盾構(gòu)法施工噴涌防治技術(shù)

齊保衛(wèi)，馬 琳，韓洋洋，趙江濤，李 坤

(中鐵工程裝備集團(tuán)技術(shù)服務(wù)有限公司，河南 鄭州 450000)

盾構(gòu)以其安全、進(jìn)度快、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，已成為引水、鐵路、公路等隧道施工的首選[1]。由于土壓平衡盾構(gòu)自身工作原理的限制，其在穿越湖泊、河流等富水地層時，土體中黏性顆粒少、松散無黏聚力，渣土難以在土倉內(nèi)形成流塑狀，噴涌現(xiàn)象極易發(fā)生，不但影響正常施工，同時易造成管片襯砌垮塌、隧道結(jié)構(gòu)失穩(wěn)，威脅施工人員的安全，損失難以估量[2]。

為防止土壓平衡盾構(gòu)在施工時發(fā)生大規(guī)模噴涌，目前對噴涌防治技術(shù)進(jìn)行了研究，主要有渣土改良、螺旋輸送機(jī)改造、雙螺機(jī)設(shè)計(jì)等方法。葉晨立[3]針對福州地鐵區(qū)間段高水壓、高滲透砂性地層，采用質(zhì)量分?jǐn)?shù)1∶10 的膨潤土、質(zhì)量分?jǐn)?shù)5‰CMC 混合漿液，按照10∶2.5 配合質(zhì)量分?jǐn)?shù)3%聚丙烯酰胺溶液按100∶5 摻加比進(jìn)行改良渣土，效果良好。張明聚[4]通過實(shí)踐探索，采用了螺旋輸送機(jī)改造、出碴控制和地面降水相結(jié)合的防噴涌措施。海瑞克等多家盾構(gòu)制造商針對高壓富水地層設(shè)計(jì)雙螺旋輸送機(jī)[5]，即在一級螺機(jī)后部設(shè)計(jì)二級螺機(jī)，但是根據(jù)以往在富水粉砂巖地層中螺旋輸送機(jī)的降壓能力，即使再設(shè)計(jì)一級螺旋對整個壓力的下降作用也不夠明顯，并且成本較高。因此，急需探索一種適應(yīng)性強(qiáng)、易實(shí)施、低成本、效果好的噴涌防治技術(shù)。

本文結(jié)合工程實(shí)例，通過渣土改良、優(yōu)化施工工藝、優(yōu)化出渣系統(tǒng)三個方面制定措施，并考慮施工成本、實(shí)施難易、治理效果等因素，研究盾構(gòu)在高壓富水地層掘進(jìn)時噴涌防治技術(shù)，為其他地區(qū)類似地層施工提供指導(dǎo)。

1 工程概況

中鐵某盾構(gòu)應(yīng)用于杭富城際鐵路SGHF-8 標(biāo)段，區(qū)間全長1754m，分布地層自上而下為：填筑土、含礫粉質(zhì)黏土、含黏性土卵石、全風(fēng)化粉砂巖、強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖、中等風(fēng)化粉砂巖，基底主要坐落于含黏性土卵石層（圖1）。

圖1 工程概況

盾構(gòu)于2019 年11 月掘進(jìn)至466 環(huán)，地層由含黏性土卵石轉(zhuǎn)變?yōu)?1a-2 強(qiáng)風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖、31a-3 中等風(fēng)化粉砂質(zhì)泥巖，地層節(jié)理裂隙發(fā)育，巖體完整性差，該區(qū)間巖層最大滲透系數(shù)為40m/d，地下水壓達(dá)2.5bar，場地周圍地下水連通性好，水量充足且地下水壓高。掘進(jìn)過程中出現(xiàn)了嚴(yán)重噴涌，形成了每環(huán)“噴渣、清渣、再噴渣”的惡性循環(huán)，單班推進(jìn)平均2 環(huán)，極大地影響了掘進(jìn)速度。因此，亟需采取措施解決施工中出現(xiàn)嚴(yán)重的噴涌現(xiàn)象。

2 防噴涌試驗(yàn)研究

結(jié)合國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀，從渣土改良、優(yōu)化施工工藝、優(yōu)化出渣系統(tǒng)3 個方面進(jìn)行研究，具體思路如圖2 所示。

圖2 試驗(yàn)思路

2.1 渣土改良

2.1.1 克泥效工法

克泥效是是由合成納基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩(wěn)定劑和分散劑構(gòu)成，呈粉末狀，將高濃度的泥水材料與水玻璃兩種液體按照20 ∶1的比例混合注入盾體四周，旨在形成泥膜，使渣土具有一定的可塑性，穩(wěn)定開挖面，從而改善噴涌，控制土倉含水量[6]（圖3）。

圖3 克泥效工法

由于該地層富水性強(qiáng)、滲透性強(qiáng)、水量豐富且水壓高，而克泥效工法受環(huán)境因素影響，依賴配合比，實(shí)際操作過程中實(shí)施難度大，未試驗(yàn)到合適的配合比，效果不理想。

2.1.2 “膨潤土+泡沫”改良

膨潤土作為常用的渣土改良劑，與水、泥、沙等細(xì)屑碎物質(zhì)結(jié)合有一定的粘接性，泡沫中的活性劑分子可吸附在土顆粒表面，填充到土顆粒間空隙中，并在壓力作用下穩(wěn)定存在，起到降低滲透性、減小摩擦角的作用[7～8]。通過持續(xù)不斷地注入高濃度膨潤土，控制黏度在90～120Pa·s，泡沫選用高發(fā)泡率、低流量的模式，使單位時間內(nèi)泡沫體積變大，更好地充填土倉，抑制地下水涌入刀盤，發(fā)泡率從10%提高至15%，流量從300L/min 減少至200L/min，實(shí)施前后噴涌未見明顯改善。

2.2 優(yōu)化施工工藝

2.2.1 釋放地層水

通過合理布置放水孔，降低掘進(jìn)過程開挖面的水壓緩解噴涌。首先需判斷噴涌水的來源方向，在管片左上方與右上方開孔，打開設(shè)備橋處中上、中下吊裝孔，僅有少量水流出，判斷涌水大多來自盾構(gòu)前方。隧在刀盤位置每隔5 環(huán)打孔，其中1 個孔有水流出，放水一天后未見水量有減小趨勢。打開人艙球閥、土倉隔板預(yù)留孔連接管路引流，但因地層含水量大，噴涌治理無明顯效果。

2.2.2 增加止水環(huán)

在盾尾后方封堵水源，增加止水環(huán)，阻斷管片背后匯水通道。在管片脫出盾尾3 環(huán)后的3 點(diǎn)、9 點(diǎn)位置和拱頂點(diǎn)注雙液漿，形成“止水環(huán)”，防止后部地下水順著管片外側(cè)流入刀盤前部，每隔5～10 環(huán)做1 環(huán)“止水環(huán)”。實(shí)施后略微減少了土倉進(jìn)水量，提高了掘進(jìn)速度（單班推進(jìn)平均1～3環(huán)，最高3 環(huán)），但噴涌現(xiàn)象未明顯改善。

2.2.3 調(diào)整掘進(jìn)參數(shù)

適當(dāng)提高總推進(jìn)力，做到快速掘進(jìn)，從1 300～1 500t 提高到1 800～1 900t，加大對掌子面的壓力，掘進(jìn)速度有所提高，使單位時間進(jìn)入土倉的渣土更多，從而減少外部進(jìn)入土倉的水量。實(shí)施后發(fā)現(xiàn)推進(jìn)速度提升導(dǎo)致螺旋機(jī)速度也隨之提升，反而噴涌現(xiàn)象加重。

2.3 優(yōu)化出渣系統(tǒng)

本工程盾構(gòu)皮帶為敞開式，通過優(yōu)化皮帶機(jī)結(jié)構(gòu)，當(dāng)出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象時，噴涌出的渣石、水、泥漿可阻擋在皮帶機(jī)半封閉區(qū)域內(nèi)防止外濺，進(jìn)而匯集到下端輸送帶上，經(jīng)過輸送帶從半封閉區(qū)間后端運(yùn)離半封閉區(qū)域。主要技術(shù)措施如下。

1）皮帶機(jī)采用尾部半封閉式設(shè)計(jì)，增加封閉罩組件，利用倒錐形結(jié)構(gòu)形式，將涌出的渣石、水、泥漿匯集到皮帶機(jī)、螺機(jī)及設(shè)備橋形成半封閉區(qū)域，如圖4 所示。封閉罩左右兩側(cè)通過聚氨酯軟簾布與皮帶機(jī)接料斗防護(hù)板連接，簾布使用壓板進(jìn)行整體連接，加強(qiáng)簾布安裝的工藝性、密封性，延長簾布使用壽命，避免出現(xiàn)變形褶皺造成積渣，如圖5 所示。

圖4 封閉罩設(shè)計(jì)

圖5 聚氨酯軟簾布安裝

2）基于原皮帶機(jī)擋泥板密封形式不能有效實(shí)現(xiàn)密封效果，設(shè)計(jì)了1 種防溢密形式。防溢密封由1 道主密封和兩道副密封組成，主密封螺栓固定孔為長槽型，當(dāng)主密封下端磨損消耗后可松懈螺栓，調(diào)整主密封的位置，保證其下端與輸料面貼合；副密封為頭重、腳輕結(jié)構(gòu)，通過自身重力及材質(zhì)彈性保證與輸送帶貼合，以防止渣土外溢，如圖6 所示。

圖6 防溢裙邊示意圖

3）基于螺機(jī)噴涌時產(chǎn)生的沖擊力，對輸送機(jī)皮帶產(chǎn)生壓潰，造成皮帶與擋泥板膠皮出現(xiàn)縫隙，噴涌的渣土外溢進(jìn)入隧道內(nèi)，造成噴涌嚴(yán)重，因此設(shè)計(jì)加密緩沖托輥組件，抵消噴涌時產(chǎn)生的沖擊力，如圖7 所示。

圖7 加密托輥示意圖

采取以上措施后，噴涌問題得到了有效治理，掘進(jìn)速度明顯提升4 倍，由之前的10mm/min 提高至40mm/min，有效降低噴涌對文明施工造成的影響，節(jié)省清理隧道內(nèi)噴涌、停機(jī)時間，優(yōu)化前后對比如圖8 所示。

圖8 實(shí)施前后效果對比

3 結(jié)語

針對盾構(gòu)在杭富城際鐵路高壓富水地層區(qū)間掘進(jìn)時的噴涌問題，在實(shí)施渣土改良、優(yōu)化施工參數(shù)無果后，采取優(yōu)化出渣系統(tǒng)噴涌防治技術(shù)，可有效減少噴涌量及噴涌次數(shù)，對噴涌現(xiàn)象具有顯著的防治效果，施工效率大大提升，為后續(xù)土壓平衡盾構(gòu)在富水地層施工中噴涌防理提供了經(jīng)驗(yàn)。