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1、第九节 灌浆施工自动化1 钻孔自动记录系统 钻孔工序在灌浆工程中是首先进行的，钻孔过程中所获得的信息是指导随后进行灌浆的重要资料和依据；钻孔工序所消耗的工时在灌浆工程中占有很大的比重。因此国内外一直都致力于钻孔机具和钻孔方法的持续改进，努力提高钻孔施工效率。近一二十年，欧美国家将计算机技术和信息技术引入钻孔设备中，开发了钻孔自动记录系统，并已经投入了实用。法国和意大利工程师设计和研制的钻孔参数记录仪，是将各种传感器安装到钻孔机械上，计算机对传感器传回的信号进行处理运算，然后输出各种技术数据，包括：回转速度、钻进压力、扭矩、钻进速率，循环液漏失情况等。有的系统的还可对获得的技术数据与已有的勘探和
2、灌浆资料进行比较，加工处理得出地层的岩性、风化程度、裂隙发育状况和渗漏程度等，甚至对应当采取的灌浆措施、灌浆参数提出建议，从而大大提高了灌浆施工的预见性、科学性。我国的灌浆施工中尚未见使用这样的技术。2 灌浆自动记录灌浆施工记录是记载灌浆过程参数的凭证，是评价判断灌浆质量的重要依据之一，同时又是计量灌浆工程量进行经济结算的依据。而这些参数的测量和记录又极易受到人为因素的影响。运用电子计算机对灌浆过程中的技术参数进行自动采集和记录，以及按设定程序对灌浆过程进行自动控制的技术，上世纪七八十年代在发达国家已经开始应用。 我国从1985年开始将灌浆自动记录仪和灌浆自动控制技术列入国家“六五”、“七五”
3、科技攻关任务，1987年2月由中国水利水电基础工程局科研所和天津大学电力及自动化工程系合作研制的我国第一台灌浆自动记录仪通过科技成果鉴定。我国研制和使用灌浆自动记录仪虽然起步较晚，但起点较高，进步很快，目前我国已有几家单位能够生产满足施工要求的灌浆自动记录仪，相反国外的多种记录仪虽然性能很好，但都不太适用我国习用的循环式灌浆的特点，价格也很昂贵。1994年颁布的水工建筑物水泥灌浆施工技术规范SL62-1994首次规定“灌浆工程宜使用测记灌浆压力、注入率等施工参数的自动记录仪”。2001年水工建筑物水泥灌浆施工技术规范DL/T5148-2001规定“重要工程的帷幕灌浆和高压固结灌浆，应使用灌浆自
4、动记录仪”。2.1灌浆自动记录仪的类型在灌浆工序中对最终灌浆质量有影响的施工参数很多，但影响最大和最直接的是灌浆时间、灌浆压力、注入率、浆液密度、地面抬动等，它们各自对灌浆质量的影响和管理的难度见表2-9-1。表2-9-1 影响灌浆质量的主要施工参数参数名称物理意义对灌浆质量的影响及影响程度人工记录发生差错的可能性自动记录的复杂性时间灌浆过程延续的时间纯灌时间、达到结束条件的持续时间的长短反映灌浆过程是否符合规程要求。时间过短可能导致灌浆不足。时间有时（如压水试验）也是结算的依据。对灌浆质量影响很大。 时间（时刻）也是其它参变数的位置坐标可能缩短实际灌浆时间简单压力灌浆能量的来源压力过低使得注
5、入量减少，灌浆不足。压力过高引起地层及建筑物破坏。压力的大小也决定或影响注入率的大小和灌浆时间的长短。对灌浆质量影响很大可由操作者的调节随时改变，发生差错的可能性最大较简单注入率灌浆材料消耗的反映注入率大小应与灌浆压力协调控制，当大则大，当小则小。注入率决定注入量，注入量是进行工程结算的依据。对灌浆质量影响很大可能加大或缩小注入率较复杂浆液密度施工中浆液质量的体现水灰比的大小应符合设计要求或与注入率相适应，不适当地变小水灰比将促使提前结束灌浆，从而导致灌浆不足。对灌浆质量影响大配制浆液密度与实际灌注浆液密度有一定误差复杂岩体抬动灌浆引起地层或建筑物的位移在敏感部位可能导致地层或建筑物的破坏。在
6、有的情况下影响很大难以做到连续观测和记录较复杂对应于表2-9-1所列施工技术参数，国内科研或施工单位开发了能够记录1个至4个参数（时间参数在外，以下同）的记录仪（表2-9-1和图2-9-2）。从技术上讲，记录这些参数都并非难事，但从工程必要性和经济实用性两方面考虑，目前使用最多的还是能记录压力和流量的两参数自动记录仪。上世纪九十年代，日本坝工中心利用放射性同位素技术，研制了一种三元灌浆计（Three element grouting gauge），可以连续测量灌浆压力、注入率和浆液浓度，并在多个大坝灌浆工程中应用。鉴于同位素技术过于昂贵，各国都在寻求用比较经济可靠的方法检测浆液密度，如重力法、
7、浮力法和压强法等，我国目前对各种方法（包括同位素法）都有研究和应用。表2-9-2 灌浆自动记录仪的种类记录仪种类记录内容基本原理价格使用普及程度灌浆压力计灌浆时间、压力以弹簧发条控制时间、压力指针描画压力曲线低渐少灌浆自动记录仪灌浆时间、压力、注入率以压力变送器、流量变送器检测压力、流量，计算机对压力流量信号进行处理、显示和记录较贵多三元灌浆记录仪灌浆时间、压力、注入率、浆液密度同上，但增加了密度传感器及密度信号处理。密度检测的原理有放射性同位素法、超声波法、重力（浮力）法、压强法等贵或很贵少四参数灌浆监测系统灌浆时间、压力、注入率、浆液密度、地面抬动以压力变送器、流量变送器、密度传感器和位移
8、传感器分别检测灌浆压力、流量、浆液密度和地面抬动，计算机对信号进行处理、显示和记录贵或很贵很少 图2-9-1为我国制造的单孔灌浆自动记录仪（a）和可同时记录8个孔段的灌浆参数记录仪（b）。 值得指出的是，虽然灌浆自动记录仪可以提高灌浆数据的可信度和工程的精确度，可以减轻技术人员和工人的劳动强度、提高工作效率，但是自动记录仪不能代替质量管理，使用自动记录仪不能自动地提高灌浆工程质量。图2-9-1几种灌浆自动记录仪a-单孔灌浆自动记录仪；b-8路灌浆记录系统2.2 自动记录仪的构造和基本要求2.2.1 记录仪的组成与技术原理一台灌浆自动记录仪或自动记录系统应当包括传感器、主机和打印存储等三大部分。
9、主机硬件部分主要由六块模板组成，包括主机板、键盘版、A/D转换板、I/V转换及打印板和显示器板，国外和我国早期的记录仪还有长图仪控制板（图2-9-2），六部分电路通过数据总线连接。流量传感器和压力传感器采集的灌浆过程中的压力、注入率等物理量的模拟信号输入I/V转换及长图仪控制板，压力和注入率的模拟值一路输至长图仪，一路进入A/D板，经模数转换后输至主机板运算处理，主机板再分送至显示器板由液晶数字显示压力、注入率的实际值，分送至打印机板控制打印机打印出时间和各项数据。键盘与主机板相连，实现人机对话。图2-9-2 自动记录仪硬件原理框图2.2.2 对记录仪的基本要求根据我国的实际情况，灌浆自动记录
10、仪应当具备如下基本功能：（1）应能满足连续记录灌浆压力、注入率等基本参数的要求。（2）打印记录参数的时间间隔不宜大于5min，各项参数以记录间隔时段内的平均值为宜，灌浆压力最好能同时记录平均值和最大值。（3）应能适用纯压式和循环式两种灌浆方法。（4）记录参数的精度应高于常规计量的方法或满足灌浆规范的要求。常规采用压力表计量压力的精度等级通常为2.5级，规范要求制浆材料的计量误差应小于5%。（5）灌浆现场工作环境较差，因此记录仪应具有较强的抗潮湿、抗电磁干扰性能，工作稳定性好。应具有断电数据保护功能，万一发生故障时，防止资料的损失。（6）操作维护简单，适于一线作业人员使用。（7）较低的价格。2.
11、3 记录仪在灌浆管路中的连接形式 由于灌浆的管路连接方式不同，因此自动记录仪在灌浆管路中也有多种连接方式。2.3.1 纯压式灌浆国外灌浆以纯压式为主，因此国外的自动记录仪都是适用这种方式，如图2-9-3。2.3.2 循环式灌浆我国的灌浆较多采用循环式，记录仪在循环式管路系统中有多种连接方法。比较实用有效的连接方法有如下两种：（1）使用一个流量传感器这种连接法如图2-9-4a，它的优点是可以节约一个流量传感器，较多地降低了记录仪的价格，记录质量基本可满足要求。缺点是储浆搅拌机至灌浆泵间的管路内浆液有时会沉淀，有时又通过流量计回流，使计量失准；同时回浆桶敞开，易人为改变流量数据；每隔一定时段，要进
12、行浆液大循环（即回浆不进入回浆桶，直接进入储浆搅拌机），操作较复杂。（2）使用两个流量变送器接法如图2-9-4b，它可以避免上述的多项缺点，不足之处是需用两个流量传感器，提高了记录仪的价格，同时对两个流量传感器性能的一致性要求较高。2.4 使用自动记录仪的其他注意事项2.4.1 使用记录仪的灌浆结束条件水工建筑物水泥灌浆施工技术规范规定了各种灌浆的结束条件（见第六节3.8等），但这些条件基本上是在长期的以手工进行记录的施工实践经验基础上总结出来的，因而在使用记录仪进行记录和施工时，现有的灌浆结束条件并不完全适应。（1）现有结束条件中的注入率标准为不大于1L/min，但一般记录仪的流量传感器的精
13、度在流量减小到1L/min以下时会显著降低，流量越小，精度降低越严重。（2）对于孔口封闭法灌浆来说，结束条件中的“持续时间”原来是考虑了有一些时间要用于活动钻杆（灌浆管）的，在活动钻杆时通常要降低或解除灌浆压力。手工记录时这一个细节并不予以反映。使用记录仪后灌浆结束阶段长时间的高压浓浆灌注，使得操作十分困难，甚至屡屡发生“铸管”事故。对此，虽然已经发明了一些办法，但也仅是可部分地解决这一问题，而且毕竟使施工复杂化，工耗和能耗增加。我国目前尚没有妥善解决上述问题的规范性规定。有的工程采取了适当缩短“持续时间”，或允许在持续时间内有20%30%的压力和注入率小于规定值。还有一些记录仪通过在软件系统
14、中设置某种程序，来“修改”实际情况，以满足规程要求，这是不可取的。2.4.2 记录仪的维护保管灌浆自动记录仪属于贵重仪器，它的价值在钻孔灌浆设备中占有较大的比重，因此应当注意爱惜，正确使用。（1）应当仔细阅读产品说明书，搞清安装要求，操作方法步骤。不要盲目使用。（2）记录仪毕竟是电子仪器，各家产品虽然都有防潮、防水、防震、防电磁干扰等措施，但使用时仍应尽量避免潮湿、水淋、强烈震动和强电磁环境。（3）最好能安排专人操作，专人维修。（4）当采用循环式灌浆时，记录仪最好使用双流量计，采用图2-9-4b工作方式。使用一个流量计时，应注意经常进行大小循环转换。（5）灌浆结束后及时将灌浆管路冲洗干净，特别
15、是传感器的电极或其它敏感部位要防止水泥颗粒的沉淀凝结。（a） (b)图2-9-3纯压式灌浆管路中自动记录仪的连接a-国产两参数记录仪在管路中：1-储浆搅拌机；2-灌浆泵；3-记录仪主机；4-压力表和压力传感器；5-灌浆孔；6-阀门；7-管路；8-流量传感器；10-信号电缆b-日本三元灌浆计系统：1-长图仪；2-记录仪主机；3-信号电缆；4-压力流量检测器；5-密度检测器；6-储浆搅拌器；7-灌浆泵；8-灌浆孔；9-自动阀（6）对记录仪的测量精度应定期地（或经过搬迁后）进行校验或检定。目前水电工程所在地大多不具备对灌浆自动记录仪进行计量检定的能力，可由施工单位在现场使用经过检定的压力表、水表，对记录仪进行通水校验。校验工作可在监理人员参加下进行。 （7）严禁使用人员随意修改记录仪的程序。因故需要对记录仪原有程序进行修改时，应通过原制造单位进行，以免损坏仪器。
