（中鐵工程裝備集團有限公司，河南 鄭州 450016）

盾構在掘進過程中基于穩(wěn)固圍巖的需要，在管片脫離盾尾的過程中，需在管片與隧道形成的環(huán)形間隙中注入一定量的混凝土，防止盾尾脫離后地表產(chǎn)生瞬時沉降[1～2]。隨著地鐵施工要求的提高，因此如何在規(guī)定的壓力下完成所需注漿量是對注漿泵能力和注漿效率的一大考驗。

張景異等人[3]基于負載敏感變量泵對盾構注漿系統(tǒng)進行了設計；任德志等人[4]在分析盾構注漿施工工作特點的基礎上，設計出了滿足盾構注漿工藝要求的柱塞式注漿泵電液控制系統(tǒng)；董志斌等人[5]對新型HB10 盾構注漿泵的研發(fā)等。如上，盾構用注漿泵大多為柱塞式，現(xiàn)有柱塞式注漿泵存在高注漿壓力下注漿泵的容積效率急速下降，造成施工的注漿量不夠等問題，但目前對柱塞式注漿泵存在的一系列問題尚無系統(tǒng)的分析，本文以中鐵裝備自制注漿泵為例，針對柱塞式注漿泵存在的反漿、容積效率低等問題進行理論分析，并進行優(yōu)化設計。

1 注漿泵工作原理

注漿泵作為盾構重要的配套設備，隨著盾構的不斷向前掘進，它能夠快速、高效地將混合好的水泥漿按設定壓力注入到盾體前進而使洞壁與管片間產(chǎn)生的間隙，從而有效控制地表的沉降。

1.1 柱塞式注漿泵結構

如圖1 所示，柱塞式注漿泵主要由水平提升閥缸、豎直提升閥缸、泵送活塞、清洗水箱、泵送主油缸等組成。泵運行過程中，水平提升閥1關閉，豎直提升閥2 打開，主油缸帶動泵送活塞3 后移完成吸漿動作。而后，豎直提升閥2 關閉，水平提升閥2 打開，主油缸帶動泵送活塞3 前移完成排漿動作。

圖1 柱塞式注漿泵結構圖

1.2 柱塞式注漿泵液壓系統(tǒng)原理

圖2 柱塞式注漿泵液壓系統(tǒng)原理

如圖2 所示，該注漿系統(tǒng)可實現(xiàn)注漿及沖洗兩種功能。注漿工況下，換向閥3 左位進入工作狀態(tài)，在高壓油的作用下?lián)Q向閥2 左位進入工作。泵出口高壓油經(jīng)換向閥2、1 進入豎直提升閥油缸有桿腔及水平提升閥油缸無桿腔，使吸料口打開，出料口關閉。同時，換向閥1 左側引出高壓油使換向閥4 右位進入工作，輸送油缸有桿腔進油使油缸向后移動完成吸料過程。輸送油缸前后裝有行程開關，當輸送油缸向后移動觸碰油缸后側行程開關后，換向閥1 得電，右位進入工作狀態(tài)，泵出口高壓油進入豎直提升閥油缸無桿腔及水平提升閥油缸有桿腔，使吸料口關閉，出料口打開，同時，換向閥1 左側引出高壓油使換向閥4 左位進入工作，輸送油缸無桿腔進油使油缸向后移動完成出料過程。當輸送油缸向后移動觸碰油缸前側行程開關后，換向閥1 斷電，左側進入工作狀態(tài)，完成吸料過程，以此往復。

沖洗工況下，換向閥3 右側進入工作狀態(tài)，在高壓油的作用下?lián)Q向閥2 右位進入工作。連鎖響應與注漿工況相似，從而實現(xiàn)反沖洗。

2 容積效率分析

柱塞式注漿泵結構工藝簡單，維修方便，但普遍存在容積效率低的問題。如圖3 所示，注漿泵在注漿過程中，提升閥開啟的瞬間，會使出料口與吸料口相通。外界漿液負載壓力較高，將使原本輸送出去的漿液通過出料口與吸料口產(chǎn)生的間隙壓回到砂漿罐中，即為反漿現(xiàn)象。

圖3 注漿泵反漿示意圖

2.1 反漿量及容積效率理論計算

進行柱塞式注漿泵反漿量的計算，可將出料口與吸料口之間的間隙等效為薄壁小孔。只需求得水平提升閥閥頭與閥孔1 形成的等效面積即可得出反漿量，等效為薄壁小孔流量的反漿量計算如下。

如圖4 所示，對水平提升閥閥頭運行軌跡進行建模分析，過閥孔1 外圓一點W向水平提升閥閥頭作垂線交于C點，延長交閥孔1 中心線于D點，求得以D為圓心CW所圍成的圓環(huán)面積Sw即為等效面積。

圖4 水平提升閥閥頭運動模型

假定閥頭瞬時位移為L1，水平提升閥運動瞬時時間為t1，閥頭錐度為α，可得

其中，v為水平提升閥運動速度，L1=vt1；H為閥頭直徑。

進一步可得水平提升閥閥頭與閥孔1 形成的等效面積

水平提升閥的運動速度取決于系統(tǒng)流量，假定系統(tǒng)流量為q，水平提升油缸無桿腔面積為A，即可得水平提升閥運動速度

將（4）式帶入（3）式可得

將出料口與吸料口之間的間隙等效為薄壁小孔流量，可得注漿泵一次循環(huán)的反漿量Q反為

其中，Cq為小孔流量系數(shù)，由于孔前管道對液流進入小孔起導向作用，取Cq=0.7。

反漿量隨著換向閥的移動，是對換向時間的變量函數(shù)，對時間進行積分，可得

可得注漿泵完成一次注漿的容積效率

由式（7）可知，當提升閥換向時間一定的情況下反漿量與注漿壓力呈線性比例關系，隨著注漿壓力的增高，反漿量越大，容積效率越低。

2.2 容積效率實驗分析

中鐵裝備自制注漿泵1 臺，液壓動力源，帶攪拌電機砂漿罐1 個，注漿泵控制輸入電信號，注漿壓力傳感器2 個，機械式土壓表1 只，注漿次數(shù)脈沖計數(shù)器2 只，注漿管路連接附件，足量砂漿原料。

將注漿泵吸料口連接沙漿罐底部出料口，注漿泵出料口連接到沙漿罐頂部，并將注漿土壓傳感器和土壓表安裝到注漿泵出料口，注漿泵液壓控制閥塊由連接的盾構實驗平臺液壓泵站提供動力，控制塊中電磁閥控制信號由盾構實驗平臺控制柜給定，土壓傳感器壓力信號線、脈沖計數(shù)器信號線連接到控制柜。

將提升閥換向時間T控制在500ms，實驗可得，注漿壓力、反漿量和一次注漿容積效率之間的關系如表1 所示。

由表1 可得，當提升閥的換向時間一定時，反漿量隨著注漿壓力的升高而增大，一次注漿容積效率隨著注漿壓力的升高而減小。

3 容積效率優(yōu)化設計

由式（7）可得，反漿量不僅與注漿壓力有關，同時與提升閥的換向時間有關，當注漿壓力一定時，反漿量隨著換向時間的減小而減小，隨之，容積效率增大。

以相同的實驗條件，加大提升閥油缸無桿腔油液流量，從而提高提升閥的運動速度，現(xiàn)將提升閥的運動時間縮短為0.1s 進行實驗，可得注漿壓力和一次注漿容積效率之間的關系如表2所示。

表1 T=0.5s時，注漿壓力、反漿量和一次注漿容積效率關系

表2 T=0.1s時，注漿壓力和一次注漿容積效率關系

由表2 可得，當提升閥的換向時間縮短為0.1s 時，一次注漿容積效率可達到95%以上。因此，減小換向閥的換向時間可有效地增大注漿泵的容積效率。減小提升閥的換向時間，則需提高提升閥油缸的運行速度。當提升閥油缸選定的情況下，需增大無桿腔的流量。但無限制的加大流量，將增加功率損耗。同時，速度越快，慣量越大，沖擊較大，將影響泵的使用壽命。若控制水平提升閥和豎直提升閥的開關順序，吸料時水平提升閥先關閉，豎直提升閥后打開，輸出時豎直提升閥先關閉，豎直提升閥后打開。這樣，在注漿泵在過程中則不會發(fā)生反漿現(xiàn)象，大大提升了柱塞式注漿泵的容積效率。

如圖5 所示，在水平提升油缸和豎直提升油缸的有桿腔進油處，分別串聯(lián)一個順序閥。吸料時，水平提升閥有桿腔油液經(jīng)過單向閥快速回油箱，將水平提升閥關閉，待壓力達到后，油液將豎直提升閥有桿腔進油口順序閥頂開，進入豎直提升閥有桿腔，從而使豎直提升閥打開，完成吸料過程。注漿時，豎直提升閥有桿腔油液經(jīng)過單向閥快速回油箱，將豎直提升閥關閉，待壓力達到后，油液將水平提升閥有桿腔進油口順序閥頂開，進入水平提升閥有桿腔，從而使水平提升閥打開，完成注漿過程。

圖5 提升閥順序動作原理圖

實驗可得，不同換向時間T下，注漿壓力與反漿量、一次容積效率之間的關系如表3 所示。

由表3 可得，該方法能有效地防止注漿過程中的反漿情況，容積效率可達100%。

4 結論

1）注漿過程中提升閥的同步開關造成反漿，是柱塞式注漿泵容積效率低的主要原因。對提升閥的運動過程進行建模分析，得出反漿量與注漿壓力P以及提升閥運動時間T有關，隨著注漿壓力的增大，提升閥運動時間越長，反漿量越大，容積效率越低。

表3 優(yōu)化后注漿壓力和一次注漿容積效率關系

2）進行柱塞式注漿泵容積效率的優(yōu)化設計，減小提升閥的運行時間并進行實驗對比分析，得知減小提升閥的運行時間可有效減小反漿量，將容積效率提高至95%。

3）在水平和豎直提升油缸的有桿腔進油處分別串聯(lián)順序閥，實現(xiàn)水平和豎直油缸的順序動作，并進行實驗分析，得知，該方法可有效防止反漿情況發(fā)生，進一步提高注漿泵的容積效率。