富水地段盾構(gòu)施工滲漏、噴涌預(yù)防和處置施工技術(shù)

李 珣

（中鐵七局集團(tuán)有限公司，河南 鄭州 450016）

關(guān)鍵字：富水地段；噴涌；滲漏；螺旋機(jī)噴涌；鉸接密封；盾尾密封；預(yù)防和處置措施；盾構(gòu)選型

隨著我國(guó)隧道施工技術(shù)的不斷發(fā)展，越來越多的城市地鐵隧道采用盾構(gòu)法施工。其作業(yè)環(huán)境好、安全性高、施工速度快、隧道質(zhì)量高、對(duì)周圍環(huán)境影響小、地表沉降易于控制等優(yōu)越性明顯。我國(guó)地緣廣闊，各城市地質(zhì)情況千差萬別，富水地段往往是盾構(gòu)施工的重難點(diǎn)和風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)。富水地段盾構(gòu)隧道施工，若發(fā)生滲漏、噴涌如處置不當(dāng)易造成隧道二次塌方、地面沉陷等嚴(yán)重事故。本文將根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)，分析滲漏、噴涌的發(fā)生的可能部位并提出相應(yīng)對(duì)策，以減少滲漏、噴涌的發(fā)生幾率。

1 富水地段水文地質(zhì)特點(diǎn)

富水地段工程水文地質(zhì)具有水域發(fā)達(dá)、滲透性強(qiáng)、補(bǔ)給速度快、險(xiǎn)情出現(xiàn)突然等特點(diǎn)。富水地段巖層一般包括：富水砂層、富水砂卵石層、強(qiáng)透水巖層、承壓性裂隙水碎裂狀巖層、河流水塘洼地等與地下水有聯(lián)通或具有較強(qiáng)補(bǔ)給性巖層等。盾構(gòu)機(jī)在穿越以上地層時(shí)易出現(xiàn)滲漏、噴涌的風(fēng)險(xiǎn)。

2 富水地段盾構(gòu)施工的風(fēng)險(xiǎn)認(rèn)識(shí)和盾構(gòu)選型建議

2.1 水文地質(zhì)條件的掌握是盾構(gòu)施工成敗的基礎(chǔ)

施工前認(rèn)真調(diào)查盾構(gòu)區(qū)間工程地質(zhì)、水文地質(zhì)情況以及周邊水系分布情況，并根據(jù)調(diào)查結(jié)果對(duì)盾構(gòu)機(jī)選型和區(qū)間預(yù)加固提供依據(jù)。對(duì)風(fēng)險(xiǎn)較大地段可采取降水井、止水帷幕、地基加固等預(yù)加固處理措施，切斷或降低地下水系對(duì)區(qū)間隧道的危害。

2.2 盾構(gòu)選型是富水地段盾構(gòu)施工成敗的關(guān)鍵因素

富水地段在盾構(gòu)選型時(shí)，宜選用單螺旋雙閘門輸送機(jī)或雙螺旋輸送機(jī)出土系統(tǒng)。若采用舊有單螺旋盾構(gòu)機(jī)，可考慮對(duì)螺旋輸送機(jī)進(jìn)行改造，在出土閘門處設(shè)置一個(gè)矩形土倉(cāng)緩沖空間并加設(shè)排水管，改造成雙閘門出土系統(tǒng)。

圖1 單螺旋盾構(gòu)機(jī)改造示意圖

在富水砂礫（飄石） 石地層，應(yīng)增強(qiáng)盾構(gòu)設(shè)備的膨潤(rùn)土泥漿改良系統(tǒng)，提高渣土塑流性。在穿河、穿江等地下水位偏高、沉降控制嚴(yán)格的區(qū)間可選用泥水平衡盾構(gòu)，同時(shí)根據(jù)水壓情況可考慮增加盾尾密封刷道數(shù)。

2.3 盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造特點(diǎn)及風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)的構(gòu)造特點(diǎn)和盾構(gòu)機(jī)在富水地段的使用情況，易出現(xiàn)滲漏、噴涌的風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)有三處，分別為螺旋輸送機(jī)、鉸接密封和盾尾密封。本文將分析這三處風(fēng)險(xiǎn)點(diǎn)發(fā)生滲漏、噴涌的機(jī)理，并提出預(yù)防措施和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)急處理措施的建議。

3 螺旋輸送機(jī)噴涌

3.1 螺旋輸送機(jī)噴涌發(fā)生機(jī)理

土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)中，當(dāng)開挖面處于富水、高水頭狀態(tài)下，砂土、礫石與水共存，由于土骨架顆粒分散，滲透系數(shù)大，易形成集中滲流，導(dǎo)致螺旋排土器排土方式已經(jīng)難以將土體中水和土攪合形成塑性體后排出，水土呈現(xiàn)分離的狀態(tài)，盾構(gòu)無法建立土倉(cāng)平衡壓力，承壓水直接涌向螺旋排土器，并帶動(dòng)砂土、礫石等一起向前運(yùn)動(dòng)，穿越土倉(cāng)、螺旋排土器形成而形成噴涌，噴涌往往就是由水和土壓力失控造成的現(xiàn)象。

3.2 防治噴涌的措施

針對(duì)噴涌發(fā)生的機(jī)理分析，可知發(fā)生噴涌主要是由于土顆粒的松散滲透系數(shù)大與承壓水的存在，要想減少或防止噴涌的發(fā)生，能夠采取的技術(shù)手段如下：

①掘進(jìn)過程中密切關(guān)注螺旋機(jī)出渣情況和土倉(cāng)壓力變化情況，一旦發(fā)生噴涌現(xiàn)象迅速關(guān)閉排渣門，配備雙閘門的設(shè)備應(yīng)充分利用雙閘門裝置防止噴涌，避免地下水、流砂大量涌出，保證土倉(cāng)壓力穩(wěn)定。掘進(jìn)過程中還應(yīng)控制好土倉(cāng)壓力，防止盾構(gòu)機(jī)前方突起、地面冒漿以及擊穿盾構(gòu)密封現(xiàn)象發(fā)生。

②渣土改良是防止噴涌的關(guān)鍵，改良的關(guān)鍵是使整個(gè)土倉(cāng)的土體成一種“塑性流動(dòng)狀態(tài)”。富水地段渣土改良應(yīng)優(yōu)先選用膨潤(rùn)土+高分子聚合物的組合。

③盾構(gòu)機(jī)在進(jìn)入富水地層前，盾構(gòu)機(jī)操作手應(yīng)提前采用氣壓平衡模式進(jìn)行掘進(jìn)，以阻止地下水大量進(jìn)入土倉(cāng)內(nèi)，而產(chǎn)生噴涌。

④易發(fā)生噴涌的地層盾構(gòu)掘進(jìn)應(yīng)當(dāng)謹(jǐn)慎操作,力爭(zhēng)快速通過盡量減少停機(jī)，避免在易發(fā)生噴涌的地段停機(jī)和檢修設(shè)備。

⑤加強(qiáng)監(jiān)控量測(cè)，建立聯(lián)動(dòng)機(jī)制，信息反饋和現(xiàn)場(chǎng)處置要及時(shí)。

3.3 噴涌應(yīng)急處置措施

由于盾構(gòu)施工的復(fù)雜性和地質(zhì)條件的不確定性，在施工中不可避免發(fā)生一些涌水、涌砂、噴涌，當(dāng)險(xiǎn)情發(fā)生時(shí)，一定要沉重應(yīng)對(duì)，根據(jù)險(xiǎn)情的誘因、大小采取針對(duì)性的措施以減小影響，可采取的應(yīng)對(duì)措施有以下幾點(diǎn)：

①發(fā)生噴涌后，立即關(guān)閉螺旋運(yùn)輸機(jī)出土閘門系統(tǒng)，并根據(jù)噴涌情況采取向土倉(cāng)和螺旋輸送機(jī)注入高分子聚合物的方法，增大渣土的粘稠度降低水的流動(dòng)性，增大對(duì)粗粒土的懸浮力防止渣土離析，這樣在螺旋輸送機(jī)中形成土塞，起到隔水作用，進(jìn)一步阻止噴涌。必要時(shí)應(yīng)封閉地面影響區(qū)域進(jìn)行監(jiān)測(cè)，防止險(xiǎn)情擴(kuò)大。

②雙閘門輸送機(jī)可以通過調(diào)整兩道出土閘門的開啟時(shí)間，雙螺旋輸送機(jī)盾構(gòu)機(jī)可以調(diào)節(jié)前后兩段螺旋輸送器的轉(zhuǎn)速，使渣土在后段螺旋輸送器間積聚而形成土塞，以防止噴涌的發(fā)生。一旦發(fā)現(xiàn)大量噴涌，則應(yīng)快速將雙螺旋輸送器停機(jī)，關(guān)閉出土口閘門及兩級(jí)螺旋輸送器之間的閘門，召開專家會(huì)確定處理方案。

③利用二次注漿設(shè)備及時(shí)二次補(bǔ)漿，在管片背后施作止水環(huán)，阻止管片周圍的地下水和盾體周圍裂隙水向土倉(cāng)補(bǔ)充。

④發(fā)生噴涌事故后，應(yīng)密切關(guān)注施工區(qū)域內(nèi)地表水系變化情況，檢查地面是否有補(bǔ)給水源，并采取措施阻斷補(bǔ)給路徑，及時(shí)進(jìn)行安全評(píng)估，防止二次事故發(fā)生。

4 鉸接密封滲漏

4.1 被動(dòng)鉸接密封構(gòu)造

盾構(gòu)的被動(dòng)鉸接為中盾與尾盾通過鉸接油缸連接，鉸接密封結(jié)構(gòu)，由固定螺栓、密封固定環(huán)、調(diào)節(jié)螺栓、密封調(diào)整環(huán)、雙孔橡膠密封圈、MC 尼龍密封塊、緊急氣囊組成。盾構(gòu)需要轉(zhuǎn)彎、糾偏時(shí)，通過每組推進(jìn)油缸的行程差調(diào)節(jié)中盾與尾盾間的夾角達(dá)到盾體轉(zhuǎn)彎、糾偏的目的，在直線狀態(tài)下尾盾由14 個(gè)鉸接油缸拖拉前進(jìn)。

圖2 某型被動(dòng)鉸接密封構(gòu)造

4.2 盾構(gòu)鉸接密封滲漏發(fā)生機(jī)理

根據(jù)鉸接密封的結(jié)構(gòu)與工作原理可知，在盾構(gòu)糾偏、曲線掘進(jìn)過程中，盾尾密封圈與尾盾存在一定的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，在施工中要求根據(jù)盾構(gòu)的姿態(tài)不斷調(diào)整鉸接密封的松緊度，在實(shí)際操作中不可避免存在調(diào)整滯后。盾構(gòu)掘進(jìn)中，同步注漿漿液會(huì)流到盾構(gòu)機(jī)的鉸接密封，當(dāng)橡膠密封的壓力小于泥水壓力時(shí)，泥水就會(huì)擊穿密封進(jìn)入隧道內(nèi)，污染盾體內(nèi)的液壓（電氣） 等元器件。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)機(jī)身在水平或者垂直姿態(tài)出現(xiàn)較大波動(dòng)時(shí)，隧道整體軸線并非沿隧道弧線平滑過渡，在這種情況下容易造成盾構(gòu)與管片之間卡殼，連接中盾和尾盾之間的鉸接因尾盾卡殼鉸接千斤頂不能有效收縮，鉸接千斤頂行程長(zhǎng)度接近極限值，密封壓力減小，鉸接密封容易被地下水、泥水擊穿。

4.3 滲漏預(yù)防措施

為了提高鉸接的密封性及耐久性，降低鉸接密封失效引起的施工事故，提出了以下幾點(diǎn)預(yù)防措施建議：

（1） 盾構(gòu)始發(fā)前檢查

①盾構(gòu)機(jī)拼裝之前應(yīng)對(duì)尾盾和中盾鉸接承插部位進(jìn)行真圓度測(cè)量。保證鉸接密封處縫隙均勻一致。

②拼裝前對(duì)鉸接橡膠密封條、緊急氣囊質(zhì)量進(jìn)行檢查驗(yàn)收，磨損、老化、不符合要求的嚴(yán)禁使用。

③備齊棉紗、棉絮、聚氨酯堵漏劑等堵漏應(yīng)急物資。

（2） 盾構(gòu)掘進(jìn)施工中

①盾構(gòu)機(jī)沿小半徑曲線掘進(jìn)中鉸接密封易出現(xiàn)滲漏事故，掘進(jìn)過程中除加強(qiáng)鉸接密封系統(tǒng)維護(hù)保養(yǎng)外，還應(yīng)加強(qiáng)盾構(gòu)掘進(jìn)管理，尤其在掘進(jìn)參數(shù)指令落實(shí)和曲線線型糾偏方面要做到精準(zhǔn)控制，同時(shí)做好應(yīng)急預(yù)案演練。

②掘進(jìn)過程中重點(diǎn)控制好盾構(gòu)掘進(jìn)姿態(tài)、推進(jìn)千斤頂和鉸接行程差、管片選型拼裝、仿形刀配合線性調(diào)整、掘進(jìn)參數(shù)（如：掘進(jìn)速度、總推力、土壓力） 等，防止管片卡死、拉大鉸接情況出現(xiàn)。

③在小半徑曲線段掘進(jìn)時(shí)，應(yīng)根據(jù)盾構(gòu)姿態(tài)及時(shí)合理地調(diào)整橡膠密封松緊度，保證鉸接密封的壓力。

④掘進(jìn)過程中，加強(qiáng)對(duì)鉸接密封處的日常保養(yǎng)、檢修。

4.4 滲漏應(yīng)急處置措施

如盾構(gòu)施工過程中出現(xiàn)鉸接密封滲漏，可采取以下幾點(diǎn)措施：

①鉸接密封有泥砂滲漏涌入時(shí)，應(yīng)立即采用棉紗、棉絮等對(duì)滲漏處進(jìn)行塞堵并調(diào)整壓緊塊增強(qiáng)鉸接橡膠密封條效果；如效果不佳，應(yīng)及時(shí)采用聚氨酯堵漏劑對(duì)鉸接縫隙進(jìn)行堵漏密封。

②立即啟動(dòng)應(yīng)急氣囊，防止水、泥砂進(jìn)一步涌入盾構(gòu)機(jī)內(nèi)。

③評(píng)估鉸接密封有效性，如需更換橡膠密封需制定專項(xiàng)方案審批后執(zhí)行。

5 盾尾密封滲漏、涌水

5.1 盾尾密封構(gòu)造原理

盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，管片在盾尾位置拼裝后由推進(jìn)千斤頂推出盾尾，此過程管片是靜止不動(dòng)，盾體是連續(xù)向前移動(dòng)，盾尾和已裝管片間存在相對(duì)滑動(dòng)過程。由于管片外徑小于盾體內(nèi)徑，因此管片與盾體之間存在一定的間隙，為了防止盾體外部的地下水和背填砂漿等進(jìn)入盾構(gòu)內(nèi)，必須對(duì)盾尾和管片間的間隙進(jìn)行密封處理。目前盾構(gòu)盾尾密封通常采用尾刷+充填油脂的形式，尾刷由3 道鋼絲刷組成。尾刷與盾體、管片一起形成2 個(gè)空腔，空腔內(nèi)注入油脂充填，從而起到隔絕盾體內(nèi)外的功能。在施工中經(jīng)常發(fā)生盾尾密封滲漏、涌水涌砂，若處理不當(dāng)甚至發(fā)生隧道坍塌等重大安全事故。

圖3 盾尾密封詳圖

5.2 滲漏、涌水預(yù)防措施

為更好地保護(hù)盾尾刷，防止盾尾滲漏、涌水，確保盾構(gòu)順利掘進(jìn)，本文將根據(jù)盾尾密封的構(gòu)造及工作原理提出了以下預(yù)防措施建議。

①選用材質(zhì)、性能合格的盾尾刷，盾尾刷安裝布置形式和焊接質(zhì)量需滿足要求，始發(fā)前采用人工手抹的方式將盾尾刷鋼絲間充滿油脂。

②使用優(yōu)質(zhì)專用盾尾油脂，掘進(jìn)過程中加強(qiáng)對(duì)盾尾油脂質(zhì)量檢查；加強(qiáng)對(duì)盾尾油脂泵的日常保養(yǎng)、檢修，并在盾構(gòu)始發(fā)、掘進(jìn)過程中確保盾尾油脂的注入量及注脂壓力符合要求。

③控制好盾構(gòu)姿態(tài)和盾尾間隙，加強(qiáng)盾尾間隙均勻性測(cè)量，并根據(jù)測(cè)量結(jié)果及時(shí)修正盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)。

④加強(qiáng)同步注漿量和壓力控制，尤其注意注漿壓力嚴(yán)禁超過密封刷允許壓力和密封油脂注入壓力，以免漿液擊穿盾尾刷，造成竄漿和盾尾刷鋼絲凝固失效。

⑤加強(qiáng)管片拼裝質(zhì)量，避免出現(xiàn)錯(cuò)臺(tái)和橢圓形，防止在管片縱縫處形成漏漿通道造成盾尾漏漿。

⑥在富水地段，可定期施做止水環(huán)以阻止地下水向盾尾和土倉(cāng)匯集，預(yù)防盾尾滲漏、螺旋機(jī)噴涌等險(xiǎn)情出現(xiàn)，止水環(huán)施作要求：

a.止水環(huán)一般在盾尾后3 環(huán)以外壓注?？筛鶕?jù)地下水情況選擇每5 環(huán)或10 環(huán)施做一道，止水環(huán)采用雙液漿（或聚氨酯） 注入，緊急情況下可在盾尾處直接注入聚氨酯或雙液漿。為確保止水效果要求每道止水環(huán)必須封閉成環(huán)；

b.通過盾殼壁預(yù)留閥、孔等向盾體外注入聚氨酯阻止盾體范圍內(nèi)圍巖裂隙水向土倉(cāng)和盾尾匯集。

5.3 滲漏、涌水應(yīng)急處置措施

如現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)盾尾密封滲漏、甚至涌水涌沙時(shí)，可采取以下措施進(jìn)行治理。

①加大滲漏部位盾尾油脂壓注入量，填堵盾尾密封可能出現(xiàn)的滲漏位置。

②如出現(xiàn)泥沙涌入且壓力較大時(shí)，立即采取在管片外側(cè)墊放綿紗或棉被填堵管片和盾尾之間的間隙，然后在盾尾管片外注聚氨酯或雙液漿進(jìn)行止水加固。防止盾尾透水或管片變形發(fā)生。

③當(dāng)出現(xiàn)嚴(yán)重透水或管片嚴(yán)重變形時(shí)，應(yīng)立即采取堆碼圍堰砌體地措施對(duì)盾構(gòu)工作面進(jìn)行封堵，然后對(duì)滲漏處進(jìn)行注漿加固止水處理。并組織專家進(jìn)行應(yīng)急方案的確定。

④掘進(jìn)過程中適當(dāng)加大滲漏部位盾尾油脂注入量，對(duì)于在固定點(diǎn)位頻繁出現(xiàn)的滲漏點(diǎn)，還應(yīng)安排專人塞填封堵和盯控。并及時(shí)施作止水環(huán)阻斷后方水源，防止泥沙滲漏和噴涌發(fā)生。

⑤對(duì)盾尾密封的有效性進(jìn)行評(píng)估，確認(rèn)磨損情況嚴(yán)重且不能滿足安全要求時(shí)應(yīng)及時(shí)更換，更換盾尾刷需制定專項(xiàng)方案審批后執(zhí)行。

6 結(jié)語

通過對(duì)富水地段水文地質(zhì)條件和盾構(gòu)機(jī)構(gòu)造特點(diǎn)進(jìn)行系統(tǒng)分析，對(duì)盾構(gòu)機(jī)可能出現(xiàn)的滲漏、噴涌分別提出了具有針對(duì)性的對(duì)策。工程實(shí)踐證明，在地下水豐富條件下采用土壓平衡盾構(gòu)法施工可保證盾構(gòu)隧道的施工質(zhì)量、安全及工期目標(biāo)。