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(jī)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(dòng)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(xì)氣泡可以置換土顆粒中的空隙水，因而可以到達(dá)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(gè)特點(diǎn)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(jìn)行改良。

添加泡沫對機(jī)械部分的作用

減少盾構(gòu)機(jī)機(jī)械的磨損。土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)在摩擦性較大土體中掘進(jìn)時(shí)，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(jìn)速度加快泡沫生成機(jī)理當(dāng)氣體通過篩板上流動(dòng)的液層時(shí)，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(dòng)時(shí)，這種分散系統(tǒng)可分為三個(gè)組成部分。最下一層主要是單個(gè)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(dá)到相當(dāng)大時(shí)，這一層幾乎會(huì)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(shí)，這一泡沫層幾乎很快地消失，因此一般稱它分運(yùn)動(dòng)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(shí)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(dòng)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(jì):用來測量水、泡沫和水、空氣的即時(shí)流量大小和累加流量的大?。?.電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥:通過調(diào)節(jié)電動(dòng)調(diào)節(jié)球閥的電位計(jì)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(gè)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(gè)注入管線數(shù)量:4條(供刀盤、螺旋機(jī)、隔板土倉)泡沫注入點(diǎn):18個(gè)泡沫存儲罐容量:1M3泡沫泵流量:5～300l/h泡沫泵用電機(jī)：0.75kW泡沫泵壓力：9bar水泵流量：133l/min水泵用電機(jī)：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(dòng)2.半自動(dòng)3.自動(dòng)手動(dòng)控制通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電動(dòng)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(dòng)控制半自動(dòng)控制：在半自動(dòng)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(dòng)控制在系統(tǒng)自動(dòng)操作中，泡沫生產(chǎn)可以實(shí)現(xiàn)，不需外部干涉，僅依據(jù)掘進(jìn)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(jì)算后變頻控制泡沫泵轉(zhuǎn)速保持混合比?？諝饬髁總鞲衅鳎瑴y量標(biāo)況下空氣流量，熱式質(zhì)量流量計(jì)，利用內(nèi)部加熱保持在同一溫度下單位時(shí)間計(jì)算空氣分子數(shù)量后換算成流量?？諝怆妱?dòng)調(diào)節(jié)閥，通過閥的開度控制空氣流量，扳動(dòng)面板上的旋扭其實(shí)就是控制和這個(gè)閥?；旌弦毫髁總鞲衅?，利用電磁原理測量流量，混合液電動(dòng)調(diào)節(jié)閥，與空氣電動(dòng)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(xiàng)1.定期清洗泡沫箱和管路，清洗時(shí)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(shí)更換磨損的組件。3.檢查壓縮空氣管路情況，必要時(shí)清洗管路。4.檢查電動(dòng)閥和流量傳感器的工作情況，電動(dòng)閥開閉動(dòng)作是否正常，流量顯示是否正確，如有必要進(jìn)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(shí)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(shí)添加。

注漿系統(tǒng)

（0XX-206-000-000）作用：

填充盾構(gòu)前進(jìn)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(shí)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(huì)危及地表建筑物的安全。因此，需及時(shí)、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(dòng)和漏水，防止地表沉陷，從而達(dá)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(jī)的順利推進(jìn)。施工注漿分為同步注漿和及時(shí)注漿：（1）同步注漿：注漿作業(yè)與盾構(gòu)的推進(jìn)作業(yè)同步進(jìn)行，它是在盾尾孔隙的產(chǎn)生與注漿充填處理沒有時(shí)滯的狀態(tài)下實(shí)施的。由于暴露的洞壁和盾殼之間的間隙可以隨時(shí)充填，防止地表沉降的可靠性較高。（2）及時(shí)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(bǔ)強(qiáng)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(jìn)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(shí)凝固會(huì)發(fā)生噴涌，由于水玻璃就是一種速凝劑，可使?jié){液在短時(shí)間內(nèi)凝固（根據(jù)配比，快時(shí)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(gè)注漿泵，每個(gè)泵有兩個(gè)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(jì)數(shù)器，利用脈沖計(jì)數(shù)器計(jì)量泵的泵送次數(shù)。為了實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(dòng)柱塞泵，每個(gè)泵有2個(gè)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(jì)算過程如下：計(jì)算公式：式中：

Ds——開挖直徑6280mm；

D0——管片外徑6000mm；

V——掘進(jìn)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(jìn)口的閘閥只有在檢修泵時(shí)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(dòng)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(dòng)作次數(shù)來控制，動(dòng)作次數(shù)有脈沖計(jì)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(dòng)力站提供動(dòng)力。泵送注漿量可以通過控制液壓油流量來調(diào)整。4個(gè)出口每個(gè)都裝有壓力計(jì)。在泵的沖程可檢驗(yàn)的地方，每個(gè)油缸都裝有脈沖計(jì)數(shù)器。動(dòng)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(jī)的掘進(jìn)速度。每個(gè)注漿點(diǎn)上的壓力計(jì)發(fā)出的信號可以用于控制注漿過程。打開和關(guān)閉點(diǎn)可以在操作員控制板上變化。1）.手動(dòng)操作

將調(diào)速閥速度設(shè)定后，使用手動(dòng)換向閥注入，觀察注入壓力，達(dá)到注入壓力后停止。2）.自動(dòng)操作在自動(dòng)操作中，所有4個(gè)注漿點(diǎn)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(huì)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(jī)操作員控制室相連，以便盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)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(jìn)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(huì)自動(dòng)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(yàn)，在設(shè)備橋注漿管路上配置有清洗口，4個(gè)清洗水口，4個(gè)高壓空氣口，打開手動(dòng)球閥可利用空氣壓力形成高壓水從中間往兩端清洗整個(gè)管路。水、氣清洗裝置注意事項(xiàng)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(cuò)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(cuò)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(shí)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(xiàng)續(xù)6)注漿操作人員要經(jīng)常對注漿設(shè)備進(jìn)行徹底的清洗；7)二次補(bǔ)強(qiáng)注漿每次結(jié)束要立即用水清洗注漿管；8）拌料時(shí)，水、膨潤土、水泥、砂要按照正確的順序進(jìn)行投料。9）膨潤土、水泥不能有結(jié)塊。10）注漿設(shè)計(jì)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(jìn)行調(diào)查。12）作業(yè)完畢后，攪拌機(jī)、運(yùn)輸罐、泵、注漿管路一定要及時(shí)清理干凈，原則每一工作班（8小時(shí)）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(gè)半小時(shí)，就必須進(jìn)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(jìn)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(shí)漿液會(huì)順著盾殼外壁漏進(jìn)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(shí)清理，原則上每班一次。問題：第一次注漿沒有達(dá)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?yàn)樗荒軠p小內(nèi)摩擦。增大的滲透性必須解決好螺旋輸送機(jī)的密封問題。細(xì)土粒含量的缺乏可以通過加入粘土和膨潤土懸浮液來補(bǔ)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(dòng)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(dòng)性增強(qiáng)，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(xiǎn)；（3）增加盾構(gòu)機(jī)在EPB模式下的壓力穩(wěn)定性；（4）降低刀盤和螺旋輸送機(jī)的驅(qū)動(dòng)力矩，更經(jīng)濟(jì)；（5）降低刀盤和螺旋輸送機(jī)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(gè)工業(yè)領(lǐng)域。國外已在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)