流体培训-碴土改良

盾构注入系统中铁隧道装备制造有限公司研究院流体所

2010-11-02本幻灯片展示以下内容：

泡沫系统

注浆系统

膨润土系统泡沫系统

（0XX-207-000-000）作用：1.改善碴土特性，使盾构前方土体均匀便于施工；2.稳定掌子面；3.降低土的渗透系数,起到隔水的作用;4.降低刀盘扭矩,减少机具磨损;5.减少土的粘性,防止“泥饼”现象。

流体系统培训添加泡沫的具体表现（1）对于富含水砂层，一方面止水，另一方面可以改善砂的和易性；（2）在砂性土和砂砾土地层中，添加泡沫可以起到支撑作用而且可以改善土的流动性；（3）在粘性土层，添加泡沫则可以防止渣土附着刀盘和土仓室内壁，另一方面，由于泡沫中的微细气泡可以置换土颗粒中的空隙水，因而可以到达止水效果。添加泡沫的原因在土压平衡式盾构的施工中，第一要用开挖出的土料作为支撑掌子面稳定的介质，第二要便于传送，能满足以上两个特点对支撑土料有以下要求：具有良好的塑性变形，软稠度，内摩擦角小及渗透率小。由于一般土壤不能完全满足这些特性，所以要进行改良。

添加泡沫对机械部分的作用

减少盾构机机械的磨损。土压平衡式盾构机在摩擦性较大土体中掘进时，与土体发生作用的刀具极易磨损，通过在刀盘上注入泡沫材料，可以降低土体的摩擦性，减小刀具的磨损。添加泡沫刀盘扭矩降低1.添加泡沫后刀盘扭矩明显降低，以至于功率消耗降低，节约施工成本。添加泡沫后推进速度加快泡沫生成机理当气体通过筛板上流动的液层时，一般可以观察到由气一液两相所形成的分散系统。当气体速度在足够大的范围内变动时，这种分散系统可分为三个组成部分。最下一层主要是单个气泡分散在液相中，即在该层中所含气体不多，而以液体为主，一般称它为鼓泡层。随着上升气体速度增加，这一层的厚度就渐次相应地降低，而在某些情况下，其气速达到相当大时，这一层几乎会消失。在鼓泡层以上的一层为泡沫法中主要的一层，被称为泡沫层，它是膜状的分散系统，是由通过液层的气流，以液膜的厚度相互分开的气泡所组成。当上升气流停止时，这一泡沫层几乎很快地消失，因此一般称它分运动状的泡沫层。在泡沫层的上部有大量的液滴悬浮在气流中，这一层称之为溅沫层。它在气体流速较大或液层较薄时尤为显著。泡沫注入系统泡沫系统的主要组成部分（一）动力单元：1.水泵2.泡沫原液泵泡沫系统的主要组成部分（二）控制生成单元：1.流量计:用来测量水、泡沫和水、空气的即时流量大小和累加流量的大小；2.电动调节球阀:通过调节电动调节球阀的电位计来控制球阀的开度，从而起到调节流量的作用；3.泡沫发生器。基本参数发泡率ｋａ指一个标准大气压Ｐａ下泡沫中气体体积和液体体积之比。在某一压力Ｐ下的泡沫的发泡倍率ｋｐ为：在标准大气压下：发泡率约为12主要参数空气的流速：1～3m/s泡沫原液与水的比例：原液3%+水：97%土渣中的泡沫用量：

20%~40%（包括泡沫原液，水，空气），空气占泡沫的92%泡沫发生器:4个注入管线数量:4条(供刀盘、螺旋机、隔板土仓)泡沫注入点:18个泡沫存储罐容量:1M3泡沫泵流量:5～300l/h泡沫泵用电机：0.75kW泡沫泵压力：9bar水泵流量：133l/min水泵用电机：11kW水泵压力：8bar泡沫添加剂使用用量：46.7l/m(理论值）控制方式1.手动2.半自动3.自动手动控制通过手动调节电动调节阀来控制流量，在这种状态下需要设置泡沫原液与水的混合比。半自动控制半自动控制：在半自动操作方式中，要求的泡沫流体QS将根据开挖仓中的支承压力注入。为此目的，泡沫泵流量将一直变化直到要求的设定值显示在指示表上。自动控制在系统自动操作中，泡沫生产可以实现，不需外部干涉，仅依据掘进速度，泡沫公式和开挖仓中的压力条件。水流量传感器，测量水量经PLC计算后变频控制泡沫泵转速保持混合比。空气流量传感器，测量标况下空气流量，热式质量流量计，利用内部加热保持在同一温度下单位时间计算空气分子数量后换算成流量。空气电动调节阀，通过阀的开度控制空气流量，扳动面板上的旋扭其实就是控制和这个阀。混合液流量传感器，利用电磁原理测量流量，混合液电动调节阀，与空气电动调节阀原理结构皆相同，唯一不同的是Kvs值。泡沫发生器，空气与混合液在里面经过多孔结构充分混合后可形成泡沫。附表：不同地层中泡沫剂的用量No土层用量(泡沫用量/开挖土体)1砂性土30~50%2砂和砾石性土25~35%3砂、黏土混合物25~30%4硬黏土20~35%5软黏土20%6岩石90~100%泡沫系统注意事项1.定期清洗泡沫箱和管路，清洗时要将箱内沉淀物和杂质彻底清洗干净。2.检查泡沫泵的磨损情况，必要时更换磨损的组件。3.检查压缩空气管路情况，必要时清洗管路。4.检查电动阀和流量传感器的工作情况，电动阀开闭动作是否正常，流量显示是否正确，如有必要进行维修或更换。5.定期检查旋转接头处的泡沫管路有无堵塞，如发生堵塞要及时清理。6.检查泡沫剂储量，当泡沫剂余量小于0.3M3应即时添加。

注浆系统

（0XX-206-000-000）作用：

填充盾构前进后管片与地质空隙

稳定管片

减少地表沉降

注浆管路系统在盾构施工中，注浆是十分重要的，由于刀盘开挖直径比衬砌管片的直径要大，当盾尾抽脱后就形成空隙，如这一空隙不及时填充，上面的渣土要向下沉降，最终发生波及地面的地表沉陷，严重的会危及地表建筑物的安全。因此，需及时、适量的充填管片背后与隧道洞壁之间的空隙，防止隧道的周边围岩松动和漏水，防止地表沉陷，从而达到预防地表沉降的目的。背衬注浆促使管片环的早期稳定，有利于盾构机的顺利推进。施工注浆分为同步注浆和及时注浆：（1）同步注浆：注浆作业与盾构的推进作业同步进行，它是在盾尾孔隙的产生与注浆充填处理没有时滞的状态下实施的。由于暴露的洞壁和盾壳之间的间隙可以随时充填，防止地表沉降的可靠性较高。（2）及时注浆：在地质情况好的情况下使用。特殊情况下的注浆二次补强当同步注浆效果不好或管片发生漏水、上浮或下沉时，需要从管片螺栓捅开处进行管片后二次注浆。双液注浆

双液浆分A液与B液，A液成份就是单液浆的成分，B液主要成分是水玻璃。在富水或高水压地层中，不能及时凝固会发生喷涌，由于水玻璃就是一种速凝剂，可使浆液在短时间内凝固（根据配比，快时几分钟即可凝固），故而采用双液注浆。二次注浆和双液浆的设备注浆最佳位置

由于注浆的原则是在不粘住盾尾和尾刷的情况下尽量靠前，因此推荐在第3～4环注浆。本系统配置两个注浆泵，每个泵有两个出口，注浆系统使用4根注浆管。为了通过控制液压油流量来调整泵送注浆量，泵上装有脉冲计数器，利用脉冲计数器计量泵的泵送次数。为了实现自动注浆的功能，在管路的注入端安装了压力传感器，用于检测注浆压力。注浆量的确定注浆系统使用德国SCHWING液压驱动柱塞泵，每个泵有2个出口。泵的持续注入压力为30bar，持续注入流量每台泵为12m3/h。计算过程如下：计算公式：式中：

Ds——开挖直径6280mm；

D0——管片外径6000mm；

V——掘进速度80mm/min；

A——注浆率1.5。(一般取1.2～1.5,注浆量为理论空隙量的120～150％)

Q=（6.28-6）×π×0.08×1.5/4≈0.324m3/min＝0.324×60＝19.44m3/h设备配置泵能力为2×12＝24m3/h注浆泵站注浆泵进口的闸阀只有在检修泵时关闭，要经常检查此阀门的开闭情况，防止有人关闭此阀。另外注浆泵及注浆管在经常清洗，以防管路堵塞。注浆系统主要原件注浆泵注浆球阀和传感器砂浆罐采用电动搅拌。砂浆罐的盘根密封控制方式

注浆泵有流量及压力控制，流量靠泵的动作次数来控制，动作次数有脉冲计数器来检测，由此调节调速阀控制流量。但压力控制更重要，所以要经常观察压力显示值是否正常，一般压力保持在3BAR左右。过高，检查管路是否堵塞，过低检查电路是否不通或传感器是否损坏。本设备由液压动力站提供动力。泵送注浆量可以通过控制液压油流量来调整。4个出口每个都装有压力计。在泵的冲程可检验的地方，每个油缸都装有脉冲计数器。动作次数可以随调速阀流量改变而变化。这样每条线上的注浆量均可变化以适应盾构机的掘进速度。每个注浆点上的压力计发出的信号可以用于控制注浆过程。打开和关闭点可以在操作员控制板上变化。1）.手动操作

将调速阀速度设定后，使用手动换向阀注入，观察注入压力，达到注入压力后停止。2）.自动操作在自动操作中，所有4个注浆点都设有压力连续监测，如果压力超过了最小静压力的预设值开始注浆。如果超过了最大静压力注浆就会停止，直到该值降到限制值以下然后再次开始。注浆系统控制板与盾构机操作员控制室相连，以便盾构机掘进一开始注浆站就有显示。在管片的装配与空闲期间，将继续续进行注浆静压力检测，如果预设最小静压力出现则注浆过程会自动开始。同步注浆管清洗注浆泵通过异形连接管和砂浆罐相连，连接段还包含清洗口。泵直接装在砂浆罐的下方用于提高泵的效率。安装有清洁水箱，泵的活塞部分浸在水箱内便于活塞杆的清洗。根据中隧的施工经验，在设备桥注浆管路上配置有清洗口，4个清洗水口，4个高压空气口，打开手动球阀可利用空气压力形成高压水从中间往两端清洗整个管路。水、气清洗装置注意事项1）

要保证注浆泵能正常工作，注浆管路畅通，压力显示系统准确无误；2）浆液要从管片的对称位置注入，防止产生偏压使管片发生错台或损坏；3）

注浆过程中要密切关注管片的变形情况，若发现管片有破损、错台、上浮等现象应立即停止注浆；4）当注浆量突然增大时应检查是否发生了泄漏或注入掌子面，若发生前述现象应停止注浆，妥善处理后再继续注入；5)注浆过程中若发生管路堵塞，应立即处理以防止管中浆液凝结；注意事项续6)注浆操作人员要经常对注浆设备进行彻底的清洗；7)二次补强注浆每次结束要立即用水清洗注浆管；8）拌料时，水、膨润土、水泥、砂要按照正确的顺序进行投料。9）膨润土、水泥不能有结块。10）注浆设计压力是指注浆孔空口压力，而不是泵的工作压力。11）注浆过程中，若在不提高注浆压力而注浆量很大的情况下，就应判断是否有漏浆现象，应立即进行调查。12）作业完毕后，搅拌机、运输罐、泵、注浆管路一定要及时清理干净，原则每一工作班（8小时）清理一次。13）若遇特殊情况，浆液在泵、注浆管路中停滞超过一个半小时，就必须进行清理或用膨润土充满管路。注浆常见问题一盾尾、掌子面漏浆

主要原因：一是盾尾刷磨损；二是盾尾与管片之间隙不均匀；三是衬背注浆压力过高。处理办法：1）盾尾漏浆：一般采取堵漏的方法，用棉纱进行封堵;2)掌子面漏浆：由于围岩稳定性等原因，造成盾壳与岩面间空隙过大，注浆时浆液会顺着盾壳外壁漏进掌子面，遇这种情况，须利用盾壳膨润土注入系统，向盾壳与岩壁间注入一膨润土隔环，防止注浆流入掌子面。注浆常见问题二问题：管路堵塞。处理办法：高压水冲洗或人工清除，关键要及时清理，原则上每班一次。问题：第一次注浆没有达到要求：处理办法：二次注浆膨润土系统

（0XX-208-000-000）作用：

改善碴土特性，便于施工

添加膨润土的目的随着含砂量的增加，加水就显得不够，因为它不能减小内摩擦。增大的渗透性必须解决好螺旋输送机的密封问题。细土粒含量的缺乏可以通过加入粘土和膨润土悬浮液来补偿。这样孔隙里的水就可以通过膨胀的悬浮液限制，挖出的土料便可变成流动性很好、渗透性降低的可塑性土浆了。添加膨润土的原因（1）渣土流动性增强，粘稠度降低，渗透性降低；（2）降低刀盘和土仓粘住和堵塞的风险；（3）增加盾构机在EPB模式下的压力稳定性；（4）降低刀盘和螺旋输送机的驱动力矩，更经济；（5）降低刀盘和螺旋输送机的功率损耗。膨润土介绍膨润土(Bentonite)按译音,是以蒙脱石为主的含水粘土矿,蒙脱石的化学成分为:（Al2,Mg3）[Si4O10][OH]2•nH2O,由于它具有特殊的性质。如:膨润性、粘结性、吸附性、催化性、触变性、悬浮性以及阳离子交换性等等,所以广泛用于各个工业领域。国外已在工农业生产