一种自动稳压注浆辅助系统及其工作方法与流程

本发明属于土木工程技术领域，具体涉及一种自动稳压注浆辅助系统及其工作方法。

背景技术：

在土木工程领域中，遭遇软弱富水地层时，经常采用注浆技术来改善围岩特性，浆液在通过注浆机，匀速匀量注入地层，实现对地层土体的挤密和填充，从而改良其力学性能，降低施工开挖可能引起的风险。

现有注浆设备中，注浆机匀速运行或分不同档位功率匀速运行，其注浆压力是被动产生的，实测注浆压力为脉冲式波动的曲线，随着注浆量的增大，地层逐渐被挤密和填充，即使关闭注浆机停止注浆，与注浆孔内联通的压力表也可以保持一定的压力读数，即静止压力，也是通常注浆方案设计中的注浆控制压力。但是，在很多城市环境中，周边临近建(构)筑物繁多，甚至施工区域距离需要保护的既有建(构)筑物小于1m，方案设计往往要求控制注浆压力小于0.5mpa，而浆液在地层中的扩散速度小于注浆机的注入速度，造成脉冲注浆压力远大于控制注浆压力(1mpa以上)，给临近的建(构)筑物的安全带来重大威胁。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种自动稳压注浆辅助系统及其工作方法，以解决现有注浆设备运行时形成较大的脉冲压力，过分扰动地层，危及周边环境建构筑物安全的问题。

本发明采用以下技术方案：一种自动稳压注浆辅助系统，包括单向阀、可调节式稳压缸和自动行程开关，其中：

一单向阀，包括三个端口，一端用于与注浆机单向连通，一端用于与注浆管双向连通，一端用于与可调节式稳压缸双向连通；

一可调节式稳压缸，具体包括：

一缸壳，为一端敞口一端封闭的空心圆柱壳体，其封闭端与单向阀连通，其敞口端可拆卸安装有卡簧花板，敞口端处设有用于为注浆机供电的电路；

一活塞体，位于缸壳内，用于在封闭端和敞口端之间往复移动；

一高弹橡胶内囊，位于活塞体与封闭端之间，其内部与单向阀连通，用于接收分流的浆液并使自身膨胀，还用于被压缩以排出内部的浆液；

一弹簧压缩组件，包括弹簧限位杆、和套设在其上的高强度压缩弹簧，弹簧限位杆的一端连接于活塞体靠近敞口端的一侧，另一端经卡簧花板穿出，用于跟随活塞体往复移动；高强度压缩弹簧位于缸壳内，其用于在高弹橡胶内囊膨胀时被压缩，还用于在高弹橡胶内囊释放浆液收缩时对恢复自然长度，并对高弹橡胶内囊产生挤压力；弹簧限位杆，用于跟随活塞体往复移动；

一自动行程开关，设置于弹簧限位杆上，用于在弹簧限位杆移动至高强度压缩弹簧被压缩到预设极限位置处，切断为注浆机供电的电路；还用于在弹簧限位杆移动至高弹橡胶内囊容积收缩为零位置处，导通为注浆机供电的电路。

进一步的，自动行程开关包括：

一f形导杆开关，为导电材料制成，用于沿水平方向往复移动；其包括水平杆和间隔设置在水平杆下方的两个突起的突触点；

一行程开关拨片，垂直、并固定连接于弹簧限位杆上，其一端位于两个突触点之间；行程开关拨片，用于在其跟随弹簧限位杆往复移动时，交替拨动两个突触点，以实现水平杆的水平往复移动；

一导电簧片，为注浆机供电的电路的一部分，固定设置在缸壳上，初始状态下水平杆端部与导电簧片接触；用于在与水平杆端部接触时导通注浆机供电电路，还用于与水平杆端部不接触时断开注浆机电路。

进一步的，弹簧压缩组件为多个，其中一个弹簧压缩组件的弹簧限位杆位于活塞体的中心，其余的弹簧压缩组件的弹簧限位杆均环绕活塞体的中心设置，每个弹簧限位杆的一端均固定连接在活塞体上，另一端均经卡簧花板上的孔洞穿出。

进一步的，注浆管上设有用于实时监控注浆压力的压力表。

本发明采用的第二种技术方案是，一种自动稳压注浆辅助系统的工作方法，其特征在于，采用权利要求-中任意一种自动稳压注浆辅助系统，包括以下内容：

通过单向阀和注浆管向围岩灌注浆液，当围岩吸收浆液的速度小于注浆机输出浆液的速度，注浆压力不断升高，注浆压力达到可调节式稳压缸预先设置的稳压压力时，浆液同时开始从单向阀进入高弹橡胶内囊，并推动活塞体及弹簧限位杆向卡簧花板运动，压缩弹簧，产生稳定的注浆压力；行程开关拨片随弹簧限位杆一同运动，在行程开关拨片与导电杆尽头的竖直突触点接触之前，水平杆与导电簧片保持接触，注浆机电路处于通电状态。

进一步的，活塞体及弹簧限位杆运动至高压缩弹簧的工作极限，行程开关拨片拨动导电杆尽头的竖直突触点，从而带动f形导杆开关脱离与导电簧片的接触，自动切断注浆机电路，注浆机停止输出浆液。

进一步的，注浆机停止输出浆液后，压缩弹簧释放伸长，推动活塞体挤压高弹橡胶内囊，使其中的浆液经注浆管输出，在单向阀的限制下，单向注入围岩；行程开关拨片随弹簧限位杆一同向高弹橡胶内囊方向运动，在行程开关拨片与导电杆中部的竖直突触点接触之前，水平杆与导电簧片不接触，注浆机电路处于断电状态。

进一步的，活塞体及弹簧限位杆向高弹橡胶内囊方向运动至初始位置，高弹橡胶内囊容纳的浆液排空，弹簧恢复自然长度，不再向活塞体提供压力，行程开关拨片拨动导电杆中部的竖直突触点，并带动f形导杆开关插入到导电簧片之间，自动接通注浆机电路，注浆机开始输出浆液。

本发明的有益效果是：在既有的注浆设备基础上，增加一种结构相对简单，易于操作的自动稳压辅助系统，能自动稳定控制注浆脉冲压力，降低注浆施工可能造成的地层大变形风险。

附图说明

图1为自动稳压注浆辅助系统示意图；

图2为自动稳压注浆辅助系统左视图；

图3为自动稳压注浆辅助系统右视图；

图4为可调节式稳压缸剖面图；

图5为自动行程开关剖面放大图；

图6为稳压系统通电卸压工作示意图；

图6-1为稳压系统通电卸压过程自动开关局部放大图；

图6-2为稳压系统通电卸压终止自动开关局部放大图；

图7为稳压系统断电供压工作示意图；

图7-1为稳压系统断电供压过程自动开关局部放大图；

图7-2为稳压系统断电供压终止自动开关局部放大图。

其中，1.可调节式稳压缸，2.自动行程开关，3.单向流动阀，4.三通，5.压力表，6.注浆管路，7.稳压缸支座；11.缸壳，12.活塞体，13.高强度压缩弹簧，14.弹簧限位杆，15.卡簧花板，16.花板固定螺栓，17.高弹橡胶内囊，18.浆液进出口；21.开关外壳，22.f形导杆开关，23.导电簧片，24.行程开关拨片，25.连接固定螺栓。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

如图1-3所示，本发明提供了一种自动稳压注浆辅助系统，包括：单向阀3、可调节式稳压缸1和自动行程开关2。其中，单向阀3包括三个端口，一端口a用于与注浆机单向连通，一端口b用于与注浆管6双向连通，一端口c用于与可调节式稳压缸1双向连通。注浆过程中，注浆机将浆液通过端口a注入，初始状态下，浆液会经过单向阀并通过端口b流入注浆管6，然后注入围岩。当注浆压力达到预先设置的压力时，浆液会通过端口c进入可调节式稳压缸1。当注浆停止时，浆液会动从可调节式稳压缸1回流至注浆管6。注浆管6上设有用于实时监控注浆压力的压力表5。

如图4所示，可调节式稳压缸1，具体包括：缸壳11、活塞体12、高弹橡胶内囊17和弹簧压缩组件。

其中，缸壳11为一端敞口一端封闭的空心圆柱壳体，其封闭端与所述单向阀3连通，其敞口端可拆卸安装有卡簧花板15，所述敞口端处设有用于为注浆机供电的电路。卡簧花板15为设有多个孔洞的板式结构。活塞体12位于缸壳11内，用于在封闭端和敞口端之间往复移动，初始位置为所述高弹橡胶内囊17容积收缩为零。

其中，高弹橡胶内囊17位于活塞体12与所述封闭端之间，其内部与所述单向阀3连通，用于在注浆管6上的注浆压力接近预设值时接收分流的浆液，并自身膨胀体积变大；还用于在注浆机停止输出浆液后，由高弹橡胶内囊17向所述注浆管6释放其内部浆液，并自身收缩体积变小。

其中，弹簧压缩组件可以为一个或多个，在一些实施例中可以为在活塞体12的中心设置一个，围绕中心位置设置六个。弹簧压缩组件包括弹簧限位杆14、和套设在其上的高强度压缩弹簧13，所述弹簧限位杆14的一端连接于所述活塞体12靠近敞口端的一侧，另一端经所述卡簧花板15上的孔洞穿出，用于跟随所述活塞体12往复移动。所述高强度压缩弹簧13位于缸壳11内，其用于在所述高弹橡胶内囊17膨胀时被压缩，将注浆机输出的脉冲注浆压力平抑在弹簧弹力以内，还用于在注浆机停止输出浆液时，靠自身弹力推动活塞体(12)，挤压橡胶内囊(17)，继续向围岩内注浆所述弹簧限位杆(14)，用于跟随所述活塞体(12)往复移动。在实际使用过程中，可以根据注浆施工设计的需要，通过增减弹簧数量，设置稳定压力的阀值。

如图5所示，自动行程开关2设置于所述弹簧限位杆14上，用于在所述弹簧限位杆14移动至所述高强度压缩弹簧13被压缩到预设极限位置处，切断为注浆机供电的电路；还用于在所述弹簧限位杆14移动至所述高弹橡胶内囊17容积收缩为零位置处，导通为注浆机供电的电路。其中自动行程开关2包括开关外壳21，f形导杆开关22，导电簧片23，行程开关拨片24，连接固定螺栓25。

f形导杆开关22为导电材料制成，用于沿水平方向往复移动；其包括水平杆和间隔设置在所述水平杆下方的两个突起的突触点。行程开关拨片24垂直、并固定连接于所述弹簧限位杆14上，其一端位于两个所述突触点之间；所述行程开关拨片24，用于在其跟随所述弹簧限位杆14往复移动时，交替拨动两个所述突触点，以实现所述水平杆的水平往复移动。导电簧片23为所述注浆机供电的电路的一部分，固定设置在所述缸壳11上，初始状态下所述水平杆端部与所述导电簧片23接触；用于在与所述水平杆端部接触时导通注浆机供电电路，还用于与所述水平杆端部不接触时断开注浆机电路。

开关外壳21为硬塑绝缘材料，外观呈圆柱状，中间孔洞供弹簧限位杆14(主杆)穿过，内壁留有方槽，供f形导杆开关22自由滑动，通过连接固定螺栓25固定在卡簧花板15上；f形导杆开关22为铜制金属杆体，从左向右依次设两个拨动点，整个杆件呈f型；21导电簧片为铜制薄片，弯成8字形嵌入卡槽内，随着f形导杆开关22插入和拔出可以发生弹性形变，以确保这两个部件接触紧密，导电良好；行程开关拨片24通过连接固定螺栓25固定在弹簧限位杆14(主杆)尾部，与活塞体12同步运动。

该实施例中，注浆机电源线经过自动行程开关2后通电，输出浆液进入单向流动阀3，经过三通4连接的压力表5，可以实时读取注浆压力，当围岩渗透性差，浆液扩散速度小于注浆机的注浆速度时，浆液一边注入围岩，一边不断进入可调节式稳压缸1，此时可通过压力表5实时监测，注浆压力应稳定在预先设置的压力，当可调节式稳压缸1内的浆液增加到限定容积，则自动行程开关2切断注浆机电源，注浆机停止输出浆液，在单向流动阀3限制下，浆液由可调节式稳压缸1中输出，通过压力表5实时监测，注浆压力依然稳定在预先设置的压力，当可调节式稳压缸1中浆液输出完毕，自动行程开关2打开注浆机电源，注浆机重新开始输出浆液，如此不断往复，始终可以控制注浆压力在预先设置的数值以内。

该实施例中，高强度缸壳11为一体成型不锈钢壳体，厚度3mm以上，可以承受内部3mpa的压强；活塞体12为不锈钢材质，直径与高强度缸壳11内径相同，厚度10mm以上，背面设有螺纹孔，分别连接弹簧限位杆14(一个主杆及六个副杆)；高强度压缩弹簧13(一个主簧及六个副簧)套入弹簧限位杆14(一个主杆及六个副杆)，其中主簧可提供0.5mpa压强，每根副簧可提供0.1mpa压强，根据注浆方案的压力控制需求，通过增减弹簧数量，灵活调整控制压力；卡簧花板15为不锈钢材质，直径与高强度缸壳11内径相同，通过花板固定螺栓16与高强度缸壳11连接固定，卡簧花板15设置7个开孔，使弹簧限位杆14(一个主杆及六个副杆)可以自由穿过滑动，但高强度压缩弹簧13则被限位，产生压缩，为活塞体12提供注浆压力；高弹橡胶内囊17采用橡胶材质，充入浆液后体积膨胀，推动活塞体12，压缩高强度压缩弹簧13，从而形成稳定的注浆压力；浆液进出口18与高弹橡胶内囊17密封连接，杜绝了浆液接触腐蚀设备构件。

本发明还提供了一种自动稳压注浆辅助系统的工作方法，具体过程为：需预先调试好可调节式稳压缸1，根据注浆方案的要求，安装合适数量的高强度压缩弹簧13，确定其提供的稳压压力符合。之后通过注浆管路6，将注浆机、单向流动阀3、三通4、压力表5全部连接妥当，注浆机的电源线经过自动行程开关2后，与电源接通。

(1)通电卸压注浆过程：

如图6所示，启动注浆机电源，注浆机以稳定流量输出浆液，但由于地层浆液扩散速度小于浆液输出速度，注浆压力开始升高，当注浆压力达到可调节式稳压缸1预先设置的稳压压力时，浆液在注入围岩的同时，开始进入高弹橡胶内囊17，推动活塞体12及弹簧限位杆14向右运动，压缩高强度压缩弹簧13。

如图6-1所示，此时行程开关拨片24随弹簧限位杆14一同向右运动，f形导杆开关22插在导电簧片23之间，自动行程开关2处于通电状态。

如图6-2所示，当活塞体12及弹簧限位杆14向右运动至高强度压缩弹簧13的工作极限，即1/3弹簧自然长度后，行程开关拨片24向右拨动f形导杆开关22，将f形导杆开关22从导电簧片23之间拔出，自动切断注浆机电源，注浆机停止输出浆液。

(2)断电供压注浆过程：

如图7所示，注浆机电源中断后，注浆机停止输出浆液，单向流动阀3限制切断了浆液回流，高强度压缩弹簧13释放伸长，推动活塞体12及弹簧限位杆14向左运动，挤压高弹橡胶内囊17，使其中的浆液以稳定的压力注入围岩。

如图7-1所示，此时行程开关拨片24随弹簧限位杆14一同向左运动，f形导杆开关22插在导电簧片23之外，自动行程开关2处于断电状态。

如图7-2所示，当活塞体12及弹簧限位杆14向左运动至尽头，行程开关拨片24向左拨动f形导杆开关22，将f形导杆开关22插入到导电簧片23之间，自动接通注浆机电源，注浆机又开始输出浆液。

如此不断往复循环，直至完成本孔位的注浆工作，再进行下一个孔位的注浆作业。

本发明一种自动稳压注浆辅助系统，配合现有的注浆设备，在围岩渗透性差，浆液扩散速度小于注浆机的注浆速度时，通过可调节式稳压缸临时容纳多余浆液，利用高强度压缩弹簧稳定压力，当可调节式稳压缸内的浆液增加到限定容积，则自动行程开关切断注浆机电源停止输出浆液，在单向流动阀限制下，浆液由可调节式稳压缸中输出，输出完毕后自动行程开关打开注浆机电源，注浆机重新开始输出浆液，如此不断往复，始终可以控制注浆压力在预先设置的数值以内。设置两种规格高强度压缩弹簧，一根主簧可提供0.5mpa压强，六根辅助簧可分别提供0.1mpa压强，可以通过不同的弹簧组合方式，提供多种设定压力，应对不同注浆方案需求。一种可调节式稳压缸设备，在缸体内额外设置高弹橡胶内囊，浆液在内囊中进出，避免了接触腐蚀设备构件，同时也降低了活塞与缸体相对滑动时的密封需求，设备更耐用，维护更便捷。

本发明中使用的自动行程开关，结合活塞运动的特殊规律，利用f型导电杆插入和拔出来实现通电和断电。与活塞一体的弹簧限位杆末端设置运动拨片，当稳压缸内容积最大时，拨片拨动f型杆的头部突触，将导电杆拔出，自动切断电源，注浆机停止输出浆液；之后由稳压缸供浆，缸内浆液不断注入围岩，容积减小为零时，拨片拨动f型杆的尾部突触，将导电杆插入，自动接通电源，注浆机重新开始输出浆液，之后不断往复循环，直至注浆完成。

相比传统的注浆机注浆，本发明具有以下显著优点：在注浆施工中，将“被动产生的、不可控的”注浆压力变为可控，稳定提供较低的注浆压力，有效减少对地层的扰动，特别适用于周边建(构)筑物密布的城市复杂环境地区；本发明装置结构简单，浆液不接触设备构件，易于维护维修；本发明可以通过更换和增减弹簧，灵活调节预设的注浆控制压力，从0.1mpa至1.1mpa均可；本发明可通过活塞尾部的行程开关，实现自动控制注浆机启动和中断，操作十分便捷。

以上仅为本发明的操作实施例，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来讲，本发明还可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。