锚杆台车智能注浆系统关键技术研究及应用

邢 泊，宋江涛，付大裕，梁高峰

（中铁工程装备集团隧道设备制造有限公司，河南 新乡 453000）

隧道施工机械化、智能化是未来发展的趋势。隧道锚杆支护施工采用凿岩台车、锚杆台车或专用钻机等设备，突破了锚杆施作的关键工序，解决了隧道拱部锚杆支护施工困难及施作效率低下等问题。国内大量的水工地下洞室锚杆支护施工采用多臂凿岩台车，显著地提升了锚杆支护技术水平。钻爆法隧道锚杆施工愈加受到重视，尤其是川藏铁路的开工，隧道锚杆支护越来越受到重视。注浆涉及被注介质、地质环境、注浆材料及注浆工艺等多方面。注浆是锚杆支护的重要环节决定着锚杆支护的质量。刘天毅等通过试验模拟结果表明：最大竖向位移及压应力出现在拱顶区域，且位移随着夹层距离的增加而减小锚杆注浆后拱顶位移减小约10%，边墙位移减少约4%。张振峰等开发高压劈裂注浆工艺研制高压劈裂注浆装备，试验结果表明：注浆压力与注浆流量是劈裂注浆的主控因素，适当降低排量，注浆过程进入高压微劈裂-渗透注浆阶段，增强注浆效果。袁丁等设计了一种集浆液制备、传送及注浆一体式的设备，采用了嵌入式的动态称重系统对物料进行称重，为了提升采样信号的精度，运用小波变换对采样信号进行滤波，噪声信号得到有效抑制，提高了称重精度。刘文娟对围岩塑性变形区域、围岩潜在破裂面、锚杆阵列布置、锚杆有效长度进行分析计算，并通过试验对计算结果进行验证。李建等基于试验发现浆体扩散经历径向扩散和双向扩散两个阶段，并以双向扩散为主，阐明无压注浆阶段的浆液扩散规律。郑帅等采用单元安全度方法对计算结果进行评价，结果表明目标工程的注浆锚杆最佳应用长度为3m，其作用效果主要体现在对急速变形阶段变形量的控制。张伟杰等通过试验发现采用多孔、小注浆速率试验方法，可减小围岩扰动，增大注浆量及土体压缩固结程度，提高注浆加固效果。李红娜探讨不同水灰比、速凝剂掺量、砂浆的灰砂比的用量对于浆液性能的影响，提出优化后的浆液配比。

以上研究为锚杆注浆研究提供了思路，但是在注浆压力、水灰比与智能注浆匹配方面研究较少，锚杆注浆有一定的特殊性，注浆泵在实际使用过程中受到锚杆机头结构、注浆材料、注浆管长度、注浆压力、注浆流量等因素的影响如果注浆压力、水灰比与注浆泵不匹配会造成锚杆注浆不饱满、注浆系统堵管率高、施工效率低等问题。本文通过设计一套锚杆台车配套的智能注浆系统，通过智能注浆系统研究确定不同种类锚杆采用注浆泵注浆的最佳注浆压力及水灰比，为锚杆台车注浆施工提供指导，对实现隧道锚杆机械化、智能化施工具有重要的意义。

1 智能注浆系统

1.1 智能注浆系统结构组成

智能注浆系统借助现代智能化、信息化手段够将不同地质、不同锚杆、不同注浆深度等数据进行整合评估锚杆施工质量，关联“锚杆-地质-注浆”的特性并不断丰富数据库，为不同岩层锚杆注浆施工提供指导。智能注浆系统由注浆泵、称重传感器、注浆流量计、压力传感器、控制器、变频电机及显示器等组成，如图1 所示。智能注浆系统的控制逻辑如图2 所示。

图1 智能注浆系统结构组成

图2 智能注浆系统控制逻辑

1.2 注浆泵理论计算

该智能注浆系统泵送系统采用的是螺杆泵。螺杆泵是利用螺杆的回转来吸排液体，在泵的吸入口和排出口之间，会被分隔成一个或多个密封空间。随着螺杆的转动和啮合，这些密封空间在泵的吸入端不断形成，将吸入室中的液体封入其中，并自吸入室沿螺杆轴向连续地推移至排出端，将封闭在各空间中的液体不断排出。螺杆泵的能力主要体现在注浆排量与注浆功率上，螺杆泵的理论排量可由下式计算。

式中F——泵缸的有效截面积；

t——螺杆螺纹的导程；

n——主动螺杆的每分钟转数。

螺杆泵的内部泄漏量为

式中α——与螺杆直径和有效长度有关的系数；

P——泵的工作压力；

σ——所排送的液体的黏度。

泵在压送不同黏度的液体时，其排量会发生变化。排量和黏度的关系为

式中Q1——黏度为σ1时的排量；

Q2——黏度为σ2时的排量；

m——无量纲系数，m=0.3～0.5。

功率的计算：泵的轴功率一般为水功率、摩擦功率和泄漏损失功率这三部分的总和。水功率Nc是指单位时间内泵传给液体的能量，也称输出功率，可用下式计算

式中P——泵的排出压力和吸入压力之差；

Q——泵的实际排量。

摩擦功率是指液体黏性阻力产生的摩擦损失，可用下式计算

式中K——与螺杆长度有关的系数；

D——主动螺杆的外径。

由上可见，当泵运送的液体黏度不同时，泵的轴功率也将不同。泄漏损失是指液体从高压处漏回低压处所造成的功率损失。所以，当计算泵的轴功率时，如采用理论排量，则泵的轴功率为

1.3 注浆系统压力损失计算

注浆压力对于注浆系统堵管率、注浆饱和度进而影响泥浆对锚杆的握裹力和拉拔力，是注浆系统的关键控制参数。水灰比影响浆液的流动度、收缩率以及泌水率等，进而对注浆饱和度产生影响，是注浆系统的另一关键控制参数。为了研究不同锚杆的注浆压力和水灰比之间的关系，排出注浆系统本身的影响，本文先对注浆系统压力设定进行试验和分析。

泥浆从注浆泵泵头泵出，经管路、流量计、传感器、锚杆扳手到达锚杆，整个管路系统变径的地方较多，如果注浆泵压力过高，泥浆在在变径处不能够快速通过产生堆积但是水分不断被挤压，泥浆在变径处变得越来越黏稠，最终造成堵管。因此注浆泵压力设定时需要考虑注浆系统管路的压力损失。假设浆液在管道内的流动状态为层流，浆液从泵头到锚杆机头的沿程损失为

式中λ——管道的沿程阻力系数；

l——管道的长度；

d——管道内径；

v——管道内液体的平均流速；

ρ——浆液密度。

注浆系统的局部压力损失为

式中ζ——管道的局部阻力系数。

根据式（7）和式（8）可得注浆系统的总压力损失为

由水灰比的定义可以得到一定水灰比的浆液的密度为

式中mw——加水量；

mg——水泥的质量；

ρw——水的密度；

ρg——水泥的密度；

α——水灰比。

令

那么式（10）可以简化为

由流量和流速的关系得

式中Qi——初始流量；

Qj——监测点流量；

A——注浆管内横截面积；

r——注浆管半径。

由式（9）、式（11）和式（12）可得

式中g——重力加速度；

s——管道比阻。

综合上式可得，水灰比与注浆系统压力损失的关系为

如果压力设定过高，会导致在注浆系统的狭缝处造成堵管。经试验发现泥浆压力传感器处容易发生堵管，此处是注浆管路出浆过程中第一处变径处，泵送压力衰减较低泥浆杂质较少，该处产生的泥浆石块质地细腻，如图3 所示。另外一处容易发生堵管的地方是锚杆扳手处，该处内部结构复杂狭缝较多，压力衰减明显，堵管频率明显，如图4 所示。因此在设定注浆泵压力时需要考虑整个注浆系统因变径产生的压力升高的因素。以本注浆系统为例根据试验在水灰比为0.4时，实际注浆压力比理论注浆压力高约0.5MPa。

图3 泥浆在压力传感器的结块

图4 泥浆在锚杆扳手处结块现象开始显现

由于注浆泵泵体内有空气，在注浆泵初期浆还未完全把送料仓的空气完全挤出，致使一部分空气也被泵送进管道内部，此时注浆系统管路内是泥浆和空气的混合物，如果此时开始锚杆注浆，会造成注浆不连续影响锚杆注浆质量，如图5 所示。在注浆开始前需要利用浆液将泵体被空气排净直至连续出浆，再进行锚杆注浆施工作业，如图6 所示。

图5 注浆初期断续浆液

图6 连续浆液

2 智能注浆系统工程实践

试验以锚杆台车在成自高铁老罐石2#隧道应用为依托，进行钢筋锚杆、中空锚杆、机械式涨壳预应力锚杆相关试验，如图7、图8 所示。成自高铁老罐石2#隧道为单洞双线隧道，隧道里程DK168+540～DK168+870，全长330m，开挖断面面积152.4m2；其中暗洞Ⅴ级围岩255m，占全长的77.3%；暗洞Ⅵ级围岩25m，占全长的7.7%，洞口明挖段Ⅴ级围岩50m，占全长的15%。Ⅴ级围岩采用三台阶临时仰拱法、Ⅵ级围岩采用台阶法。针对不同的锚杆类型因锚杆构造、施工工序及验收要求等不同，注浆压力和水灰比存在差异。通过对钢筋锚杆、中空锚杆、机械式涨壳预应力锚杆进行注浆试验，确定智能注浆系统与不同锚杆匹配的最佳注浆压力及水灰比。

图7 锚杆台车注浆试验

图8 锚杆应力测试

对于钢筋锚杆，其施工工序为先将锚杆孔内注满浆液，然后再利用锚杆台车插入钢筋锚杆，如图9 所示。在注浆过程中，浆液流动仅受注浆系统本身影响，注浆阻力较小。经试验对于钢筋锚杆兼顾注浆效率和注浆质量，水灰比设置0.38，注浆系统压力设定0.4MPa 能够满足锚杆施工要求及验收要求。

图9 钢筋锚杆施工

对于中空锚杆，其施工工序为先将锚杆利用锚杆台车的锚杆机头推入孔中，然后通过锚杆体中间的孔将浆液注入锚杆体及锚杆体与岩壁之间的空隙，如图10 所示。在注浆过程中，浆液经杆体到达锚杆端部，从端部流出填满杆体与锚杆孔之间的间隙。浆液经过杆体变径，为保证浆液流动性水灰比设置不宜太小且注浆压力不能太大，否则会造成堵管。经试验对于中空锚杆水灰比设定为0.4，注浆压力设定0.5MPa 时能兼顾注浆效率和注浆质量。

图10 中空锚杆施工

对于机械式涨壳预应力锚杆，其施工工序为先将机械式涨壳预应力锚杆推入孔中，然后通过旋转杆体打开涨壳头然后拧紧螺母产生初始预应力，最后进行注浆，如图11 所示。在注浆过程中，由于有锚杆杆体的存在且锚杆杆体存在一次变径同时涨壳头的存在对浆液进一步阻挡，浆液的阻力进一步加大，因此相比于中空锚杆注浆水灰比更小压力也要更小，经试验水灰比设定为0.45，注浆压力设定0.38MPa 有利于机械式涨壳预应力锚杆注浆施工。

图11 机械式涨壳预应力锚杆施工

4 结论

1）智能注浆系统将不同地质、不同锚杆、不同注浆深度等数据进行整合评估锚杆注浆施工质量，关联“锚杆-地质-注浆”的特性并不断丰富数据库，为不同岩层注浆施工提供指导。

2）注浆系统对浆液存在阻力，设定注浆泵压力时需要考虑注浆管内变径引起的压力变化，注浆系统内存在狭缝时注浆压力过大会造成浆液离析最终导致堵塞管路，在注浆初期需要排净注浆泵内部的空气，否则会因空气存在导致注浆不连续最终影响锚杆注浆施工质量。

3）注浆压力对于注浆系统堵管率、注浆饱和度进而影响泥浆对锚杆的握裹力和拉拔力。水灰比影响浆液的流动度、收缩率以及泌水率等进而对注浆饱和度产生影响，压力和水灰比二者相互影响。同时对于不同的锚杆类型因施工工序和锚杆本身存在差异，注浆压力和水灰比也不同。