09灌浆施工自动化

1、第九节 灌浆施工自动化1 钻孔自动记录系统钻孔工序在灌浆工程中是首先进行的，钻孔过程中所获得的信息是指导随后进行灌浆的重要资料和依据；钻孔工序所消耗的工时在灌浆工程中占有很大的比重。因此国内外一直都致力于钻孔机具和钻孔方法的持续改进，努力提高钻孔施工效率。近一二十年，欧美国家将计算机技术和信息技术引入钻孔设备中，开发了钻孔自动记录系统，并已经投入了实用。法国和意大利工程师设计和研制的钻孔参数记录仪，是将各种传感器安装到钻孔机械上，计算机对传感器传回的信号进行处理运算，然后输出各种技术数据，包括：回转速度、钻进压力、扭矩、钻进速率，循环液漏失情况等。有的系统的还可对获得的技术数据与已有的勘探和灌

2、浆资料进行比较，加工处理得出地层的岩性、风化程度、裂隙发育状况和渗漏程度等，甚至对应当采取的灌浆措施、灌浆参数提出建议，从而大大提高了灌浆施工的预见性、科学性。我国的灌浆施工中尚未见使用这样的技术。2 灌浆自动记录灌浆施工记录是记载灌浆过程参数的凭证，是评价判断灌浆质量的重要依据之一，同时又是计量灌浆工程量进行经济结算的依据。而这些参数的测量和记录又极易受到人为因素的影响。运用电子计算机对灌浆过程中的技术参数进行自动采集和记录，以及按设定程序对灌浆过程进行自动控制的技术，上世纪七八十年代在发达国家已经开始应用。我国从 1985 年开始将灌浆自动记录仪和灌浆自动控制技术列入国家 “六五” 、 “

3、七五”科技攻关任务，1987 年 2 月由中国水利水电基础工程局科研所和天津大学电力及自动化工程系合作研制的我国第一台灌浆自动记录仪通过科技成果鉴定。我国研制和使用灌浆自动记录仪虽然起步较晚，但起点较高，进步很快，目前我国已有几家单位能够生产满 足施工要求的灌浆自动记录仪，相反国外的多种记录仪虽然性能很好，但都不太适用我 国习用的循环式灌浆的特点，价格也很昂贵。1994年颁布的水工建筑物水泥灌浆施工技术规范SL62-1994首次规定“灌浆工程宜使用测记灌浆压力、注入率等施工参数的自动记录仪”。2001年水工建筑物水泥灌浆施工技术规范DL/T5148-2001规定“重要工程的帷幕灌浆和高压固结灌

4、浆，应使用灌浆自动记录仪”。2.1 灌浆自动记录仪的类型在灌浆工序中对最终灌浆质量有影响的施工参数很多，但影响最大和最直接的是灌 浆时间、灌浆压力、注入率、浆液密度、地面抬动等，它们各自对灌浆质量的影响和管 理的难度见表2-9-1 。表2-9-1影响灌浆质量的主要施工参数参数名称物理意义对灌浆质量的影响及影响程度人工记录发生差错的可能性自动记录的复杂性时间灌浆过程延续的时间纯灌时间、达到结束条件的持续时间 的长短反映灌浆过程是否符合规程要求。 时间过短可能导致灌浆不足。时间有时（如 压水试验）也是结算的依据。对灌浆质量 影响很大。时间（时刻）也是其它参变数的位置 坐标可能缩短实际灌浆时间简单压

5、力灌浆能量的来源压力过低使得注入量减少，灌浆不足。压力过高引起地层及建筑物破坏。压力的大小也决定或影响注入率的大小和灌浆时可由操作者的调 节随时改变，发 生差错的可能性较简单间的长短。对灌浆质量影响很大最大注入率灌浆材料消耗的反映注入率大小应与灌浆压力协调控制， 当大则大，当小则小。注入率决定注入量， 注入量是进行工程结算的依据。对灌浆质 量影响很大可能加大或缩小注入率较复杂浆液密度施工中浆液质量的体现水灰比的大小应符合设计要求或与注 入率相适应，不适当地变小水灰比将促使 提前结束灌浆，从而导致灌浆不足。对灌 浆质量影响大配制浆液密度与 实际灌注浆液密 度有一定误差复杂岩体抬动灌浆引起地 层或

6、建筑物 的位移在敏感部位可能导致地层或建筑物的破坏。在有的情况下影响很大难以做到连续观测和记录较复杂对应于表2-9-1所列施工技术参数，国内科研或施工单位开发了能够记录1个至4个参数（时间参数在外，以下同）的记录仪（表 2-9-1和图2-9-2 ）。从技术上讲，记录这些参数都并非难事，但从工程必要性和经济实用性两方面考虑，目前使用最多的还是能记录压力和流量的两参数自动记录仪。上世纪九十年代，日本坝工中心利用放射性同位素技术，研制了一种三元灌浆计（ Three element grouting gauge ）,可以连续测量灌浆压力、注入率和浆液浓度，并在多个大坝灌浆工程中应用。鉴于同位素技术过于

7、昂贵，各国都在寻求用比较经济可靠的方法检测浆液密度，如重力法、浮力法和压强法等，我国目前对各种方法（包括同位素法）都有研究和应用。表2-9-2灌浆自动记录仪的种类记录仪种类记录内容基本原理价格使用普及 程度灌浆压力计灌浆时间、压力以弹簧发条控制时间、压力指针描画压力曲线低渐少灌浆自动记录仪灌浆时间、压力、注入以压力变送器、流量变送器检测压力、流量，计算机对压力流量信号进较贵多率行处理、显小和记录三元灌浆记录仪灌浆时间、压力、注入 率、浆液密 度同上，但增加了密度传感器及密度信 号处理。密度检测的原理有放射性同 位素法、超声波法、重力（浮力）法、 压强法等贵或很贵少四参数灌浆 监测系统灌浆时间、

8、 压力、注入 率、浆液密 度、地面抬动以压力变送器、流量变送器、密度传 感器和位移传感器分别检测灌浆压 力、流量、浆液密度和地面抬动，计 算机对信号进行处理、显示和记录贵或很贵很少图2-9-1为我国制造的单孔灌浆自动记录仪（ a）和可同时记录8个孔段的灌浆参数 记录仪（b）。值得指出的是，虽然灌浆自动记录仪可以提高灌浆数据的可信度和工程的精确度， 可以减轻技术人员和工人的劳动强度、提高工作效率，但是自动记录仪不能代替质量管 理，使用自动记录仪不能自动地提高灌浆工程质量。图2-9-1几种灌浆自动记录仪a-单孔灌浆自动记录仪；b-8路灌浆记录系统2.2 自动记录仪的构造和基本要求2.2.1 记录仪

9、的组成与技术原理主机和打印存储等三大部分。一台灌浆自动记录仪或自动记录系统应当包括传感器、主机硬件部分主要由六块模板组成，包括主机板、键盘版、A/D转换板、I/V转换及打印板和显示器板，国外和我国早期的记录仪还有长图仪控制板(图 2-9-2 ),六部分电 路通过数据总线连接。流量传感器和压力传感器采集的灌浆过程中的压力、注入率等物理量的模拟信号输入I/V转换及长图仪控制板，压力和注入率的模拟值一路输至长图仪，一路进入A/D板,经模数转换后输至主机板运算处理，主机板再分送至显示器板由液晶数字显示压力、注 入率的实际值，分送至打印机板控制打印机打印出时间和各项数据。键盘与主机板相连， 实现人机对话

10、。稳压电源主机1闻转换建盘 A/D转换 打印机 显示图2-9-2自动记录仪硬件原理框图2.2.2 对记录仪的基本要求根据我国的实际情况，灌浆自动记录仪应当具备如下基本功能：(1)应能满足连续记录灌浆压力、注入率等基本参数的要求。(2)打印记录参数的时间间隔不宜大于5min,各项参数以记录间隔时段内的平均值为宜，灌浆压力最好能同时记录平均值和最大值。(3)应能适用纯压式和循环式两种灌浆方法。(4)记录参数的精度应高于常规计量的方法或满足灌浆规范的要求。常规采用压力表计量压力的精度等级通常为 2.5级，规范要求制浆材料的计量误差应小于5%(5)灌浆现场工作环境较差，因此记录仪应具有较强的抗潮湿、抗

11、电磁干扰性能， 工作稳定性好。应具有断电数据保护功能，万一发生故障时，防止资料的损失。（ 6）操作维护简单，适于一线作业人员使用。（ 7）较低的价格。2.3 记录仪在灌浆管路中的连接形式由于灌浆的管路连接方式不同，因此自动记录仪在灌浆管路中也有多种连接方式。2.3.1 纯压式灌浆国外灌浆以纯压式为主，因此国外的自动记录仪都是适用这种方式，如图2-9-3 。2.3.2 循环式灌浆我国的灌浆较多采用循环式，记录仪在循环式管路系统中有多种连接方法。比较实用有效的连接方法有如下两种：（ 1）使用一个流量传感器这种连接法如图2-9-4a ，它的优点是可以节约一个流量传感器，较多地降低了记录仪的价格，记录

12、质量基本可满足要求。缺点是储浆搅拌机至灌浆泵间的管路内浆液有时会沉淀，有时又通过流量计回流，使计量失准；同时回浆桶敞开，易人为改变流量数据；每隔一定时段，要进行浆液大循环（即回浆不进入回浆桶，直接进入储浆搅拌机），操作较复杂。（ 2）使用两个流量变送器接法如图2-9-4b ，它可以避免上述的多项缺点，不足之处是需用两个流量传感器，提高了记录仪的价格，同时对两个流量传感器性能的一致性要求较高。2.4 使用自动记录仪的其他注意事项2.4.1 使用记录仪的灌浆结束条件水工建筑物水泥灌浆施工技术规范规定了各种灌浆的结束条件（见第六节3.8等） ，但这些条件基本上是在长期的以手工进行记录的施工实践经验基

13、础上总结出来的，因而在使用记录仪进行记录和施工时，现有的灌浆结束条件并不完全适应。（ 1） 现有结束条件中的注入率标准为不大于1L/min ， 但一般记录仪的流量传感器的精度在流量减小到1L/min 以下时会显著降低，流量越小，精度降低越严重。（ 2）对于孔口封闭法灌浆来说，结束条件中的“持续时间”原来是考虑了有一些时间要用于活动钻杆（灌浆管）的，在活动钻杆时通常要降低或解除灌浆压力。手工记录时这一个细节并不予以反映。使用记录仪后灌浆结束阶段长时间的高压浓浆灌注，使得操作十分困难，甚至屡屡发生“铸管”事故。对此，虽然已经发明了一些办法，但也仅是可部分地解决这一问题，而且毕竟使施工复杂化，工耗和

14、能耗增加。我国目前尚没有妥善解决上述问题的规范性规定。有的工程采取了适当缩短“持续时间”，或允许在持续时间内有20%-30%勺压力和注入率小于规定值。还有一些记录仪通过在软件系统中设置某种程序，来“修改”实际情况，以满足规程要求，这是不可取的。2.4.2 记录仪的维护保管灌浆自动记录仪属于贵重仪器，它的价值在钻孔灌浆设备中占有较大的比重，因此应当注意爱惜，正确使用。（ 1）应当仔细阅读产品说明书，搞清安装要求，操作方法步骤。不要盲目使用。（ 2）记录仪毕竟是电子仪器，各家产品虽然都有防潮、防水、防震、防电磁干扰等措施，但使用时仍应尽量避免潮湿、水淋、强烈震动和强电磁环境。（ 3）最好能安排专人

15、操作，专人维修。（ 4）当采用循环式灌浆时，记录仪最好使用双流量计，采用图2-9-4b 工作方式。使用一个流量计时，应注意经常进行大小循环转换。（ 5）灌浆结束后及时将灌浆管路冲洗干净，特别是传感器的电极或其它敏感部位要防止水泥颗粒的沉淀凝结。19a）(b)图 2-9-3 纯压式灌浆管路中自动记录仪的连接a- 国产两参数记录仪在管路中：1- 储浆搅拌机；2- 灌浆泵；3- 记录仪主机；4- 压力表和压力传感器；5- 灌浆孔；6- 阀门； 7- 管路； 8- 流量传感器；10-信号电缆b- 日本三元灌浆计系统：1-长图仪；2-记录仪主机；3-信号电缆；4- 压力流量检测器；5- 密度检测器；6-

16、 储浆搅拌器；7- 灌浆泵；8- 灌浆孔；9- 自动阀（6）对记录仪的测量精度应定期地（或经过搬迁后）进行校验或检定。目前水电工程所在地大多不具备对灌浆自动记录仪进行计量检定的能力，可由施工单位在现场使用经过检定的压力表、水表，对记录仪进行通水校验。校验工作可在监理人员参加下进行。（ 7） 严禁使用人员随意修改记录仪的程序。因故需要对记录仪原有程序进行修改时，应通过原制造单位进行，以免损坏仪器。（a）（b）图 2-9-4 自动记录仪在循环式灌浆管路中的连接a- 使用一个流量传感器的连接方式；b- 使用两个流量传感器的连接方式1-储浆搅拌机；2-灌浆泵；3-记录仪主机；4-压力表和压力传感器；5

17、-灌浆孔；6-阀门； 7- 管路； 8-流量传感器；9-三通阀门；10-信号电缆；11-回浆桶及滤网3 灌浆施工自动化3.1 日本的全自动灌浆工厂日本是世界上较早推行灌浆施工自动化的国家，较大的工程都设有中央控制室，全面控制管理灌浆工艺流程。大内坝是一座堆石坝，坝基岩石为凝灰岩，灌浆工程分为铺盖灌浆和帷幕灌浆，在坝轴线处设有基础灌浆廊道，灌浆工程量10 万余米。施工前经对各种灌浆施工方法进行研究比较，为提高灌浆质量管理水平和节省劳动力，决定采用全自动化的灌浆工厂，如图 2-9-5 。它分为中央工厂、二次工厂和灌浆机组三部分。图 2-9-5 日本大内坝全自动灌浆工厂示意图中央灌浆工厂包括制浆系统

18、、输浆系统和控制室。制浆系统的作用是自动计量水、水泥和膨润土的重量，拌制浓度为1： 1 的原浆。输浆系统的作用一是储存原浆，二是根据控制系统的指令加水调制出规定浓度的浆液，用压缩空气压送到二次工厂。在二次工厂里装有搅拌桶和灌浆泵，搅拌桶出现浆液不够的情况时，就会发出信号给控制系统。灌浆泵为流量调节型的，由灌浆机组的电动阀门调节流量。注入流量和压力在灌浆机组用检测器检测，电动阀门也由检测器控制，在控制室调节流量和压力使其不超过规定的限度。检测器检测到的流量和压力值在控制室被记录下来。在控制室内装有制浆控制系统、输浆控制系统、灌浆自动记录装置和地基变位监测装置。根据预先编制好的程序，输浆系统可以在

19、需要变浆的时候，自动变换浆液的浓度。自动记录存储于磁带中，用计算机进行数据处理。控制室能随时掌握施工现场全部情况，监视灌浆作业和发出指令。大内坝自动灌浆工厂有4 套制浆系统和7 套输浆系统，可以同时供给21 台灌浆泵工作。3.2 我国的单机自动灌浆装置我国的灌浆习惯和技术条件与国外不同，一般要求采用循环式灌浆，灌浆泵多采用定量泵（在通常条件下输出流量不可改变），因而实现自动化的技术更复杂一些，代价更高一些。从目前的必要性和实用性而言，尚未提到紧迫的日程上。上世纪九十年代的国家重点科技攻关项目高坝地基处理技术中安排了单机自动灌浆装置的研究，由中国水利水电基础工程局和天津大学自动化工程系联合攻关，

20、取得了可喜的成果，为我国的灌浆施工全面自动化进行了技术准备。3.2.1 单机自动灌浆系统设备配置这套单机自动灌浆装置是针对一台灌浆泵灌注一个孔段进行控制的。它的主要设备配置如图2-9-6 。图 2-9-6 单机自动灌浆系统设备配置1-储浆搅拌机；2-灌浆泵；3-流量传感器；4-灌浆孔段；5-压力传感器；6-电动控制阀门；7-电动机；8- 变频器；9-灌浆自动控制装置；10-灌浆管路；11-信号采集线；12-控制线(1)灌浆方法和灌浆机具采用我国常用孔口封闭灌浆法和柱塞式灌浆泵。(2)传感器 该装置主要调节控制注入率和压力两个参数，采用电磁式流量传感器和单晶硅压力传感器。两个流量传感器分设于进浆

21、和回浆管路上，二者作减法运算之差 为孔段注入率。(3)控制计算机采用工业控制微机。(4)记录和显示采用了长图仪记录注入率、压力过程曲线，以数字形式实时显示注入率、压力的数值，打印机执行打印输出，存储器保存过程参数。(5)执行控制器该系统以灌浆泵的排浆量为主调节变量，以回浆阀的开度为辅调节变量。泵的排量的调节通过电机的转速调节来实现，电机的转速又由可控硅变频器调 节，其输出频率为 。50Hz连续可调。回浆阀由本身的伺服电机调节开度。3.2.2 自动灌浆系统硬件布局系统的硬件布局如图 2-9-7所示。图2-9-7自动灌浆系统的硬件布局3.2.3 自动灌浆系统的程序设计概要一个完整的灌浆过程包括：试

22、通水一裂隙冲洗一压水试验一灌浆一结束，灌浆阶段 又包括压力控制、浆液变换等。每一道工序就是一个子过程，每一个子过程都有各自的 工艺要求和结束转换条件。实现对灌浆过程的自动控制，就要对过程中的参数进行监测、分析判断，根据其结 果再对过程参数进行调整改变，以达到预期的目的。因此系统程序要具备决策、协调、 和控制执行三个层次的功能，是一个包括下列多个子系统的“自主智能控制系统”过程状态参数采集与记录系统；过程转换决策系统；浆液浓度变换决策系统；压力控制的双变量协调系统；智能PID压力控制系统；故障检测与保护系统。各个子系统通过层次式智能系统流程（图2-9-8 ）工作。B用1 J 短员-T- 卜I11

23、-人-F_t_却识原_| !件j r匚-广 -事实岸L t-'Lt1rn P ri1 ri p,T. F 广一一一一一"ir I!推用机5广一T !接整在 1过程我行器上一T卜上一f-F11 l一，jz_*_一福荣过程 I|! f. P ；I决域系统IP I协翘系浅卜-位力臣帮需i-H14Qij；1s 1j图2-9-8层次式智能系统工作流程过程参数P一灌浆压力；Q注入率；T时间；p 浆液密度；f变频器频率；a一阀门开度整个系统通过了计算机仿真研究和室内试验，并于1990年1月至3月在新安江水电站坝基防渗帷幕补强灌浆中试用。运行时除了浆液需要由外界按照其指令加入系统的储 浆桶以

24、外（此过程设计中暂未考虑），其余不需人工帮助，完全“自主”地按照事先设定 的程序，从安装好管路试通水开始，逐一完成各道工序，直至结束，效果令人满意。3.3灌浆自动监测系统灌浆自动监测系统是在灌浆参数自动记录的基础上发展起来的，是一项适应我国目 前生产力发展水平的灌浆自动监测和半自动控制技术。如图2-9-9所示，该系统由1台微机通过电缆实现1000m范围内同时管理 816台灌浆泵工作。图2-9-9灌浆自动监测系统示意图1-储浆搅拌机；2-灌浆泵；3-孔口进回浆管；4-灌浆孔；5-压力传感器；6-流量传感器;7-信号采集线；8-工控机；9-监视器；10-打印机；11-电话；12-传感器接口；13-

25、控制室；14-高压阀门；15-回浆桶系统监测的参数有灌浆压力、注入率，根据需要也可以增加浆液密度、地面抬动值。系统输出的数据有平均灌浆压力、最大灌浆压力、注入率、累计注入浆量、累计注入灰量、灌浆强度值（GIN）等，输出的曲线有灌浆压力一时间曲线、注入率一时间曲线、累计注灰量一时间曲线、GIN曲线等6种关系曲线，输出的表格有灌浆记录表、 压水试验记录表。各个孔段的灌浆压力、注入率、累计注灰量和GIN值实时显示在计算机的显示屏上，反映各孔段灌浆全过程的记录表格和曲线可根据指令随时予以调阅或打印。根据所获得的信息，施工技术人员、监理人员可以对一个孔段的灌浆过程进行检查、分析、判断决策，并通过专用电话

26、对施工机组的操作进行指挥，从而大大地加强了现场技术人员对灌浆操作的直接控制力，有效地保证了灌浆工程的质量。这套系统的另一个功能是与“灌浆数据处理系统”配套使用，由监测系统采集记录的各项数据，可自动地转入数据系统进行统计运算，直接生成满足规范要求的全套成果 表、单位注灰量和透水率频率曲线、综合剖面图等。灌浆自动监测系统在我国小浪底工程中首先采用，灌浆在隧洞中进行，控制室设在洞外，技术人员在控制室内通过显示屏和电话对灌浆机组的全部作业过程进行监控和指 挥，使用情况表明系统运行效果很好。现在该技术已推广到李家峡、水布娅、索风营等 等多项工程的灌浆施工中。图 2-9-10为该系统在小浪底施工现场控制室

27、。图2-9-10灌浆自动监测系统在小浪底工程现场4集中制浆站水泥浆的拌制与输送是灌浆自动化的重要组成部分。目前除国外有些工程的制浆工 厂实现了较高程度的自动化以外，半自动化或机械化的集中制浆站使用也较普遍。我国最早使用大型集中制浆站的是乌江渡水电站灌浆工程，以后在许多大的水电站 工地推广应用。4.1 乌江渡工程集中制浆站乌江渡水电站帷幕灌浆工程量近20万米，平均单位注灰量294.7kg/m,日耗灰100150t,工作面分散在多条隧洞里面，运距远，通风差，如果采用分散制浆是非常困难的。为此在两岸设置了集中制浆站，制浆站的设备配置如图2-9-11和表2-9-3。乌江渡集中制浆站采用了单阶式结构，水泥从水泥罐放出后直接落入搅拌机中，不需用螺旋输送机提升。水泥的称量使用叶轮给料器，通过给料器叶轮间的