新型化学灌浆泵在地下水封洞库工程中的应用

张慧 李珍 赵晓 邵晓妹 李发权

摘要：地下水封洞库工程较地面储库具有安全性能高、运营管理费用低、使用寿命长等优点。以湛江地下水封石油洞库工程防渗堵漏灌浆施工为依托，介绍了新型化学灌浆泵在地下水封洞库工程施工的应用，采用了新型化学灌浆泵嵌入式系统控制专用驱动器。样机试验结果表明：灌浆压力控制精度高，长时间保持稳压渗透化学灌浆，可有效发挥浆材作用，施工效率高，且能满足防渗堵漏加固补强化学灌浆施工需求。

关键词：地下水封;洞库工程;化学灌浆;化学灌浆泵

中图法分类号：TV543.2文献标志码：ADOI：10.15974/j.cnki.slsdkb.2021.06.008

文章编号：1006 - 0081（2021）06 - 0041 - 04

1 研究背景

与地面储库相比，地下水封洞库工程利用饱水岩体密封性进行储存，具有安全性能高、投资省、损耗少、运营管理费用低、使用寿命长以及污染小等优点[1-2]。目前，我国正在沿海地质条件优良的场区规划和建设多个大型地下洞库工程[3]。

在隧洞开挖时，地下水封洞库工程会遇到断层破碎带、裂隙带、泥化夹层、渗漏和塌方等情况，常采用水泥补强灌浆处理，但水泥浆液对断层破碎带、裂隙带的补强作用较小，未达到防渗堵漏的理想效果，需要采取化学灌浆材料进行封堵减渗漏，直至达到设计技术要求。

湛江地下水封石油洞库工程部分洞段受断层及节理裂隙密集带影响，裂隙发育，岩体破碎，围岩稳定性差，需对渗水部位快速封堵，并通过补强措施提高岩体的整体性和安全性。前期虽经过多次水泥和细水泥灌浆，但因岩层的特殊性和处理方式的局限性，未达理想效果，经组织多名专业技术人员开展生产性试验、确定防渗堵漏复合灌浆方案。本文以湛江地下水封石油洞库工程项目为例，介绍了新型化学灌浆泵在地下水封洞库工程施工的应用情况。

2 工程概况

湛江国家石油储备地下水封洞库工程位于广东省湛江市廉江市良垌镇，工程包括地下工程和地上辅助设施两部分，设计石油储备库容500万m3。地下工程主要由主洞室群、竖井、水幕系统及施工巷道等组成。其中主洞室群由10条主洞室组成，洞室数量较多，且开挖及支护施工平行作业，施工干扰较大，洞室范围内主要为微风化-微风化片麻状花岗岩，裂隙较发育-不发育，有局部裂隙发育，岩体破碎。

1号地下油库隧洞在隧洞开挖时出现过塌方。在塌方处进行钢拱架处理，采取水泥补强灌浆处理，但是此段有明显破碎带，裂隙发育良好，渗漏水丰富，多次采用水泥浆液注浆后，岩石表面仍有明显渗水现象。这表明水泥浆液对裂隙带、断层破碎带无法起到防渗堵漏作用，需要采用水泥化学复合灌浆进行封堵减渗漏。

通过材料与石油混合实验结果表明：环氧树脂化学材料与石油没有任何反应现象，在隧洞渗漏水处理试验质量检查满足设计要求后进行封堵。灌浆施工采用全孔一次性钻扫孔，埋管纯压式一次性灌浆，环间环内不分序，环内从底孔至顶孔先钻孔。钻孔有涌水或压水透水率较大孔段进行水泥注浆或者聚氨酯材料注浆。待材料凝固后，再对此孔钻扫孔进行环氧树脂材料注浆。单耗浆量超过100 kg的灌浆孔，在旁边增加灌浆孔进行加密处理。对渗水构造发育地段可以增加环间加密灌浆处理。

3 化学灌浆泵

3.1 概 况

化学灌浆成套技术已发展成为解决建筑物不良地质体加固与防渗、混凝土裂隙防渗堵漏等技术难题不可或缺的解决方案[4]。化学灌浆设备是化学灌浆成套技术中的重要环节，主要有制浆、储浆设备和化学灌浆泵，其中较为重要的是化学灌浆泵[5]。其性能优劣、使用方法的正确与否，直接影响化学灌浆的质量[6]。从原始的简易手动泵，到机械传动、液压传动，发展到电控系统和微机系统，再到大数据物联网系统，化学灌浆泵一直持续改进创新，不断满足现代工程对化学灌浆的需要，为工程建设作出贡献。

由董建军等[7]研制发明的HGB-1（2）型化学灌浆泵，泵体动作通过液压系统流量及压力的调节进行控制，泵体结构合理，使用方便、易清洗，为后续新型灌浆泵的研制提供了较为重要的参考价值。由李珍等[8]提出以步进电机为驱动的新型灌浆泵，利用步进电机带动丝杠螺母转动，驱动丝杠连同活塞直线运动，设备可操作及可控性强，适用于环氧树脂和聚氨酯化学灌浆材料的施工，在化学灌浆领域得到广泛使用。

化学灌浆泵包括泵体、密封管路系统、传动与控制、调速器、稳压系统等结构。化学灌浆泵呈现点密封性、易拆洗、安全性、多品种等特点，根据压力、流量和温度等参数，合理的匹配化学灌浆泵设备，使化学灌浆泵能更好满足施工需要，适应不同需求。

3.2 新型化学灌浆泵

本文新型化学灌浆泵采用以AVR为核心的嵌入式系统精确控制专用驱动器，专用驱动器驱动伺服电机，进行精确调压、稳定控压，最大压力为25 MPa，最大流量为5.5 L/min。

新型化学灌浆泵的设备结构如图1所示。

泵头分为进浆和出浆两部分，不断吸入和输出化学灌漿材料。泵头部分的进口阀连接吸料管，进口阀内装有单向导通的钢球与阀座，泵头吸入化学灌浆材料，液压泵体的出浆压力和流量满足工程要求。泵头连接油浆隔离器，数显压力表，油压隔离器保证压力表的精度和稳定性，数显压力表显示实时压力。开关电源控制设备的开关运行，压力调节增加和减少压力预定值。专用驱动器是化学灌浆泵的传动核心，伺服电机是动力源，驱动单缸柱塞泵，带动偏心轮通过曲柄连杆带动柱塞泵的往复运动，通过进出口钢球与阀座的配合运动，从而完成化学灌浆材料的吸入和输出。

嵌入式系统产生PWM脉冲调节信号控制驱动器，驱动器驱动伺服电机。温度传感器和压力传感器的采样数据发送至嵌入式系统，嵌入式系统同时控制彩色显示屏，金属键盘和蜂鸣报警器。压力调节输入值由金属键盘输入，或者人工操作电机旋钮的设定输入值。设定的输入值传输至嵌入式系统，已编程封装的嵌入式系统参数自整定控制器发挥作用，依据设定参数及参数自整定控制原理进行调速。通过嵌入式系统编程控制驱动器，完成伺服电机恒压调速。系统控制如图2所示。

3.3 结合传统灌浆泵对比分析

结合传统化学灌浆泵对比分析，新型化学灌浆泵采用柱塞式泵体结构，轴向柱塞泵柱塞与主轴平行，工作时柱塞随缸体绕中轴转动，实现缸体内的往复运动，相较传统泵避免了结构中存在的接触高副摩擦，提高灌浆压力和效率，降低了脉动幅度，进而减小振动和噪音，同时降低了加工难度，更适用于环氧化学浆材。

上一代化学灌浆泵设备体积重量较大，不利于狭窄廊道空间作业，老式指示表显示不灵敏不稳定。新型化学灌浆泵设备机身移动灵活、结构简单、可操作及可控性强、易拆装清洗，更符合工程实际的需求。采用嵌入式系统进行压力精确稳定控制，电机调速范围大、调速平滑性好且具有足够的机械特性。液晶屏可实时显示数据，操作界面人性化，设备具有自诊断自保护功能，施工效率高。

由于化学灌浆材料具有一定腐蚀性，新型化学灌浆泵泵体采用全密封管路系统，下一阶段针对密封件作进一步研究，更有利于人身安全和环境保护，使化学灌浆泵能更好地满足现场施工作业的需要，适应用户不同需求。

4 工程应用

地下水封石油洞库工程防渗堵漏灌浆施工主要施工流程：①施工准备;②确定施工部位;③搭建灌浆平台、化学灌浆设备就位;④资料收集、地质条件分析;⑤确定施工方案;⑥测量放线;⑦分序钻孔（钻孔冲洗、验收、埋管和阻塞—灌浆泵调试、管路连接—压水试验—灌浆材料配制—化学灌浆—待凝—抬动观测）;⑧质量检查;⑨封孔、清理;⑩取芯测试;11项目验收。地下水封石油洞库工程防渗堵漏灌浆施工流程如图3所示。

在防渗堵漏灌浆施工现场搭设移动式灌浆操作平台，化学灌浆泵放置操作平台上，泵头连接进浆管，将进浆管放入塑料贮浆桶内，开始化学灌浆时先将灌浆压力调至起始压力。

（1）化学灌浆泵启动检查。接交流220 V电源，进浆管连接泵头下部进浆部件，并与搅拌桶连接，出浆管连接泵头出口出浆部件，并与灌浆孔口管连接。化学灌浆泵应进行空载试运转，当设备运转正常进行压水试验，模拟化学灌浆工况，在搅拌桶内装水并连接管路，观察各管路无漏浆情况，设备正常无报警后正式进行化学灌浆。

（2）化学灌浆泵施工。施工启动化学灌浆泵，利用环氧浆液将孔内积水进一步赶出，直至回浆管口有持续纯浆排出，关闭回浆阀继续灌浆。观察孔口返水情况，判断孔内是否有漏浆情况发生。化学灌浆泵排浆量能无极调节且能满足最大和最小注入率的要求。在灌浆泵出浆口处安设压力表，其最大标值应为最大灌浆压力的2.0～2.5倍，压力表与管路之间要有隔浆装置，工作压力在压力表最大標值的1/4～3/4之间，压力表在使用前检验其准确性，误差控制在5%以内，所有化学灌浆设备都有备用配件。灌浆管路采用Ф14 mm高压软管连接，灌浆管路能承受压力不小于10 MPa。灌浆压力宜读取压力波动的中值，波动范围应不大于灌浆压力的20%，灌浆压力的最大值也应予以记录。摆动范围应作记录，并有专人看守压力表，不得超压。灌浆压力记录以孔口压力为准。化学灌浆过程以逐级升压为原则，每段灌浆压力结合现场实际情况确定。

（3）化学灌浆泵灌浆结束及压水检查。化学灌浆过程中，灌浆压力达到设计压力值后，化学灌浆注入率不大于结束值，再继续灌注30 min进行闭浆待凝，才可结束灌浆。压水试验检查应在灌浆结束28 d后进行，检查孔数量不少于灌浆孔总数的5%。压水压力采用设计压力。检查合格标准：85%以上孔段的透化学水率小于1 Lu，其余孔段的透水率小于1.5 Lu，且分布不集中。

（4）化学灌浆泵用后清洗保养。先用水对进回浆管路带压冲洗干净，再用丙酮清洗管道接头及阻塞器，灌浆泵泵头用丙酮冲洗干净后，加上润滑油。若出现管道堵塞，将丙酮打入管道内循环清洗。

5 结 语

新型化学灌浆泵采用嵌入式系统控制专用驱动器，灌浆压力控制精度高，可长时间保持稳压渗透化学灌浆，能有效发挥浆材作用，在湛江地下水封石油洞库工程防渗堵漏灌浆施工中可满足防渗堵漏加固补强化学灌浆施工需求，可在同类地下水封洞库工程防渗堵漏加固补强中推广应用。

参考文献：

[1] 李仲奎，刘辉，曾利，等. 不衬砌地下洞室在能源储存中的作用与问题[J]. 地下空间与工程学报，2005（3）：350-357.

[2] 王者超，李术才，薛翊国，等. 大型地下水封石油洞库围岩完整性、变形和稳定性分析[J]. 山东大学学报（工学版），2011，41（3）：112-117，125.

[3] 符淋坤，成传欢，李鹏，等. 湛江国储地下水封洞库工程主洞室顶拱层开挖爆破试验研究[J]. 长江科学院院报，2018，35（8）：145-150.

[4] 汪在芹. 高水头下不良地质体防渗补强技术研究与应用[J]. 长江科学院院报，2018，35 （5）：1-5，26.

[5] 李浩宇，黄科. 化学灌浆设备浅析[J]. 中国建筑防水，2011（4）：39-43.

[6] 蒋硕忠. 我国化学灌浆技术发展与展望[J]. 长江科学院院报，2003（5）：26-28，35.

[7] 董建军，尹作仿.  HGB-1（2）型化学灌浆设备的研制[J]. 长江科学院院报，2000， 17（6）： 15-17.

[8] 李珍，魏涛，柏国奈，等. 步进电机驱动化学灌浆泵[P]. 2010-07-14.

（编辑：唐湘茜）