CN111997654B - 一种盾构机注浆系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种盾构机注浆系统，包括搅拌站、浆液车、储浆罐、注浆泵、注浆管，所述注浆管包括出浆管，所述出浆管的外壁贯穿设置有第一输浆管、第二输浆管，所述第一输浆管、第二输浆管的外壁均设置有电磁闸阀，所述出浆管的一端固定连接有端盖，所述端盖的外壁贯穿设置有转轴，所述转轴位于出浆管内的一端通过轴承座与支架转动连接有活塞环，所述活塞环的外壁与出浆管的内壁滑动连接；本发明通过设置液压缸、转轴、活塞板、活塞环等，当盾构机完成一次推进与注浆作业后，可利用液压缸推动转轴带动活塞板及活塞环移动，可利用活塞环将出浆管管口内壁粘附的浆液残留推出出浆管，从而避免残留的浆液在管口处凝固后发生堵塞。
Description
技术领域
本发明涉及盾构注浆技术，具体是一种盾构机注浆系统。
背景技术
盾构机，全名叫盾构隧道掘进机，是一种隧道掘进的专用工程机械，现代盾构掘进机集光、机、电、液、传感、信息技术于一体，具有开挖切削土体、输送土碴、拼装隧道衬砌、测量导向纠偏等功能，涉及地质、土木、机械、力学、液压、电气、控制、测量等多门学科技术，而且要按照不同的地质进行“量体裁衣”式的设计制造，可靠性要求极高。盾构掘进机已广泛用于地铁、铁路、公路、市政、水电等隧道工程，在盾构施工中，由于刀盘开挖直径与盾构管片外径间存在空隙，同时因为地质条件、地下水、隧道埋深、掘进模式等因素的影响，易造成地层变形、管片错台、隧道漏水等不良现象，所以必须要对管片背后的空隙选择合理的注浆材料进行充填，盾构机注浆可起到一下效果：
1、防止地层变形：随着盾构机的掘进，管片脱离盾尾时，该部位的地层出现临时无支撑的凌空状态，致使管片背面的间隙变形或者局部坍塌，随围岩松散范围扩大，地面就产生沉降，如果用浆液及时的填充此间隙，地层变形或坍塌就受到约束，可以有效的控制地面沉降。
2、促进管片衬砌早期稳定：盾构隧道是管片衬砌和围岩一体化的结构，在盾构掘进的过程中，管片背面的空隙需及时均匀的填充，确保管片所受外力均匀，无偏压或集中应力现象。如果管片背面的空隙得不到及时的填充，管片处于无支撑或失稳状态，在盾构机巨大的推力下，管片之间容易出现错台、倾斜，严重时导致管片开裂。
3、提高隧道的抗渗能力：背后填充注浆能够提高盾构隧道的抗渗能力。管片脱出盾尾时，在管片背面形成空壳，用浆液及时的填充，浆液凝固时会形成一道防线，控制地下水深入隧道。
在目前的盾构设备中，同步注浆系统主要采用双液注浆和单液注浆两种设备。两种系统同步注浆相比较之下，单液浆注浆工法的浆液凝固速度慢，水泥浆凝固速度控制困难，对其加注扩散范围不易控制，压力浆液容易无序扩散，不但浪费浆液，且严重影响其填充加固效果；双液注浆工法可调整浆液的凝固时间，但由于双液浆一般是在注浆管混合腔内混合后注入地层的，因此易出现堵管现象。
发明内容
本发明的目的在于提供一种盾构机注浆系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种盾构机注浆系统，包括搅拌站、浆液车、储浆罐、注浆泵、注浆管，所述注浆管包括出浆管，所述出浆管的外壁贯穿设置有第一输浆管、第二输浆管，所述出浆管的一端固定连接有端盖，所述端盖的外壁贯穿设置有转轴，所述转轴位于出浆管内的一端通过轴承座与支架转动连接有活塞环，所述活塞环的外壁与出浆管的内壁滑动连接，所述注浆管还包括驱动机构，所述驱动机构包括液压缸，所述液压缸与盾构机的盾尾内壁固定连接，所述液压缸的活动端与转轴位于出浆管外的一端转动连接。
作为本发明进一步的方案：所述第一输浆管、第二输浆管的外壁均设置有电磁闸阀。
作为本发明进一步的方案：所述转轴位于出浆管内的一端均匀固定连接有多个搅拌叶。
作为本发明进一步的方案：所述转轴位于出浆管外部的外壁处活动套接有第一链轮，所述第一链轮与端盖转动连接，所述转轴的外壁对称开设有多个滑槽，所述第一链轮的内圈外壁对称固定连接有多个滑条，多个所述滑条分别位于对应的滑槽内，所述滑条与滑槽滑动连接。
作为本发明进一步的方案：所述驱动机构还包括电机，所述电机与盾构机的盾尾内壁固定连接。
作为本发明进一步的方案：所述电机的轴伸端固定连接有第二链轮，所述第二链轮与第一链轮通过链条传动连接。
作为本发明进一步的方案：所述转轴位于出浆管的内外壁转动套接有活塞板，所述搅拌叶位于活塞板、活塞环之间。
作为本发明进一步的方案：所述活塞板、活塞环的外壁均设置有密封圈。
作为本发明再进一步的方案：所述活塞板的侧壁均匀固定连接有多个连接杆，多个所述连接杆的一端与活塞环的侧壁固定连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、本发明通过设置液压缸、转轴、活塞板、活塞环，当盾构机完成一次推进与注浆作业后，可利用液压缸推动转轴带动活塞板及活塞环移动，可利用活塞环将出浆管管口内壁粘附的浆液残留推出出浆管，从而避免残留的浆液在管口处凝固后发生堵塞。
2、本发明通过设置电机、第一链轮、第二链轮、滑条、滑槽、搅拌叶等，在注浆过程中，可利用电机带动第二链轮转动，利用第二链轮与第一链轮的传动连接驱动转轴转动，从而利用多个搅拌叶对出浆管内的浆液与促凝剂进行混合搅拌，以提高浆液的混合质量，同时通过滑槽与滑条的配合，可避免液压缸与电机的运行产生干扰，使转轴在做轴向移动的同时，可进行转动。
附图说明
图1为一种盾构机注浆系统中注浆管的结构示意图。
图2为一种盾构机注浆系统中的结构框图。
图3为图1中A处的放大图。
图中：搅拌站1、浆液车2、储浆罐3、注浆泵4、注浆管5、出浆管6、第一输浆管7、第二输浆管8、电磁闸阀9、端盖10、转轴11、搅拌叶12、活塞板13、连接杆14、活塞环15、滑槽16、第一链轮17、滑条18、电机19、第二链轮20、液压缸21。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1～3，本发明实施例中，一种盾构机注浆系统，包括搅拌站1、浆液车2、储浆罐3、注浆泵4、注浆管5，所述注浆管5包括出浆管6，所述出浆管6的外壁贯穿设置有第一输浆管7、第二输浆管8，所述第一输浆管7、第二输浆管8的外壁均设置有电磁闸阀9，所述出浆管6的一端固定连接有端盖10，所述端盖10的外壁贯穿设置有转轴11，所述转轴11位于出浆管6内的一端通过轴承座与支架转动连接有活塞环15，所述活塞环15的外壁与出浆管6的内壁滑动连接，所述注浆管5还包括驱动机构，所述驱动机构包括液压缸21，所述液压缸21与盾构机的盾尾内壁固定连接，所述液压缸21的活动端与转轴11位于出浆管6外的一端转动连接。
所述转轴11位于出浆管6内的一端均匀固定连接有多个搅拌叶12，多个搅拌叶12的设置，可对由第一输浆管7及第二输浆管8输入出浆管6内的浆液及促凝剂进行混合搅拌。
所述转轴11位于出浆管6外部的外壁处活动套接有第一链轮17，所述第一链轮17与端盖10转动连接，所述转轴11的外壁对称开设有多个滑槽16，所述第一链轮17的内圈外壁对称固定连接有多个滑条18，多个所述滑条18分别位于对应的滑槽16内，所述滑条18与滑槽16滑动连接，通过滑槽16与滑条18的配合，可在第一链轮17转动时带动转轴11同时转动，且不会对液压缸21对转轴11的推动造成干扰。
所述驱动机构还包括电机19，所述电机19与盾构机的盾尾内壁固定连接，所述电机19的轴伸端固定连接有第二链轮20，所述第二链轮20与第一链轮17通过链条传动连接，通过第二链轮20与第一链轮17的传动配合，可通过电机19驱动第一链轮17转动，继而通过通过滑槽16与滑条18的配合，带动转轴11转动，以通过多个搅拌叶12对出浆管6内的浆液及促凝剂进行混合搅拌。
所述转轴11位于出浆管6的内外壁转动套接有活塞板13，所述搅拌叶12位于活塞板13、活塞环15之间。
所述活塞板13、活塞环15的外壁均设置有密封圈，所述活塞板13的侧壁均匀固定连接有多个连接杆14，多个所述连接杆14的一端与活塞环15的侧壁固定连接。
搅拌站1设置在地表靠近隧道口处，搅拌站1按照设计配合比拌合的浆液，经过泥浆泵与管道运输至停靠在隧道口的浆液车2，浆液车2在将浆液输送至储浆罐3，浆液车2与储浆罐3通过软管连接，同时在储浆罐3和浆液车2的运输罐内均安装有有搅拌叶片以对浆液进行搅拌，可防止浆液凝结或离析，然后储浆罐3内的浆液通过注浆泵4输送至安装在盾尾处的注浆管5，最后由注浆管5直接输送至壁后间隙起到填充作用，并且整个注浆过程是与盾构机的掘进同步进行的，此外，为了避免注浆过程中盾尾处发生漏浆，应在盾尾端设置止浆板，以避免浆液在压力作用下渗入盾尾与隧道内壁的间隙中，同时应在盾尾内壁设置盾尾刷与配套的注油管道，以对盾尾与管片之间的间隙进行密封。
注浆有手动或者自动两种控制方式，在盾尾注浆管5的出口处装有压力传感器，在盾构操作室和注浆控制箱上都可以看到注浆时管路出口处的压力值。设置为自动控制时，应预先通过可编程控制器设置注浆最大压力值和最小压力值，当注浆压力达到设定最大注浆压力时，注浆管路所连接的液压油缸立即停正工作；当注浆压力减小到PLC所设定的最小压力时，液压油缸自动启动重新开始注浆。手动控制方式则需要人工根据掘进情况随时调整注浆量。
注浆压力是根据地层的土压力、水压力、管片强度及地面监测情况综合判断而设定的，在实际掘进中将不断优化。注浆量压力过大会出现:地面隆起、浆液破坏洞尾密封刷出现盾尾漏浆、浆液从盾构机外壳与土体之间的孔隙流入土仓、管片出现受压变形或是被损坏；如果注浆压力过小，则出现注浆的填充速度很慢，注浆量不足，使地表变形增大。根据设计资料、盾构机选型及以往的施工经验，注浆压力取1.1～1.2倍的静止水土压力，注浆压力一般设定在0.3～0.5MPa。。
同步注浆在盾构施工中起到至关重要的作用，因为它不仅会影响到隧道的成型质量，还会影响到地面的沉降，甚至危及到地面建筑物、地下管线的安全。为确保“安全、优质、高效、低耗”地完成工程施工，一般需要配备专业的质量检查小组，由工程管理部、安质部、机电物资部分别负责现场技术、安全质量、机电维修方面的监督指导。另外设立同步注浆作业班负责现场注浆施工。注浆作业班都是按两班倒配置，同步注浆作业班一般按照每班由3个拌浆工、1个操作手组成。
浆液的材料为水泥砂浆，由水泥、砂，粉煤灰，膨润土，水和外加剂等组成，其中：
膨润土是以蒙脱石为主要成分（含量大于65%）的粘土矿物，膨润土可分为天然膨润土、改性膨润土、活性膨润土，而天然膨润土又分为钙膨润土和钠膨润土两种，钙膨润土水化膨润胀的体积是当初干燥固态体积的3～7倍;钠膨润土水化膨胀后的体积是当初干燥固态体积的12～18倍，钠膨润土与水接触24小时开始水化，到48小时水化结束，膨胀后颗粒的体积是膨胀前的体积的10～25倍，膨润土水化膨胀后，形成膏状不透水的、可塑性胶体的膈水层，渗水系数可降低到1×10-9cm/s,所以膨润土膨化后挤密周围颗粒间隙，形成致密的抗渗层，提高了凝固浆液的防渗性能；
粉煤灰的化学成分主要是CaO(5.02%)，SiO2(52.83%)，AI203(21.92%)，Fe203(6.18%)，比重约2.16，含水率约0.4%。
同时，浆液的主要物理力学性能应满足下列指标:
1）胶凝时间:一般为6~10h，根据地层条件和掘进速度，通过现场试验加入促凝剂及变更配比来调整胶凝时间。对子强透水地层和需要注浆提供较高的早期强度的地段，可通过现场试验进一步调整配比和加入早强剂，进一步缩短胶凝时间，获得早期强度，保证良好的注浆效果。
2）固结体强度:一天不小于0.2MPa（相当于软质岩层无侧限抗压强度），28天不小于2.5MPa（略大于强风化岩天然抗压强度）。
3）浆液结石率:>95%，即固结收缩率<5%。
4）浆液稠度:8～12cm/m。
5）浆液稳定性:倾析率（静置沉淀后上浮水体积与总体积之比)小于5%。
在注浆过程中，第一输浆管7与第二输浆管8分别将浆液与促凝剂注入出浆管6内，同时通过电机19带动第二链轮20转动，利用第二链轮20与第一链轮17的传动连接驱动转轴11转动，从而利用多个搅拌叶12对出浆管6内的浆液与促凝剂进行混合搅拌，以提高浆液的混合质量，混合完成后的浆液会经活塞环15排出出浆管6进行注浆作业，当盾构机完成一次推进与注浆作业后，关闭注浆泵3与两个电磁闸阀9，并启动液压缸21推动转轴11带动活塞板13及活塞环15移动，可利用活塞环15将出浆管6管口内壁粘附的浆液残留推出出浆管6，从而避免残留的浆液在管口处凝固后发生堵塞。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种盾构机注浆系统，包括搅拌站（1）、浆液车（2）、储浆罐（3）、注浆泵（4）、注浆管（5），其特征在于：所述注浆管（5）包括出浆管（6），所述出浆管（6）的外壁贯穿设置有第一输浆管（7）、第二输浆管（8），所述出浆管（6）的一端固定连接有端盖（10），所述端盖（10）的外壁贯穿设置有转轴（11），所述转轴（11）位于出浆管（6）内的一端通过轴承座与支架转动连接有活塞环（15），所述活塞环（15）的外壁与出浆管（6）的内壁滑动连接，所述注浆管（5）还包括驱动机构，所述驱动机构包括液压缸（21），所述液压缸（21）与盾构机的盾尾内壁固定连接，所述液压缸（21）的活动端与转轴（11）位于出浆管（6）外的一端转动连接；
所述转轴（11）位于出浆管（6）内的一端均匀固定连接有多个搅拌叶（12）；所述转轴（11）位于出浆管（6）的内外壁转动套接有活塞板（13），所述搅拌叶（12）位于活塞板（13）、活塞环（15）之间；
所述转轴（11）位于出浆管（6）外部的外壁处活动套接有第一链轮（17），所述第一链轮（17）与端盖（10）转动连接，所述转轴（11）的外壁对称开设有多个滑槽（16），所述第一链轮（17）的内圈外壁对称固定连接有多个滑条（18），多个所述滑条（18）分别位于对应的滑槽（16）内，所述滑条（18）与滑槽（16）滑动连接；
所述驱动机构还包括电机（19），所述电机（19）与盾构机的盾尾内壁固定连接；所述电机（19）的轴伸端固定连接有第二链轮（20），所述第二链轮（20）与第一链轮（17）通过链条传动连接。
2.根据权利要求1所述的一种盾构机注浆系统，其特征在于：所述第一输浆管（7）、第二输浆管（8）的外壁均设置有电磁闸阀（9）。
3.根据权利要求1所述的一种盾构机注浆系统，其特征在于：所述活塞板（13）、活塞环（15）的外壁均设置有密封圈。
4.根据权利要求1所述的一种盾构机注浆系统，其特征在于：所述活塞板（13）的侧壁均匀固定连接有多个连接杆（14），多个所述连接杆（14）的一端与活塞环（15）的侧壁固定连接。
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