土壓平衡盾構(gòu)噴涌防治技術(shù)問題的研究

張曉東

摘要：盾構(gòu)噴涌是在隧道施工之中常見問題，其嚴(yán)重影響了施工的進(jìn)度與質(zhì)量。為了能夠有效的減少其影響，本文通過(guò)對(duì)盾構(gòu)在富水砂層和裂隙水豐富的巖層中掘進(jìn)時(shí)易發(fā)生螺旋機(jī)出土口噴涌現(xiàn)象的原因進(jìn)行了分析，并有針對(duì)性的提出了修改意見，以期能夠?yàn)槎軜?gòu)噴涌問題的優(yōu)化提出有效的參考。

關(guān)鍵詞：土壓平衡盾構(gòu);噴涌;處理

盾構(gòu)噴涌是指盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)碴水混合物從螺旋機(jī)出土口噴或涌出的現(xiàn)象。它一般在盾構(gòu)穿越地下水豐富、水壓較大的砂卵石地層、軟硬巖分界面和裂隙發(fā)育地層時(shí)比較容易發(fā)生。噴涌往往會(huì)引起土倉(cāng)壓力波動(dòng)較大，從而導(dǎo)致地面沉降、塌陷事故發(fā)生，而且噴涌出的碴水混合物易撒落在盾尾，清理非常麻煩，嚴(yán)重影響盾構(gòu)掘進(jìn)的連續(xù)性和效率。

一、工程概況

深圳地鐵11號(hào)線11304標(biāo)機(jī)場(chǎng)北站～福永站區(qū)間南起機(jī)場(chǎng)北站，北至福永站，設(shè)計(jì)起點(diǎn)里程為ZCK35+200，設(shè)計(jì)終點(diǎn)里程為ZCK37+556.3，左線全長(zhǎng)：2355.76m ，短鏈0.54m，右線全長(zhǎng)：2323.675，短鏈36.625，區(qū)間最小埋深8.13m，最大埋深21.5m。區(qū)間線路平面最小曲線半徑為570m，最大曲線半徑為900m，線間距12.00～38.337m。本區(qū)間線路原始地貌為濱海灘涂，現(xiàn)為機(jī)場(chǎng)填海擴(kuò)建區(qū)、魚塘、新和村居民區(qū)等，地形起伏較大，隧道開挖斷面地層變化差異較大，地下水埋藏較淺，局部地下水和地表水相連，隧道內(nèi)易形成積水。洞頂分布淤泥、細(xì)砂、可塑狀砂質(zhì)粘性土、全風(fēng)化變粒巖、塊狀強(qiáng)風(fēng)花變粒巖、中風(fēng)化變粒巖、局部為微風(fēng)化變粒巖，巖質(zhì)堅(jiān)硬，成洞較為困難。該地段巖層裂隙水較豐富，存在碎裂帶，經(jīng)常發(fā)生噴涌。針對(duì)于此采取了封堵水源、降水、碴土改良、掘進(jìn)參數(shù)調(diào)整和出碴口改造等一系列處理措施，有效地減少了噴涌的出現(xiàn)和噴涌后清理工作量，從而提高了盾構(gòu)掘進(jìn)的效率并控制了地面較大沉降發(fā)生。

二、噴涌危害

盾構(gòu)噴涌主要會(huì)造成以下危害

1噴涌使得土倉(cāng)壓力難以保持平穩(wěn)，并極易造成土體超挖，致使隧道上部地面出現(xiàn)沉陷、坍塌。

2噴涌現(xiàn)象使得土倉(cāng)內(nèi)細(xì)顆粒減少，粗顆積壓倉(cāng)內(nèi)難以排出，導(dǎo)致扭矩增大，對(duì)盾構(gòu)刀盤、螺機(jī)磨損加大;瞬時(shí)噴出大量碴土沖擊皮帶機(jī)，易造成皮帶損傷。

3噴涌極易堵塞刀盤上各管路，使得碴土改良工作無(wú)法正常進(jìn)行，并造成回流，損害機(jī)械。

三、噴涌的原因

正常情況下，刀盤掘削的碴土和添加的泡沫水?dāng)嚢杌旌虾?，形成隔水性好的、流塑狀的碴土，在螺旋機(jī)作用下排出到皮帶機(jī)上帶走。而在富水地層，豐富的地下水從盾構(gòu)周圍匯集到土艙內(nèi)，造成刀盤前部壓力增大，艙內(nèi)水和土比例增大，在經(jīng)過(guò)倉(cāng)內(nèi)攪拌后容易造成水、碴離析，使土體改良效果變差。隨著螺旋機(jī)旋轉(zhuǎn)排土，艙內(nèi)水在艙內(nèi)氣壓或水壓作用下，帶動(dòng)細(xì)顆粒穿透粗顆粒形成滲流從螺旋機(jī)口噴涌而出。由于螺旋機(jī)排出的多為泥水細(xì)顆粒，導(dǎo)致大塊顆粒排出不暢，容易造成積倉(cāng)，掘進(jìn)期間扭矩加大，而速度會(huì)明顯降低，同時(shí)艙內(nèi)上部土壓多為氣壓，隨著噴涌發(fā)生，氣體順?biāo)鲝穆菪龣C(jī)口泄漏或填充失水后的碴土空隙，從而造成艙內(nèi)壓力變化幅度較大。

四、噴涌處理措施

1封堵水源

（1）盾體后方封堵？在盾尾后第4環(huán)管片3點(diǎn)、9點(diǎn)和拱頂點(diǎn)位注雙液漿，形成“止水環(huán)”，防止地下水順著管片外側(cè)流入刀盤前部。按上述方法，盾構(gòu)每向前掘進(jìn)5環(huán)做1環(huán)“止水環(huán)”。

（2）盾構(gòu)前方封堵

如果水源來(lái)自刀盤前方，可采用地面下孔注漿或從艙內(nèi)壓入非固結(jié)漿的方法處理。地面有條件情況下，優(yōu)先考慮從地面鉆孔注漿封都來(lái)水通道，該方法可提前進(jìn)行，不影響盾構(gòu)掘進(jìn)，效果較好，成本相對(duì)較低。地面條件不允許時(shí)，可壓入非固結(jié)化學(xué)漿（比如克泥效、衡盾泥等），壓入來(lái)水通道中可起隔水作用，又不會(huì)固結(jié)刀盤，但這種方法影響盾構(gòu)施工進(jìn)度，而且成本相對(duì)較高。

（3）盾構(gòu)周圍封堵

如果盾尾做“止水環(huán)”后仍有很大水進(jìn)入土倉(cāng)，則可判斷水是從盾體側(cè)邊或前方來(lái)水。側(cè)邊來(lái)水封堵，可通過(guò)中盾上的徑向注漿孔向盾體與圍巖間注入高分子材料“聚氨酯”，利用聚氨酯良好的吸水性和遇水膨脹性，封堵盾體周邊來(lái)水通道。

2降低水壓

地下水壓力大是造成盾構(gòu)噴涌的一個(gè)重要因素，我們可以從降低地下水壓來(lái)減少噴涌。施工中可采取以下兩種措施：①通過(guò)成型隧道管片吊裝孔開孔放水;②地面預(yù)先打降水井降水。

3碴土改良

水、碴離析使水壓未能得到遞減緩解，直接作用到螺機(jī)口，是造成盾構(gòu)噴涌的另一重要成因。向土倉(cāng)中添加膨潤(rùn)土、高效聚合物等阻水材料，可有效改善碴土的和易性、隔水性，從而降低噴涌的可能。

4掘進(jìn)參數(shù)

通過(guò)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)也可很大程度減少噴涌的可能。在進(jìn)入穩(wěn)定地層后，適當(dāng)減小艙內(nèi)土壓力值;增大推力，加快掘進(jìn)速度，增加碴土進(jìn)量;適當(dāng)加快螺機(jī)轉(zhuǎn)速，將土倉(cāng)內(nèi)大塊碴土排出，以免積艙使掘進(jìn)速度上不去，大顆粒排不出，小顆粒又從空隙中流失;盡量避免長(zhǎng)時(shí)間停機(jī)，停機(jī)時(shí)盡量將土艙艙位提高，并土倉(cāng)壓力保起大于后部水壓，防止土艙內(nèi)積水過(guò)多。若砂層中掘進(jìn)，可向土倉(cāng)內(nèi)注入空氣，疏干周圍土體中的水，利用地下水滲透和掘進(jìn)時(shí)差，防止噴涌發(fā)生。

5設(shè)備設(shè)計(jì)

盾構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)，針對(duì)易噴涌地層螺機(jī)采取雙閘門設(shè)計(jì)，在兩道閘口間預(yù)留保壓泵接口，在發(fā)作噴涌時(shí)敏捷封閉閘口，打開接口法蘭接保壓泵排渣。為有效減少清碴時(shí)間，設(shè)計(jì)制作皮帶機(jī)擋土板，以避免碴土從皮帶機(jī)上掉落。實(shí)踐證明，此方法可以有效的減少清碴時(shí)間，為掘進(jìn)節(jié)省了大量時(shí)間。

五、結(jié)束語(yǔ)

首先，在進(jìn)行施工之前需要對(duì)地質(zhì)報(bào)告進(jìn)行詳細(xì)的分，一旦確定其中可能存在噴涌的底層，應(yīng)該在施工設(shè)計(jì)階段就采取應(yīng)對(duì)策略，如果是存在小部分的水量底層，可以采取地面鉆孔注漿處理。其次，如果采取降水措施，需要特別注意細(xì)顆粒隨水流失問題，避免因造成地面沉降，同時(shí)應(yīng)注意對(duì)周邊環(huán)境的影響。此外，還需要根據(jù)實(shí)際出碴含水量調(diào)整土倉(cāng)壓力、推力、螺機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)等參數(shù)，降低噴渣帶來(lái)的影響。如果一旦發(fā)生噴涌要密切注意出土量，充分估計(jì)抽水帶走的細(xì)顆粒含量，避免超挖。若上覆地層自穩(wěn)性較差，應(yīng)加密監(jiān)測(cè)和巡查。最后，一旦有碴掉落盾尾，應(yīng)利用機(jī)械輔助清碴等方式或?qū)η宀旯と藢?shí)行一定的激勵(lì)措施，加快清碴的效率，盡量縮短清碴時(shí)間。

參考文獻(xiàn)：

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（作者單位：中鐵三局集團(tuán)橋隧工程有限公司）