富水砂層地鐵施工中的土壓平衡式盾構(gòu)機(jī)噴涌控制技術(shù)

朱海軍 周明洋

中建三局基礎(chǔ)設(shè)施工程有限公司 湖北 武漢 430070

1 工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件

1.1 工程地質(zhì)條件

武漢地鐵某區(qū)間位于長江北岸一級(jí)階段，距長江最近距離為1.5 km。隧道位于城市主干道正下方，車流量大，施工控制要求高。

區(qū)間土層從上至下依次為：①1雜填土，②2素填土，③1黏土，③5粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層，④1粉砂，④2粉細(xì)砂，⑤砂礫卵石。

根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告和隧道縱斷面設(shè)計(jì)圖，35～200環(huán)為下坡段，隧道頂板埋深11.1～17.7 m，穿越④1粉砂層和④2粉細(xì)砂層；200環(huán)以后標(biāo)準(zhǔn)段隧道頂板埋深15.9～18.1 m，主要穿越④2粉細(xì)砂層[1-2]。盾構(gòu)穿越地層物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)見表1。

表1 地層物理參數(shù)統(tǒng)計(jì)

1.2 水文地質(zhì)條件

孔隙承壓水為本區(qū)主要地下水，主要賦存于④1粉砂、④2粉細(xì)砂和⑤砂礫卵石層中，與上覆③5粉質(zhì)黏土、粉土、粉砂互層構(gòu)成統(tǒng)一承壓含水層。含水層頂板為微弱透水的黏性土。下坡段承壓水頭高度8.0～14.7 m，標(biāo)準(zhǔn)段承壓水頭高度14.7～17.5 m。

2 施工過程發(fā)生的噴涌事件

區(qū)間盾構(gòu)始發(fā)階段采用“泡沫＋膨潤土漿液”對(duì)渣土進(jìn)行改良（表2）。一般施工經(jīng)驗(yàn)認(rèn)為，改良后渣土坍落度在16～20 cm間，即可滿足盾構(gòu)施工要求。

表2 渣土改良添加劑

掘進(jìn)期間，35～200環(huán)為下坡段，坡度2.7%。盾構(gòu)掘進(jìn)至140環(huán)時(shí)，螺旋機(jī)閘門間斷出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，隨著隧道埋深增加，噴涌現(xiàn)象逐漸加重。施工中采用以下應(yīng)對(duì)措施：嚴(yán)格控制掘進(jìn)速度，保持在30～45 mm/min；增加泡沫注入量，每環(huán)（長1.5 m）泡沫原液用量提至80～100 kg；提高膨潤土漿液黏度，適量減少膨潤土漿液注入量；嚴(yán)格控制出土量，防止出現(xiàn)超挖現(xiàn)象。

經(jīng)反復(fù)調(diào)試，噴涌現(xiàn)象有所減輕，掘進(jìn)能正常進(jìn)行。但隨著隧道埋深繼續(xù)增加，噴涌現(xiàn)象又逐漸加重，“泡沫＋膨潤土”的渣土改良效果已不能滿足施工要求。

3 螺旋機(jī)噴涌原因分析

3.1 盾構(gòu)機(jī)土壓平衡原理

盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過程中，刀盤切削下來的渣土在土倉和螺旋機(jī)排土器內(nèi)部堆積，渣土壓力作用于開挖面，以平衡開挖面上的水土壓力。由于盾構(gòu)機(jī)在掘進(jìn)過程中，渣土以塑性流動(dòng)狀態(tài)隨螺旋機(jī)連續(xù)排出，故此時(shí)盾構(gòu)機(jī)的土壓平衡為動(dòng)態(tài)平衡。若排土口處的出渣速率不受控制，則動(dòng)態(tài)平衡被打破，開挖面的穩(wěn)定性難以保證。

3.2 噴涌機(jī)理分析

在富水砂層中，渣土噴涌與天然地基的流土破壞現(xiàn)象類似，都是由于滲流力作用引起土體顆粒懸浮和移動(dòng)，因此可借鑒地基發(fā)生滲流破壞的機(jī)理分析噴涌發(fā)生的原因（圖1）。假設(shè)盾構(gòu)機(jī)刀盤切削下來的土體未添加改良劑。

圖1 盾構(gòu)機(jī)噴涌滲流模型示意

假設(shè)土倉和螺旋機(jī)內(nèi)砂性土中的滲流符合達(dá)西定律，則可得式（1）：

式中：v——斷面平均滲流速度，cm/s；

K——土的滲透系數(shù)，cm/s；

i——水力梯度，由式（2）可得。

式中：H1、H2——開挖面和螺旋機(jī)排土口處的水頭高度，其中H2=0 m；

L1、L2——滲流路徑長度，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)結(jié)構(gòu)參數(shù)L1=1.0 m，L2=9.9 m。

滲流發(fā)生時(shí)，水流對(duì)土顆粒施加一種滲流作用力，單位體積土顆粒受到的滲流作用力稱為滲流力J，其可按式（3）計(jì)算：

式中：γw——水容重，kN/m3；

i——水力梯度。

當(dāng)滲流力與排土口土體浮容重γ'相同時(shí)，土體呈現(xiàn)懸浮狀態(tài)，此時(shí)的水力梯度稱為臨界水力梯度icr。

式中：Gs——土粒比重；

e——土的孔隙比。

當(dāng)i＜icr時(shí)，土體穩(wěn)定；當(dāng)i＞icr時(shí)，土體噴涌。

由式（2）和式（4）可以看出，提高土體穩(wěn)定的方法主要有：減小i值，即減小水頭差或使?jié)B透路徑變長；增大icr值，即減小土體孔隙比。將表1中④2粉細(xì)砂的物理特征參數(shù)代入式（5）得icr=1.0；代入式（2）中，得H1=10.9 m，即當(dāng)開挖面水頭高度大于10.9 m時(shí)，螺旋機(jī)排土口處渣土將發(fā)生噴涌。由于在盾構(gòu)掘進(jìn)中通過刀盤向開挖面施加壓力注入泡沫，注入的壓力反作用于土倉內(nèi)土體，且螺旋機(jī)內(nèi)土體處在被動(dòng)攪拌作用下，實(shí)際發(fā)生噴涌時(shí)的開挖面水頭高度將小于理論計(jì)算高度。

以上分析是在假設(shè)土倉內(nèi)土體未添加改良劑的情況下，在實(shí)際施工中，土倉內(nèi)土體一般加入泡沫和膨潤土漿液進(jìn)行改良。泡沫和膨潤土填充砂土顆粒中的空隙，使得孔隙比減小，黏度增加。改良后的砂性土對(duì)滲流水具有較大的黏滯阻力，只有當(dāng)水力梯度達(dá)到某一數(shù)值，克服了黏滯阻力以后，滲流才能發(fā)生[3]。滲流開始發(fā)生時(shí)的水力梯度即為改良后渣土的起始水力梯度ib，如式（6）所示：

v=K(i－ib) （6）

其中，滲流速度與渣土滲透系數(shù)和水力梯度呈線性正相關(guān)。經(jīng)過以上分析，可以得出噴涌發(fā)生的幾個(gè)理論條件：1）對(duì)未經(jīng)改良的渣土，當(dāng)開挖面水壓力過大導(dǎo)致水力梯度大于臨界水力梯度時(shí)，發(fā)生噴涌。

2）改良后渣土的孔隙比有所減小，發(fā)生滲流的臨界水力梯度增加，但不足以抵消開挖面水壓力增大的水力梯度，發(fā)生噴涌。

3）改良后渣土的黏度不高，滲透系數(shù)較大，滲流速度無明顯降低，導(dǎo)致滲流量較大，加重渣土噴涌問題。

3.3 實(shí)際噴涌發(fā)生的臨界條件

參考國內(nèi)外學(xué)者研究成果，結(jié)合諸多工程實(shí)例，一般可認(rèn)為螺旋機(jī)自身的壓縮效應(yīng)和排土閘門可以抵抗10 kPa （1 m水柱）的水壓力和3 cm3/s的滲流量，水壓力和滲流量中的任一指標(biāo)低于這2個(gè)值，都可以認(rèn)為不會(huì)發(fā)生噴涌；若2個(gè)指標(biāo)同時(shí)超出以上2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，則視為噴涌發(fā)生。在滿足噴涌發(fā)生的條件后，如果排土口水流量Q＞4 m3/s且大于20 kPa（2 m水柱）的水壓力時(shí)，可以考慮會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的噴涌，除此之外均視作輕微噴涌[4]。以本區(qū)間180環(huán)處為例，假設(shè)渣土未經(jīng)改良，計(jì)算發(fā)生噴涌的可能性。

1）計(jì)算水壓力指標(biāo)。根據(jù)勘察報(bào)告，180環(huán)開挖面處承壓水頭高度為H1=14.2 m。將渣土發(fā)生滲流破壞的臨界水力梯度icr代入式（2），求得臨界狀態(tài)下排土口處水頭高度H2'=3.3 m，實(shí)際排土口處水頭高度H2=0 m，其水壓力P2=γw(H2'－H2)=33 kPa＞20 kPa。

2）計(jì)算排水量指標(biāo)。將表1中數(shù)據(jù)代入式（1）、式（2），求得v=2.08 cm/s。排土口滲流量Q=v·A=13.2 cm3/s＞4.0 cm3/s。A為螺旋機(jī)內(nèi)徑，取900 mm。經(jīng)過計(jì)算，180環(huán)排土口處的水壓力和排水量指標(biāo)均遠(yuǎn)大于臨界條件下的指標(biāo)值，將會(huì)發(fā)生嚴(yán)重噴涌。在實(shí)際施工中，即使使用“泡沫＋膨潤土漿液”進(jìn)行渣土改良，依然存在較為嚴(yán)重的噴涌。事實(shí)證明，在高水壓砂層中，“泡沫＋膨潤土漿液”作為改良渣土添加劑已經(jīng)不能滿足盾構(gòu)施工要求。

4 現(xiàn)場渣土改良試驗(yàn)

經(jīng)過分析，解決螺旋機(jī)噴涌問題的關(guān)鍵在于改良渣土的滲透性和渣土黏度，改良后的渣土應(yīng)當(dāng)具有較小的孔隙比，較低的滲透性，合適的黏度以及較好的流動(dòng)性。

泡沫中的活性劑分子可吸附在土顆粒表面，并填充到土顆粒間空隙中，并在壓力作用下一段時(shí)間內(nèi)穩(wěn)定存在，起到降低滲透性、提高流動(dòng)性、減小摩擦角的作用；高分子聚合物中的高吸水性樹脂類聚合物可吸收比自身體積大幾百倍的水而不溶于水，填充土顆?？障叮纬筛唣ば匀苣z，降低滲透性。施工中采用“泡沫＋高分子聚合物”添加劑進(jìn)行渣土改良試驗(yàn)，分別選用市售“盾友”牌泡沫劑和“合東雙”牌高吸水性樹脂類高分子聚合物。

施工現(xiàn)場選擇182～191環(huán)作為渣土改良試驗(yàn)環(huán)。在盾構(gòu)機(jī)自帶膨潤土罐中放滿清水，然后啟動(dòng)攪拌機(jī)，按照水量計(jì)算好準(zhǔn)備投入的高分子聚合物，在攪拌的同時(shí)均勻地撒入高分子聚合物，攪拌約20 min形成均勻的高分子聚合物溶液。高分子聚合物溶液注入率控制在8%左右，濃度分別設(shè)定為0.05%、0.10%、0.15%；泡沫溶液中泡沫原液比例設(shè)定為2.50%和3.00%，注入率控制在70%左右?，F(xiàn)場取螺旋機(jī)排土口處渣土測坍落度，觀察排土口噴涌情況，同時(shí)記錄推力、刀盤扭矩，現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果見表3。

表3 現(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果記錄

在181～191環(huán)推進(jìn)中，盾構(gòu)機(jī)推力控制在24 300～ 25 600 kN，推進(jìn)速度40～55 mm/min?，F(xiàn)場試驗(yàn)結(jié)果表明，“泡沫＋高分子聚合物”作為渣土改良添加劑對(duì)噴涌現(xiàn)象具有明顯的控制效果，說明高分子聚合物顯著降低了渣土滲透性，起到了防透水性能。隨著高分子聚合物溶液濃度的提高，渣土黏度增加，坍落度減小，刀盤扭矩增大；泡沫能增加渣土流動(dòng)性，降低刀盤扭矩，但泡沫添加量不宜過多，否則會(huì)有增加螺旋機(jī)噴涌的風(fēng)險(xiǎn)（圖2）。

圖2 渣土坍落度和刀盤扭矩

在正常推進(jìn)過程中，泡沫原液比例控制在2.50%～ 3.00%，高分子聚合物溶液濃度0.10%～0.15%，同時(shí)根據(jù)地下水位、隧道埋深進(jìn)行調(diào)整。嚴(yán)格控制土倉壓力、推進(jìn)速度、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速和出土量。在后續(xù)長約1 200 m的富水砂層推進(jìn)中，噴涌問題得到有效控制，順利實(shí)現(xiàn)隧道貫通，取得較好的社會(huì)和經(jīng)濟(jì)效益。

5 結(jié)語

本工程土壓平衡盾構(gòu)機(jī)穿越富水砂層時(shí)出現(xiàn)嚴(yán)重的噴涌現(xiàn)象，在此基礎(chǔ)上建立噴涌發(fā)生的滲流模型，對(duì)噴涌發(fā)生機(jī)理進(jìn)行分析和驗(yàn)算。同時(shí)，現(xiàn)場渣土改良試驗(yàn)取得了明顯效果。經(jīng)分析與試驗(yàn)，本文主要得出以下結(jié)論：

1）“泡沫＋膨潤土”作為渣土改良添加劑，不適用于高水壓砂層，容易出現(xiàn)噴涌問題。

2）富水砂層中，水壓力高、渣土孔隙比大、滲透性強(qiáng)、黏度低，是噴涌發(fā)生的主因，具體表現(xiàn)為當(dāng)螺旋機(jī)排土口處水壓力和滲流量超過臨界條件時(shí)，將發(fā)生噴涌。

3）“泡沫＋高分子聚合物” 作為渣土改良添加劑，結(jié)合地層條件選擇合理的配比，對(duì)噴涌有較好的控制效果。