富水砂層地鐵施工的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)噴涌控制技術(shù)

劉琦

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100000）

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為現(xiàn)階段地鐵施工中掘進(jìn)技術(shù)的主要應(yīng)用器械，但其穿越富水砂層進(jìn)行掘進(jìn)工作時有較大概率出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，造成額外施工現(xiàn)象出現(xiàn)。針對該問題，本文結(jié)合某地工程展開分析，借鑒地極滲流破壞機(jī)理進(jìn)行計算模型構(gòu)建，通過計算機(jī)計算結(jié)合實際情況分析噴涌狀況產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，解決問題的同時對未來施工中的對應(yīng)因素加以控制，實現(xiàn)噴涌控制，避免額外施工。

1 工程分析

1.1 施工地質(zhì)條件

本文中所分析工程為西安地鐵一號線二期森林公園站至灃東路站區(qū)間，此區(qū)間內(nèi)距離灃河最近距離為860m，整體隧道施工要求較高，且其上方為該市市區(qū)主干道之一，晝夜車流量較大，施工過程中需要較為嚴(yán)格的控制整體隧道質(zhì)量，以免發(fā)生危險。根據(jù)隧道施工時的土質(zhì)分析數(shù)據(jù)可了解到，該地區(qū)土層可分為五類，分別為雜填土、素填土、黏土（粉質(zhì)黏土）、粉砂（粉細(xì)砂）、砂礫卵石。施工過程中，盾構(gòu)穿越粉砂層與粉細(xì)砂層、200環(huán)左右為下坡段，頂板埋深10.1～ 17.9m。

1.2 施工過程中的水文地質(zhì)參數(shù)

施工過程中主要接觸的地下水種類為孔隙承壓水，其主要存在于粉砂層、粉細(xì)砂層、砂礫卵石層中，符合富水砂層條件，且該工程中接觸此類地層較多。針對含水層進(jìn)行分析，其承壓含水層為粉質(zhì)黏土、粉砂層、粉砂護(hù)層的統(tǒng)一集合，含水層頂板處存在黏性土，透水性較低但具備透水功能。下坡段施工過程中，承壓水頭高度為8.1～14.8m，標(biāo)準(zhǔn)高度為14.8～17.6m。

2 噴涌問題發(fā)生情況及問題分析

2.1 噴涌問題發(fā)生情況

該工程于施工條件中已針對實際情況展開分析，將噴涌事件發(fā)生情況考慮在施工過程內(nèi)，采用泡沫加膨潤土漿液的施工方式對渣土進(jìn)行改良，意在將渣土坍落度控制在16～20cm內(nèi)，保障施工正常開展。但實際過程中在掘進(jìn)期間發(fā)生的狀況與實際不符，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至140環(huán)時，出現(xiàn)噴涌狀況，狀況發(fā)生處位于螺旋機(jī)閘門位置，噴涌現(xiàn)象間斷發(fā)生；后隨掘進(jìn)深度逐漸增加，埋深逐漸提升，噴涌現(xiàn)象亦隨之更為嚴(yán)重。針對此類情況，施工過程中采取控制掘進(jìn)速度、增加泡沫注入量、提升膨潤土漿液黏度、減少漿液注入量、控制出土量的措施加以控制，情況有所好轉(zhuǎn)。但隨后過程中，隨掘進(jìn)深度再次深入，噴涌現(xiàn)象再次加重。事實證明，此工程中利用泡沫、膨潤土漿液的問題解決措施雖暫時有效，但隨掘進(jìn)深度增加，所需控制手段需求增加幅度較大，且保障時間將會逐漸縮短，若強(qiáng)行開展工程，不僅消耗資源較大，造成額外支出，更可能存在安全隱患。因此，圍繞實際施工狀況暫時停止掘進(jìn)，并分析問題成因，意在尋找對策，盡快繼續(xù)施工，保障工程符合預(yù)期時間。

2.2 問題分析

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)土壓平衡原理進(jìn)行分析，其掘進(jìn)過程中主要依靠刀盤切削渣土進(jìn)行推進(jìn)，機(jī)械前進(jìn)過程中刀盤渣土不斷填充、堆積至土倉與螺旋排土器內(nèi)部，隨后渣土壓力作用于開挖面，水土壓力與開挖面平衡，實現(xiàn)逐漸推進(jìn)。問題便發(fā)生于此。當(dāng)掘進(jìn)工程開展后，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)產(chǎn)生的渣土為塑性流動狀態(tài)，且流動狀態(tài)下隨著螺旋機(jī)排出，土壓結(jié)構(gòu)在排出過程中發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原有模式下于開挖面上的平衡形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯討B(tài)平衡，而動態(tài)平衡的維持需要依靠排土口處的渣土出渣速率，此速率較為難以控制，控制過程中一旦出現(xiàn)問題，則使動態(tài)平衡被打破，穩(wěn)定性存在問題，使掘進(jìn)速度受影響，且力分布不平均，易導(dǎo)致富水砂層出現(xiàn)流土破壞，進(jìn)而導(dǎo)致噴涌。

除上述問題以外，富水砂層出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象的原因亦與其特點有關(guān)，雖此方面問題導(dǎo)致的噴涌原因出現(xiàn)與實際無關(guān)，但無論如何，此類原因皆造成噴涌現(xiàn)象出現(xiàn)，還需結(jié)合實際進(jìn)行分析，尋找問題產(chǎn)生的原因。富水砂層中的滲流力作用為實際過程中的重要因素之一，此類問題的成因可以以舉例方式分析。將其與地基發(fā)生滲流破壞的原因作類比。二者發(fā)生問題的成因皆為滲流力作用所引發(fā)的土體顆粒懸浮、移動，進(jìn)而出現(xiàn)受力不均，導(dǎo)致噴涌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 問題解決過程及對策分析、有效性驗證

3.1 問題參數(shù)分析

若想解決問題，首先需結(jié)合實際進(jìn)行問題發(fā)生因素確定，隨后根據(jù)因素發(fā)生原因進(jìn)行實際施工過程中的規(guī)避。為保證施工進(jìn)度，結(jié)合實際情況展開分析，利用計算機(jī)軟件計算，可設(shè)置問題分析步驟如下：

首先為參數(shù)分析與錄入。若原有模式下工程施工中未使用防噴涌措施，則實際施工狀態(tài)參數(shù)與原有模式參數(shù)相符，將其輸入軟件中，建立計算模型，隨后需要輸入的參數(shù)為斷面滲流速度（平均值）、土體滲流系數(shù)、水力梯度、開挖面及螺旋機(jī)排土口的水頭高度、滲流路徑長度。除此以外，土顆粒所造成的滲流作用力亦為實際過程中的重點參數(shù)。其次為得出數(shù)據(jù)分析。利用軟件進(jìn)行計算后，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)水頭差減少、滲透路徑變長后，土體穩(wěn)定參數(shù)增加、噴涌強(qiáng)度降低；當(dāng)土體孔隙比降低，粉細(xì)砂排出數(shù)量較少，噴涌現(xiàn)象得到控制；當(dāng)盾構(gòu)挺進(jìn)過程中的刀盤壓力降低、土體攪拌均勻，開挖面水頭高度較低、噴涌現(xiàn)象可出現(xiàn)改善。因此，可確定對應(yīng)情況下的、未加入泡沫、膨潤土處理時的影響因素。

結(jié)合實際分析，本次工程初始掘進(jìn)階段中所使用的噴涌防控手段為泡沫、膨潤土漿液。此過程中使用上述兩類物質(zhì)的作用在于減小孔隙比，增加黏度，使?jié)B流水經(jīng)過砂性土?xí)r能夠因較大的黏滯阻力降低噴涌現(xiàn)象出現(xiàn)概率、減小出現(xiàn)后的噴涌效果影響。事實亦證明，此類手段有效，但實際過程中隨施工開展，此類問題發(fā)生概率逐漸增大。獲取此模式下的參數(shù)錄入計算機(jī)，可發(fā)現(xiàn)此類條件下的噴涌發(fā)生因素與上文較為類似，主要集中于卡瓦面水壓力、臨界水力梯度、渣土孔隙比、渣土黏度。

3.2 問題解決對策

問題解決對策主要以改良渣土滲透性、增加渣土黏度、提升渣土流動性展開。實際對策以改良施工措施中的材料應(yīng)用展開。就上文所得數(shù)據(jù)，此類控制手段中的使用材料應(yīng)滿足降低滲透性、提升流動性、減小摩擦角的條件，且自身可吸收水、不溶于水。針對此類特征，將泡沫、高分子聚合物（吸水樹脂型）作為改良試驗中的具體使用材料。

3.3 施工過程中的有效性試驗

為確認(rèn)措施切實有效，實際施工過程中進(jìn)行預(yù)試驗。為保障實驗效果能夠明確且有效地出現(xiàn)，防止因措施無效導(dǎo)致的施工問題，有效性試驗選擇182環(huán)、191環(huán)作為實驗環(huán)。實驗過程中，將攪拌機(jī)啟動，向內(nèi)部投入根據(jù)實際水量計算后的對應(yīng)高分子聚合物，攪拌20min。溶液控制率為8%?，F(xiàn)場情況中的對應(yīng)測試數(shù)據(jù)為螺旋機(jī)排土口處渣土側(cè)坍落度、排土口噴涌狀況，將推力、刀盤扭矩作為對應(yīng)測試參數(shù)。經(jīng)實際數(shù)據(jù)證明（圖1），此類措施能夠有效地降低渣土滲透性，起防水性能的同時，隨高分子聚合物溶液濃度提升實現(xiàn)噴涌現(xiàn)象的控制。但就實際數(shù)據(jù)展開分析，實際控制過程中亦需注意泡沫的添加量，若添加較多，仍會出現(xiàn)噴涌風(fēng)險。

圖1

4 結(jié)語

經(jīng)實際情況分析可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段施工過程中出現(xiàn)的富水砂層噴涌現(xiàn)象主要與渣土黏度、坍落度等相關(guān)數(shù)據(jù)有關(guān)，實際過程中應(yīng)針對此類因素，結(jié)合實際狀況進(jìn)行措施制定，并于測試實際情況后進(jìn)行分析，保障工程開展穩(wěn)定，有效地解決噴涌現(xiàn)象帶來的問題。此類施工過程中需注意兩點，首先為對應(yīng)材料的使用量，應(yīng)根據(jù)實際選擇適合用量，確定最大值，避免問題出現(xiàn)，其次為結(jié)合實際展開，上文所述的高分子聚合物混合泡沫僅為解決措施中的一種，實際過程中還可進(jìn)行多次嘗試，選擇最為適合的種類展開分析與研究。