1 注浆自动清洗装置的应用背景
盾尾同步注浆系统，可在盾构掘进的同时进行管片壁后注浆。其工作原理为按照规定的注浆压力和注浆量在盾构推进的同时注入盾尾空隙内，从而使周围土体及时获得支撑，可有效地防止土体坍塌，控制地表沉降变形。
盾尾同步注浆的浆液分单液和双液2种。单液注浆的浆液由水、石灰、黄砂、粉煤灰、膨润土等按照一定的比例混合而成。针对不同的地质条件，需要对浆液的配比进行调整。以求达到易于运输，运输中不易离析，不沉淀，不堵管，能充分填实空隙。在凝结时间上需缓凝早强，缓凝可防止损坏盾尾密封装置，早强可使浆液不易流失。[1]
在实际应用中，由于1条隧道的掘进可能遇到不同的地质，掘进过程中，浆液的配比也要随之调整。含水量低的浆液凝结时间短，能更有效地解决管片上浮等问题，但随之出现的是浆管堵塞问题。需要频繁清理堵塞的管路。而提高浆液中的含水量，则浆液凝结时间过长，无法有效加固、稳定后方管片[2]。
双液注浆是在传统单液注浆的基础上，增加一种水溶液，使得浆液在注入后稠度值小、抗水分散性好。相比于传统单液注浆，双液注浆在双液混合后凝结时间更短，更适用于含水量高的地质，如新加坡地铁施工区域。
相比于单液注浆，由于双液注浆混合后的凝结时间更短，双液浆混合后非常容易堵管。在早期配备双液注浆的盾构机中，还没有配备注浆自动清洗装置。在遇到盾构机故障、开舱换刀等需要长时间停止推进的情况下，双液注浆管路常常会堵塞，需要人工冲洗注浆管路。
为了解决了堵管的问题，此次为新加坡T225项目设计的双液注浆的土压平衡盾构机专门配备了注浆自动清洗装置。注浆自动清洗装置可实现注浆每次完成后，立即对注浆管路进行清洗。从而解决了双液注浆堵塞管路的问题。
2 注浆自动清洗装置
注浆自动清洗装置可分为2大部分：注浆清洗切换装置和注浆管路（图1）。注浆清洗切换装置通过油缸实现切换注浆状态与清洗状态，而双液的混合与清洗则在注浆管路里实现。
图1 注浆自动清洗装置
与普通双液注浆管路不同的是，配备自动清洗功能的注浆混合管增加了清洗管路。注浆状态时，切换导杆后移，清洗管路被堵住，A、B液通过各自管路在注浆口前混合后注入管片外部，具体示意见图2。
图2 注浆状态
清洗状态时，导杆右移，注浆口被堵塞，清洗管路打开。清洗水被注入A、B液管路，反向流经并清洗整个盾构机主机内注浆管后，通过旁路排出，具体示意见图3。
图3 清洗状态
在施工过程中，一般注浆和清洗交替进行。注浆管中的浆液在还没有凝固堵塞之前，就被清洗水带出，从根本上解决了注浆管路堵塞的问题。同时，浆液的配比可以完全根据地质作出相应的调整，而不用担心管路堵塞的问题，对地面沉降和盾构姿态调整都能起到积极的作用[3]。注浆自动清洗装置作为防止注浆管路堵塞的重要设备已广泛应用于多台正在推进的盾构机中。
3 注浆自动清洗切换装置设计
注浆自动清洗切换装置（以下简称“切换装置”）为在已有注浆管路的基础上，为其配备切换装置。要求满足导杆移动的行程，能够合理布置在盾尾内部，并与盾构注浆控制系统及液压系统合理对接。
3.1设计要求
3.1.1安装位置
由于盾尾内部区域为拼装区域，在保证盾尾间隙的同时，盾尾后半部分的区域已没有空间布置其他设备。所以，必须将切换装置布置在盾尾前部区域。此次新加坡项目盾构每台配备4套盾尾注浆装置，左右对称布置，见图4。
图4 注浆自动清洗装置安装位置示意图
3.1.2设备尺寸
为了同时保证盾尾间隙与壳体锥度，需尽量压缩切换装置的高度，使得安装切换装置位置不向盾尾内侧突出。
3.1.3盾尾结构强度
与未配备注浆自动清洗装置的盾尾壳体相比，现壳体需为安装自动清洗装置开槽。需要保证开槽后的壳体强度满足要求。
3.1.4导杆长度
由于双液在混合后会立即凝固，注浆管路的设计将双液混合点设置在了盾尾后部，靠近注浆口的位置。因此，为了尽可能地清洗到主机内所有的注浆管路，导杆的切换点需设置在双液切换点的位置。这就导致了切换点和切换装置距离几乎跨越整个盾尾，导杆的长度很长。为了保证导杆运动方向不偏移，在导杆上设置导向块。
3.1.5与盾构机现有系统对接
为了方便与盾构机现有液压系统对接，切换设备使用油缸提供动力，使用接近开关传递控制信号。这样既能够与盾构机液压系统和控制系统对接，也保证了切换装置能在有水和泥浆的工作环境下能稳定的运行。
3.2设计介绍
图5为切换装置部件示意图。切换装置由切换油缸、切换导杆、油缸安装底板、油缸压板、接近开关、接近开关限位板、导向块组成。油缸安装底板通过螺栓与盾尾连接。油缸带动导杆前后移动。缩限位时，固定在导杆上的接近开关触到缩限位板，系统切换为注浆模式。伸限位时，接近开关触到伸限位板，系统切换为清洗模式。
图5 切换装置部件示意图
3.2.1导向块的设计
双液混合位置与油缸布置位置相距3441mm，切换装置配备的导杆长达1728mm才与原注浆管路的切换杆相连，如图1所示。与此同时，在实际使用过程中，需要频繁伸缩切换杆。所以，切换装置配备了4个铜制导向块。由于铜与钢的摩擦系数低，同时具有良好的延展性，可以使得导向块在具备导向功能的同时，不至于卡住导杆，导致无法切换。
3.2.2切换油缸选型
切换油缸作为切换装置的动力来源，需保证有足够的推力输出。
根据原有注浆管路配套要求，需要39kN的推力才可以满足切换要求。切换油缸的供油通过螺旋机闸门泵提供，供油压力为21MPa。
经机械设计手册查得，钢与铜的摩擦系数为0.3。由于自身重力，导杆下部与4个导向块接触，计算所产生的静摩擦力为27.87N；摩擦力相对注浆清洗切换需要的力较小，可忽略不计。所以，在供油压力为21MPa的情况下，要输出39kN的推力，经计算，切换油缸有杆腔与无杆腔的面积差至少为1.86×10-3m2。
最终选定切换油缸为：缸径63mm，杆径35mm，工作压力21MPa。工作压力下输出的推力为45257N。满足要求。
3.3 切换装置存在的缺陷
此切换装置设计首次应用于新加坡T225项目盾构机上。在使用过程中发现，切换装置故障较多。
3.3.1 切换油缸导杆变形
使用过程中，出现了切换油缸伸出方向偏离，切换导杆变形的情况。经过现场打开切换装置勘查与分析，切换导杆的弯曲变形的位置在切换油缸附近，也就是第一块导向块的前部。由于导向块与导杆配合过紧，导致导杆运动不畅。切换油缸向上翘起，顶弯导杆，见图6。
图6 导杆弯曲变形
3.3.2 接近开关
注浆自动清洗装置的注浆和清洗2个状态的切换由接近开关实现。由于盾尾内部为拼装管片的主要工作区域，虽然注浆自动清洗装置配备有保护盖板，还是会有泥浆、水等杂质影响接近开关正常工作。经常需要人工清理接近开关附近区域，注浆自动清洗装置才可正常切换工作状态。
3.3.3 注浆压力不准确
由于注浆系统最末端的压力传感器设置在拼装平台上的注浆阀块位置，从拼装平台到盾尾注浆管再到盾尾出口，并没有设置压力监测的设备。压力传感器的监测位置离注浆口过远，系统无法准确监测到盾尾注浆口的压力。在隧道掘进过程中，缺少了一个精确的关于后部土体压力和后部管片稳定性的参考数据。
4设计改进
针对切换装置在使用过程中遇到的问题，进行改进。
4.1改进油缸压板形式
导杆变形的主要原因是油缸向上翘起（伸出方向变化）所导致的。改进的第一步，就是将两侧固定油缸轴的压板改成一体式的。新的油缸压板从上部将油缸整体固定在安装底板上，防止油缸上翘，见图7。
图7 改进后的油缸压板
4.2同轴度的控制
导杆变形的另一方面原因是在导杆往复运动过程中，导杆与油缸缸体的同轴度无法保证。在部件加工和装配过程中，增加与同轴度相关的尺寸的精度。
4.3增加压力传感器
在盾尾前半部分方便拆卸的位置增加注浆管路压力传感器安装孔。为了尽可能节省空间，压力传感器安装在注浆管路上新增的Y型接口上（图8），保证安装位置尽可能靠近注浆口的同时，方便清洗水反向冲刷压力传感器，防止堵塞。
图8 新增压力传感器接口
5 结语
注浆自动清洗管路及切换装置首次用于新加坡T225项目。在使用过程中，基本实现了其设计功能。但出现了导杆变形、接近开关由于泥浆和水发生损坏导致无法切换等问题。在之后的T305、T310项目中，应用了新型油缸压板、增加压力传感器等改进设计后，切换装置的故障率显著下降。与此同时，切换装置作为一项只在3个项目应用过的新设计还有很多提升和改进的空间。而此次的改进方案是基于原有设备已加工完成，在初步调试使用后发现问题后的改进方案，还有许多可以改进的地方。如，在今后注浆自动清洗装置的设计中，用内置式的油缸行程传感器代替接近开关，进一步改进导向块的形式，增加B液保护，防止浆液倒灌入B液管等改进措施正在构思与商讨中。
摘自《上海隧道》