的摩擦性，減小刀具的磨損。添加泡沫刀盤扭矩降低1.添加泡沫后刀盤扭矩明顯降低，以至于功率消耗降低，節(jié)約施工成本。添加泡沫后推進速度加快泡沫生成機理當(dāng)氣體通過篩板上流動的液層時，一般可以觀察到由氣一液兩相所形成的分散系統(tǒng)。當(dāng)氣體速度在足夠大的范圍內(nèi)變動時，這種分散系統(tǒng)可分為三個組成部分。最下一層主要是單個氣泡分散在液相中，即在該層中所含氣體不多，而以液體為主，一般稱它為鼓泡層。隨著上升氣體速度增加，這一層的厚度就漸次相應(yīng)地降低，而在某些情況下，其氣速達到相當(dāng)大時，這一層幾乎會消失。在鼓泡層以上的一層為泡沫法中主要的一層，被稱為泡沫層，它是膜狀的分散系統(tǒng)，是由通過液層的氣流，以液膜的厚度相互分開的氣泡所組成。當(dāng)上升氣流停止時，這一泡沫層幾乎很快地消失，因此一般稱它分運動狀的泡沫層。在泡沫層的上部有大量的液滴懸浮在氣流中，這一層稱之為濺沫層。它在氣體流速較大或液層較薄時尤為顯著。泡沫注入系統(tǒng)泡沫系統(tǒng)的主要組成部分（一）動力單元：1.水泵2.泡沫原液泵泡沫系統(tǒng)的主要組成部分（二）控制生成單元：1.流量計:用來測量水、泡沫和水、空氣的即時流量大小和累加流量的大小；2.電動調(diào)節(jié)球閥:通過調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)球閥的電位計來控制球閥的開度，從而起到調(diào)節(jié)流量的作用；3.泡沫發(fā)生器?；緟?shù)發(fā)泡率ｋａ指一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓Ｐａ下泡沫中氣體體積和液體體積之比。在某一壓力Ｐ下的泡沫的發(fā)泡倍率ｋｐ為：在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下：發(fā)泡率約為12主要參數(shù)空氣的流速：1～3m/s泡沫原液與水的比例：原液3%+水：97%土渣中的泡沫用量：

20%~40%（包括泡沫原液，水，空氣），空氣占泡沫的92%泡沫發(fā)生器:4個注入管線數(shù)量:4條(供刀盤、螺旋機、隔板土倉)泡沫注入點:18個泡沫存儲罐容量:1M3泡沫泵流量:5～300l/h泡沫泵用電機：0.75kW泡沫泵壓力：9bar水泵流量：133l/min水泵用電機：11kW水泵壓力：8bar泡沫添加劑使用用量：46.7l/m(理論值）控制方式1.手動2.半自動3.自動手動控制通過手動調(diào)節(jié)電動調(diào)節(jié)閥來控制流量，在這種狀態(tài)下需要設(shè)置泡沫原液與水的混合比。半自動控制半自動控制：在半自動操作方式中，要求的泡沫流體QS將根據(jù)開挖倉中的支承壓力注入。為此目的，泡沫泵流量將一直變化直到要求的設(shè)定值顯示在指示表上。自動控制在系統(tǒng)自動操作中，泡沫生產(chǎn)可以實現(xiàn)，不需外部干涉，僅依據(jù)掘進速度，泡沫公式和開挖倉中的壓力條件。水流量傳感器，測量水量經(jīng)PLC計算后變頻控制泡沫泵轉(zhuǎn)速保持混合比?？諝饬髁總鞲衅?，測量標(biāo)況下空氣流量，熱式質(zhì)量流量計，利用內(nèi)部加熱保持在同一溫度下單位時間計算空氣分子數(shù)量后換算成流量?？諝怆妱诱{(diào)節(jié)閥，通過閥的開度控制空氣流量，扳動面板上的旋扭其實就是控制和這個閥?；旌弦毫髁總鞲衅?，利用電磁原理測量流量，混合液電動調(diào)節(jié)閥，與空氣電動調(diào)節(jié)閥原理結(jié)構(gòu)皆相同，唯一不同的是Kvs值。泡沫發(fā)生器，空氣與混合液在里面經(jīng)過多孔結(jié)構(gòu)充分混合后可形成泡沫。附表：不同地層中泡沫劑的用量No土層用量(泡沫用量/開挖土體)1砂性土30~50%2砂和礫石性土25~35%3砂、黏土混合物25~30%4硬黏土20~35%5軟黏土20%6巖石90~100%泡沫系統(tǒng)注意事項1.定期清洗泡沫箱和管路，清洗時要將箱內(nèi)沉淀物和雜質(zhì)徹底清洗干凈。2.檢查泡沫泵的磨損情況，必要時更換磨損的組件。3.檢查壓縮空氣管路情況，必要時清洗管路。4.檢查電動閥和流量傳感器的工作情況，電動閥開閉動作是否正常，流量顯示是否正確，如有必要進行維修或更換。5.定期檢查旋轉(zhuǎn)接頭處的泡沫管路有無堵塞，如發(fā)生堵塞要及時清理。6.檢查泡沫劑儲量，當(dāng)泡沫劑余量小于0.3M3應(yīng)即時添加。

注漿系統(tǒng)

（0XX-206-000-000）作用：

填充盾構(gòu)前進后管片與地質(zhì)空隙

穩(wěn)定管片

減少地表沉降

注漿管路系統(tǒng)在盾構(gòu)施工中，注漿是十分重要的，由于刀盤開挖直徑比襯砌管片的直徑要大，當(dāng)盾尾抽脫后就形成空隙，如這一空隙不及時填充，上面的渣土要向下沉降，最終發(fā)生波及地面的地表沉陷，嚴(yán)重的會危及地表建筑物的安全。因此，需及時、適量的充填管片背后與隧道洞壁之間的空隙，防止隧道的周邊圍巖松動和漏水，防止地表沉陷，從而達到預(yù)防地表沉降的目的。背襯注漿促使管片環(huán)的早期穩(wěn)定，有利于盾構(gòu)機的順利推進。施工注漿分為同步注漿和及時注漿：（1）同步注漿：注漿作業(yè)與盾構(gòu)的推進作業(yè)同步進行，它是在盾尾孔隙的產(chǎn)生與注漿充填處理沒有時滯的狀態(tài)下實施的。由于暴露的洞壁和盾殼之間的間隙可以隨時充填，防止地表沉降的可靠性較高。（2）及時注漿：在地質(zhì)情況好的情況下使用。特殊情況下的注漿二次補強當(dāng)同步注漿效果不好或管片發(fā)生漏水、上浮或下沉?xí)r，需要從管片螺栓捅開處進行管片后二次注漿。雙液注漿

雙液漿分A液與B液，A液成份就是單液漿的成分，B液主要成分是水玻璃。在富水或高水壓地層中，不能及時凝固會發(fā)生噴涌，由于水玻璃就是一種速凝劑，可使?jié){液在短時間內(nèi)凝固（根據(jù)配比，快時幾分鐘即可凝固），故而采用雙液注漿。二次注漿和雙液漿的設(shè)備注漿最佳位置

由于注漿的原則是在不粘住盾尾和尾刷的情況下盡量靠前，因此推薦在第3～4環(huán)注漿。本系統(tǒng)配置兩個注漿泵，每個泵有兩個出口，注漿系統(tǒng)使用4根注漿管。為了通過控制液壓油流量來調(diào)整泵送注漿量，泵上裝有脈沖計數(shù)器，利用脈沖計數(shù)器計量泵的泵送次數(shù)。為了實現(xiàn)自動注漿的功能，在管路的注入端安裝了壓力傳感器，用于檢測注漿壓力。注漿量的確定注漿系統(tǒng)使用德國SCHWING液壓驅(qū)動柱塞泵，每個泵有2個出口。泵的持續(xù)注入壓力為30bar，持續(xù)注入流量每臺泵為12m3/h。計算過程如下：計算公式：式中：

Ds——開挖直徑6280mm；

D0——管片外徑6000mm；

V——掘進速度80mm/min；

A——注漿率1.5。(一般取1.2～1.5,注漿量為理論空隙量的120～150％)

Q=（6.28-6）×π×0.08×1.5/4≈0.324m3/min＝0.324×60＝19.44m3/h設(shè)備配置泵能力為2×12＝24m3/h注漿泵站注漿泵進口的閘閥只有在檢修泵時關(guān)閉，要經(jīng)常檢查此閥門的開閉情況，防止有人關(guān)閉此閥。另外注漿泵及注漿管在經(jīng)常清洗，以防管路堵塞。注漿系統(tǒng)主要原件注漿泵注漿球閥和傳感器砂漿罐采用電動攪拌。砂漿罐的盤根密封控制方式

注漿泵有流量及壓力控制，流量靠泵的動作次數(shù)來控制，動作次數(shù)有脈沖計數(shù)器來檢測，由此調(diào)節(jié)調(diào)速閥控制流量。但壓力控制更重要，所以要經(jīng)常觀察壓力顯示值是否正常，一般壓力保持在3BAR左右。過高，檢查管路是否堵塞，過低檢查電路是否不通或傳感器是否損壞。本設(shè)備由液壓動力站提供動力。泵送注漿量可以通過控制液壓油流量來調(diào)整。4個出口每個都裝有壓力計。在泵的沖程可檢驗的地方，每個油缸都裝有脈沖計數(shù)器。動作次數(shù)可以隨調(diào)速閥流量改變而變化。這樣每條線上的注漿量均可變化以適應(yīng)盾構(gòu)機的掘進速度。每個注漿點上的壓力計發(fā)出的信號可以用于控制注漿過程。打開和關(guān)閉點可以在操作員控制板上變化。1）.手動操作

將調(diào)速閥速度設(shè)定后，使用手動換向閥注入，觀察注入壓力，達到注入壓力后停止。2）.自動操作在自動操作中，所有4個注漿點都設(shè)有壓力連續(xù)監(jiān)測，如果壓力超過了最小靜壓力的預(yù)設(shè)值開始注漿。如果超過了最大靜壓力注漿就會停止，直到該值降到限制值以下然后再次開始。注漿系統(tǒng)控制板與盾構(gòu)機操作員控制室相連，以便盾構(gòu)機掘進一開始注漿站就有顯示。在管片的裝配與空閑期間，將繼續(xù)續(xù)進行注漿靜壓力檢測，如果預(yù)設(shè)最小靜壓力出現(xiàn)則注漿過程會自動開始。同步注漿管清洗注漿泵通過異形連接管和砂漿罐相連，連接段還包含清洗口。泵直接裝在砂漿罐的下方用于提高泵的效率。安裝有清潔水箱，泵的活塞部分浸在水箱內(nèi)便于活塞桿的清洗。根據(jù)中隧的施工經(jīng)驗，在設(shè)備橋注漿管路上配置有清洗口，4個清洗水口，4個高壓空氣口，打開手動球閥可利用空氣壓力形成高壓水從中間往兩端清洗整個管路。水、氣清洗裝置注意事項1）

要保證注漿泵能正常工作，注漿管路暢通，壓力顯示系統(tǒng)準(zhǔn)確無誤；2）漿液要從管片的對稱位置注入，防止產(chǎn)生偏壓使管片發(fā)生錯臺或損壞；3）

注漿過程中要密切關(guān)注管片的變形情況，若發(fā)現(xiàn)管片有破損、錯臺、上浮等現(xiàn)象應(yīng)立即停止注漿；4）當(dāng)注漿量突然增大時應(yīng)檢查是否發(fā)生了泄漏或注入掌子面，若發(fā)生前述現(xiàn)象應(yīng)停止注漿，妥善處理后再繼續(xù)注入；5)注漿過程中若發(fā)生管路堵塞，應(yīng)立即處理以防止管中漿液凝結(jié)；注意事項續(xù)6)注漿操作人員要經(jīng)常對注漿設(shè)備進行徹底的清洗；7)二次補強注漿每次結(jié)束要立即用水清洗注漿管；8）拌料時，水、膨潤土、水泥、砂要按照正確的順序進行投料。9）膨潤土、水泥不能有結(jié)塊。10）注漿設(shè)計壓力是指注漿孔空口壓力，而不是泵的工作壓力。11）注漿過程中，若在不提高注漿壓力而注漿量很大的情況下，就應(yīng)判斷是否有漏漿現(xiàn)象，應(yīng)立即進行調(diào)查。12）作業(yè)完畢后，攪拌機、運輸罐、泵、注漿管路一定要及時清理干凈，原則每一工作班（8小時）清理一次。13）若遇特殊情況，漿液在泵、注漿管路中停滯超過一個半小時，就必須進行清理或用膨潤土充滿管路。注漿常見問題一盾尾、掌子面漏漿

主要原因：一是盾尾刷磨損；二是盾尾與管片之間隙不均勻；三是襯背注漿壓力過高。處理辦法：1）盾尾漏漿：一般采取堵漏的方法，用棉紗進行封堵;2)掌子面漏漿：由于圍巖穩(wěn)定性等原因，造成盾殼與巖面間空隙過大，注漿時漿液會順著盾殼外壁漏進掌子面，遇這種情況，須利用盾殼膨潤土注入系統(tǒng)，向盾殼與巖壁間注入一膨潤土隔環(huán)，防止注漿流入掌子面。注漿常見問題二問題：管路堵塞。處理辦法：高壓水沖洗或人工清除，關(guān)鍵要及時清理，原則上每班一次。問題：第一次注漿沒有達到要求：處理辦法：二次注漿膨潤土系統(tǒng)

（0XX-208-000-000）作用：

改善碴土特性，便于施工

添加膨潤土的目的隨著含砂量的增加，加水就顯得不夠，因為它不能減小內(nèi)摩擦。增大的滲透性必須解決好螺旋輸送機的密封問題。細土粒含量的缺乏可以通過加入粘土和膨潤土懸浮液來補償。這樣孔隙里的水就可以通過膨脹的懸浮液限制，挖出的土料便可變成流動性很好、滲透性降低的可塑性土漿了。添加膨潤土的原因（1）渣土流動性增強，粘稠度降低，滲透性降低；（2）降低刀盤和土倉粘住和堵塞的風(fēng)險；（3）增加盾構(gòu)機在EPB模式下的壓力穩(wěn)定性；（4）降低刀盤和螺旋輸送機的驅(qū)動力矩，更經(jīng)濟；（5）降低刀盤和螺旋輸送機的功率損耗。膨潤土介紹膨潤土(Bentonite)按譯音,是以蒙脫石為主的含水粘土礦,蒙脫石的化學(xué)成分為:（Al2,Mg3）[Si4O10][OH]2?nH2O,由于它具有特殊的性質(zhì)。如:膨潤性、粘結(jié)性、吸附性、催化性、觸變性、懸浮性以及陽離子交換性等等,所以廣泛用于各個工業(yè)領(lǐng)域。國外已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)