刘永强 宋强 王连锁
天津城建隧道股份有限公司 天津 300250
摘要：在天津地铁5号线中医一附院站～李七庄站区间隧道施工中出现严重液化粉土地层，盾构机掘进初期发生了严重沉降。天津城建隧道股份有限公司组织设备团队对盾构机注浆系统进行全面技术分析和升级改造，改造后地面沉降得到有效控制，保证了施工的安全。文章对整个改造的过程进行详细说明。
关键词：天津液化粉土地层、沉降控制、同步注浆系统、技术改造
1.隧道工程及盾构设备简介
天津地铁5号线R3合同段R3合同段中医一附院站～李七庄站区间采用日本川崎重工生产的外径φ6.34m土压平衡盾构机施工，左右线均从中医一附院站始发，李七庄站接收。区间设计起点里程DK32+875.625至DK33+980.000。区间纵断面采用V字型坡，最大坡度18‰，隧道埋深9.5m~1 8m。
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纵断面图中 图例为③2液化粉土地层
区间隧道穿越主要地层为③2粉土、⑥4层粉质粘土、⑦层粉质粘土、⑧1、⑨1粉质粘土层。根据勘察资料显示，场地内③2层粉土在地震作用下为地震液化层，经判定，当抗震设防烈度为7度时，该层土属严重液化土。
盾构机注浆系统由PA-15C柱塞泵、储浆罐（5立方米）、流量计、压力计和相关管路及附件组成。
在中李区间盾构机掘进开始的前80环，掘进后地面发生了较大的沉降，最大沉降259mm，沉降严重超标。这与注浆系统针对液化地层的性能不足有直接关系。
2.注浆系统理论排量计算
通过计算，按照液化地层注浆要求，计算单液浆注浆泵要达到298L/min,双液浆注浆泵要达到268L/min。原系统注浆泵PA-15C柱塞泵最大排量200L/min，因此是不能满足液化地层施工同步注浆的流量要求，极易导致地面沉降。
3.注浆泵选型
目前几种常见的注浆泵（单液型柱塞泵、双液型柱塞泵、螺杆泵、挤压泵），在压送方式、特征、压送材料、维护、业绩和适用性方面可以进行选择。
通过以上对比，如果注入单液浆、且压力高流量大，可选单液型柱塞泵。该泵具有注浆压力高，可输送含砂量大的浆液，可同时两点注入。原注浆系统注浆泵为双液型柱塞泵，为了改造后注浆系统有更大的适应性，增加一台单液型柱塞泵，排量可达220L/min。这样两台泵的排量就完全满足严重液化地层注浆的要求了。
4.注浆改造相关同步注浆控制系统程序设计
4.1 同步注浆控制系统模拟量模块初始化
模拟量输入模块的初始化如图 4.1 所示。
程序解释（FX2N-4AD 为例）：
1） 将编号为 1 的模拟量功能模块内编号为 30 开始的 1 个缓冲寄存器的数据读入可编程控制器，并存入 D0 开始的 1 个数据寄存器中；
2） 将 D0 中的数据与模拟量模块的 ID 号 2010 对比，当两数据相等时，M101常开触点闭合；
3） 将 H1111 写到 0 号缓冲寄存器中，即将 4 个通道均设为+4~+20m A 电流输入；
4） 将 4 个 6 分别写入 1~4 号缓冲寄存器中，即 4 通道的采样数为 6；
5） 将 1 号模拟量模块的 29 号缓冲寄存器中的数据读入，并储存在M103~M110 组成的两个位元件组中；
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6）模拟量模块的 29 号缓冲寄存器中存储错误信息，检查错误信息后，M250线圈得点，从而 M250 常开触点闭合；
7） 将 1 号模拟量模块的 5 号缓冲寄存器中的数据读入可编程控制器，并存储在 4 个由 D1 开始的内部寄存器中。
4.2 同步注浆控制系统故障报警
程序解释(1#~2#管路变量泵 JZ3 为例，即为 JZ3 的连锁条件)：
1） X043 为急停信号，当有主控制急停信号，电源急停信号，以及其他连锁的急停信号时，故障发生；
2） M61 表示 1#~2#管路变量泵 JZ3 的延时 10S 吸合控制，即当变量泵 JZ3开启 10S 后，如没有接触器吸合返回信号，则 M61 常开触点闭合。Y023 为变量泵 JZ3 中间继电器，当变量泵 JZ3 开启，且 10S 后没有接触器吸合返回信号，则故障发生；
3）X112 为液位低信号，当有液位低信号时，X112 常开触点闭合，且延时 2分钟，若仍然有液位低信号，则故障发生；
4） X113 为液位超低信号，当有液位超低信号时，故障发生；
5） M35 为液压油油温信号，当液压油油温不在正常区间时，M35 常开触点闭合，该功能由区间比较指令实现，故障发生；
6） M36 为液压油油压信号，当液压油油压不在正常区间时，M36 常开触点闭合，故障发生；
7） X001 为过滤泵开启指令，M60 过滤泵堵塞信号，当过滤泵开启，堵塞信号产生，且延时 5 分钟仍然有堵塞信号时，Y007 为故障指示灯，故障产生；
8） 在这 5 分钟内，要求故障指示灯以 1S 的频率闪烁。当有堵塞信号时，Y007 对应指示灯亮，同时定时器 T18 开始计时，1S 后，T18 常开触点闭合，常闭触点断开，指示灯熄灭，同时定时器 T17 开始计时，1S 后，T17 常闭触点断开，定时器 T18 失电，同时因 T18 常开触点复位，定时器 T17 也失电，T17 常闭触点又复位，这样两个定时器触点都复位，Y007 对应指示灯亮又重新发光，如此不断重复，实现频率为 1S 的闪烁控制。
4.3 同步注浆控制系统注浆控制
程序解释（1#~2#管路变量泵 JZ3 为例）：
1） M0 为故障信号，M221 为注浆压力控制信号，该功能由区间比较指令实现，当在设定范围内时，M221 常开触点闭合；
2) X005 为 1#~2#管路变量泵 JZ3 开启常开触点，X006 为 1#~2#管路变量泵JZ3 关闭常闭触点，Y004 为 1#~2#管路变量泵 JZ3 中间继电器，可见实现对 1#~2#管路变量泵 JZ3 的开启、关闭以及自锁控制；
3) 类似的，依次为管口混合器控制，A 液注入阀控制，B 液注入阀控制，A液注入主阀控制，B 液注入主阀控制，以及 M201 驱动的注浆压力与注浆量的启动调节控制。
4.4 同步注浆控制系统搅拌电机正反转控制
搅拌电机要求每隔五分钟实现正转与反转的交换，程序编写如图 4.4 所示。
程序解释：
1) X003 与 X004 触点分别为电机启动与关闭控制，并实现自锁控制；
2) X003 常开触点闭合，搅拌电机正转启动，同时辅助继电器 M112 被驱动，M112 常开触点闭合，定时器 T12 开始计时，5m 后，T12 上升沿脉冲触发，将辅助继电器 M111 置位，即 M111 常开触点闭合，M111 常闭触点断开，搅拌电机正转停止，反转启动，同时驱动辅助继电器 M113，即 M113 常开触点闭合，定时器T12 开始计时，5m 后，T13 升沿脉冲触发，助继电器 M111 复位,且 M112 与 M113都复位，搅拌电机回到开始正转的状态，如此循环，实现对搅拌电机的每隔 5m的正转与反转控制。
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5.同步注浆系统改造的应用效果研究
按照前述改造方案，对盾构机注浆系统进行相应的改造，注浆能力明显增强。增加一个单液注浆泵后，可以同时实现两点注入浆液。在中医一附院站~李七庄盾构井区间右线前80环，地面沉降严重超标，达到259mm。在150环左右完成注浆系统改造。
通过对严重液化地层分析研究，从注浆系统改造增加注入量和注入点为主要措施，同时对掘进土压控制和出土控制进行优化。对80环以后的掘进加强自动监测。自动监测布点情况见下图。
在中~李区间盾构穿越液化地层时，地面出现了大幅的沉降。见下图80环及之前沉降值。
沉降变化曲线图
第一阶段：82~126环（136~243mm）
同步注浆量由平均每环6m3提高至平均每环8m3（超过8 m3盾尾容易漏浆）。注浆压力控制在0.6MPa以内。
第二阶段：127~149环（-94~-196mm）
同步注浆方调整到6m3。注浆注浆压力控制在0.5MPa以内。
从127~149环沉降监测报表显示，在同步注浆减少2m3的情况下，比81~126施工期间有所好转。
第三阶段：150~210环（-28~-75mm）
同步注浆采用双液浆，注浆量5~5.5m3，注浆压力控制在0.5MPa以内。沉降趋势大幅好转。
第四阶段：211~253环（-7.7~20.6mm）
同步注浆采用新调整的双液浆，注浆量5.5~ 6.0m3(浆液注入比为220%~240%)，注浆压力控制在0.5MPa以内。
对注浆系统进行升级改造，由单点注入改成双点同时注入。
经过四个阶段的施工，隧道地面沉降恢复到正常范围。盾构机同步注浆系统改造达到了预期的效果。
参考文献
【1】周文波 《盾构法隧道施工技术机应用》 2004.11
【2】张庆贺《盾构推进对土体的扰动规律的研究》2007.08
【3】刘艳梅等《三菱PLC基础与系统设计》2009.08