土壓平衡盾構(gòu)防噴涌裝置與配套工藝研究

傅重陽

（中鐵三局集團(tuán)第五工程有限公司，山西 晉中 030600)

近年來，因盾構(gòu)法施工具有安全、高效和適應(yīng)性廣等優(yōu)點(diǎn)，在國內(nèi)軌道交通建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用，其中，土壓平衡盾構(gòu)因具有廣泛的地層適應(yīng)性和較強(qiáng)的破巖能力，成為各類復(fù)合地層條件下盾構(gòu)法施工的首選。但在富水地層采用土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)時(shí)，往往因地層含水量大，極易出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，使盾尾堆積大量泥沙和水流，將管片輸送機(jī)完全淹沒，無法正常掘進(jìn)；大量泥沙還會(huì)導(dǎo)致土壓平衡遭到破壞，易發(fā)地面塌陷、盾構(gòu)被淹及隧道坍塌、人員傷亡事故，風(fēng)險(xiǎn)巨大。

本文通過介紹富水地層的盾構(gòu)螺旋機(jī)防噴涌裝置、盾構(gòu)皮帶機(jī)防溢流擋渣裝置、具有接渣箱及快速排放設(shè)備的盾構(gòu)皮帶機(jī)、盾構(gòu)皮帶機(jī)引流疏渣裝置等盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌預(yù)防設(shè)備，同時(shí)結(jié)合相關(guān)工裝及設(shè)備的使用方法，對(duì)富水強(qiáng)風(fēng)化地層土壓平衡盾構(gòu)防噴涌技術(shù)進(jìn)行總結(jié)，有效提高螺旋輸送機(jī)防噴涌控制能力，提高盾構(gòu)掘進(jìn)效率。

1 土壓平衡盾構(gòu)防噴涌改造

1.1 土壓平衡盾構(gòu)螺旋機(jī)防噴涌改造

針對(duì)在高水壓力的作用下，螺旋輸送機(jī)出渣口頻繁發(fā)生噴涌的問題，研制應(yīng)用了帶防噴涌功能的盾構(gòu)螺旋機(jī)結(jié)構(gòu)，對(duì)單螺旋機(jī)雙閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造（圖1)，增加過渡板（加寬設(shè)計(jì))和泄壓口（快速泄壓)，兩側(cè)安裝防濺擋板，有效提高了螺旋輸送機(jī)出渣時(shí)對(duì)防噴涌的控制能力。

圖1 帶防噴涌功能的盾構(gòu)螺旋機(jī)結(jié)構(gòu)

1.2 土壓平衡盾構(gòu)皮帶機(jī)底部防噴涌改造

針對(duì)產(chǎn)生的噴涌落渣直接從皮帶機(jī)下部滑落，使盾尾堆積大量泥沙和水流，將管片輸送機(jī)完全淹沒，無法正常掘進(jìn)等問題，研制應(yīng)用了盾構(gòu)皮帶機(jī)下部接渣箱及排放裝置，對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行優(yōu)化（圖2)，將皮帶機(jī)的仰角控制在12°以下，同時(shí)在皮帶從動(dòng)輪下方加裝渣水混合物收集容器，有效減少了噴涌時(shí)造成落渣的清理時(shí)間。

圖2 皮帶從動(dòng)輪下方加裝渣水混合物收集容器

1.3 土壓平衡盾構(gòu)皮帶機(jī)引流疏渣裝置

針對(duì)產(chǎn)生的噴涌落渣從皮帶機(jī)兩側(cè)溢出，使盾尾堆積大量泥沙和水流，同時(shí)噴涌發(fā)生后需花費(fèi)大量人力、時(shí)間進(jìn)行清理等問題，研究應(yīng)用了皮帶機(jī)引流疏渣系統(tǒng)（圖3），在螺機(jī)口溜槽處皮帶機(jī)防濺擋板處開孔（圖4)，加裝大孔徑濾網(wǎng)（圖5)，接管引流至下部集水槽內(nèi)（圖6)，集水槽端部開孔并接管與泥渣泵對(duì)接，由泥渣泵將泥渣泵送至土斗或者污水箱內(nèi)。

圖3 盾構(gòu)皮帶機(jī)引流疏渣系統(tǒng)

圖4 皮帶機(jī)防濺擋板處開孔

圖5 大孔徑濾網(wǎng)

圖6 引流至集水槽

2 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)防噴涌施工技術(shù)

2.1 盾構(gòu)隧道掘進(jìn)防噴涌施工工藝流程

富水強(qiáng)風(fēng)化地層盾構(gòu)隧道掘進(jìn)防噴涌施工工藝流程見圖7。

圖7 防噴涌施工工藝流程圖

2.2 關(guān)鍵施工工藝

2.2.1 土倉隔板排水球閥排水

1)下部管片拼裝完成后，經(jīng)沉淀，倉內(nèi)泥渣沉積，土倉底部形成實(shí)土壓，但倉內(nèi)水含量較高，占比或高達(dá)2/3，利用土倉隔板排水球閥放水。

2)先打開3、9 點(diǎn)位排水球閥放水，排出清水或泥渣含量較少的渾水，降低倉內(nèi)水位，再開5、7點(diǎn)位球閥，排出泥水則關(guān)閉，防止污染盾尾。

3)經(jīng)過排水后，倉內(nèi)下部建立起實(shí)土壓（高過螺機(jī)口)，水土比約達(dá)1∶1。

2.2.2 渣土改良

1)土倉內(nèi)注入膨潤(rùn)土漿液，改良土倉內(nèi)渣土，有效降低滲流系數(shù)，減少噴涌，同時(shí)添加速凝效渣土改良劑，把砂顆粒間隙中的自由水?dāng)D走，在砂顆粒與水之間形成絮狀凝聚物，使其發(fā)生粘結(jié)，可以減少內(nèi)摩擦角，提高流動(dòng)性，確保順暢出渣。

2)采用合格的泡沫產(chǎn)品和膨潤(rùn)土進(jìn)行渣土改良。泡沫溶液比為3%～5%，發(fā)泡率為8～14倍，膨潤(rùn)土需充分膨化后方能使用，未達(dá)到膨化時(shí)間和效果的不能使用，改良材料實(shí)際的注入量根據(jù)土倉壓力和渣土改良效果設(shè)施調(diào)整；同時(shí)向土倉內(nèi)注入一定量的水，提高開挖土的含水量，增強(qiáng)其流動(dòng)性，以達(dá)到最佳的開挖效果。

2.2.3 推進(jìn)模式選擇

1)根據(jù)倉內(nèi)下部土壓或者水含量情況，若下部實(shí)土壓較高，可先行轉(zhuǎn)動(dòng)螺機(jī)、開啟閘門，排渣順暢后開始推進(jìn)；若倉內(nèi)實(shí)土壓較低，水含量過高，則不轉(zhuǎn)動(dòng)螺機(jī)、關(guān)閉閘門推進(jìn)，待倉內(nèi)主動(dòng)建立實(shí)土壓后，轉(zhuǎn)動(dòng)螺機(jī)、開啟閘門推進(jìn)。

2)排渣情況較稀薄，水含量較大，立即啟用皮帶機(jī)引流疏渣系統(tǒng)，防止溢流情況發(fā)生。

3 施工質(zhì)量控制措施

1)采用氣壓輔助模式推進(jìn)，有效減少掌子面匯水，縮短了清渣時(shí)間。

2)嚴(yán)格控制盾構(gòu)掘進(jìn)方向和鉸接油缸的行程差，以確保鉸接密封效果；同時(shí)加強(qiáng)盾構(gòu)鉸接密封檢查，保證不漏水漏砂。

3)做好盾構(gòu)及后配套設(shè)備的保障后勤工作，保持連續(xù)快速推進(jìn)。

4 實(shí)施效果

研制應(yīng)用了帶防噴涌功能的盾構(gòu)螺旋機(jī)結(jié)構(gòu)和皮帶機(jī)下部接渣箱及引流排放裝置，有效減少了噴涌時(shí)造成落渣的清理時(shí)間，相比人工清理，平均每次噴涌落渣清理時(shí)間由4.1h 左右減少到0.68h 左右。

5 結(jié)語

在富水強(qiáng)風(fēng)化地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)過程中，通過富水地層盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌預(yù)防設(shè)備的研制與應(yīng)用，總結(jié)形成富水強(qiáng)風(fēng)化地層土壓平衡盾構(gòu)防噴涌技術(shù)，主要特點(diǎn)如下。

1)對(duì)單螺旋機(jī)雙閘門結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造，增加過渡板（加寬設(shè)計(jì))和泄壓口（快速泄壓)，兩側(cè)安裝防濺擋板，有效提高了螺旋輸送機(jī)出渣時(shí)對(duì)防噴涌的控制能力。

2)對(duì)皮帶機(jī)進(jìn)行優(yōu)化，將皮帶機(jī)的仰角控制在12°以下，同時(shí)在皮帶從動(dòng)輪下方加裝集水容器，有效減少了噴涌時(shí)造成落渣的清理時(shí)間。

3)研究應(yīng)用了皮帶機(jī)引流疏渣系統(tǒng)，在螺機(jī)口溜槽處皮帶機(jī)防濺擋板處開孔，加裝大孔徑濾網(wǎng)，接管引流至下部方形集水槽內(nèi)，集水槽端部開孔并接管與泥渣泵對(duì)接，由泥渣泵將泥渣泵送至土斗內(nèi)或者污水箱內(nèi)，進(jìn)一步縮短噴涌落渣清理時(shí)間。

4)在下部管片拼裝完成后，利用土倉隔板排水球閥放水，在倉內(nèi)下部建立起實(shí)土壓（高過螺機(jī)口，水土比約達(dá)到1∶1)，注入高分子聚合物，低轉(zhuǎn)速空轉(zhuǎn)攪拌，充分發(fā)揮聚合物作用，進(jìn)行渣土改良，防止噴涌。

該技術(shù)及配套裝備2019～2020 年期間，在濟(jì)南市軌道交通R2 線一期土建工程施工四標(biāo)段寶華街站－長(zhǎng)途汽車站區(qū)間成功應(yīng)用，有效提高螺旋輸送機(jī)防噴涌控制能力，將落渣清除時(shí)間縮短到1h 以內(nèi)，減少了盾構(gòu)停機(jī)時(shí)間，提高了盾構(gòu)掘進(jìn)效率，具有廣闊的推廣應(yīng)用價(jià)值。