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土压平衡盾构喷涌防治技术

钟志全/李平
（中建隧道建设有限公司）

　　盾构喷涌是指盾构掘进时碴水混合物从螺旋机出土口喷或涌出的现象。它一般在盾构穿越地下水丰富、水压较大的砂卵石地层、软硬岩分界面和裂隙发育地层时比较容易发生。喷涌往往会引起土仓压力波动较大，从而导致地面沉降、塌陷事故发生，而且喷涌出的碴水混合物易撒落在盾尾，清理非常麻烦，严重影响盾构掘进的连续性和效率。喷涌现象是盾构施工中经常遇到又很难处理的问题，目前的土压盾构还没有从设计上进行很好解决，施工中虽然取得了一些喷涌防治经验，但也没有进行系统的总结。
　　本文依托工程实例对盾构施工喷涌的危害、产生原因分进行了简要分析，并将盾构喷涌防治措施进行了总结和提炼，希望能为类似工程提供一些参考。
　　一、工程概况
　　长沙地铁4号线某工程区间长约800m，采用2台6280型土压平衡盾构施工。盾构隧道需穿越约400m的中、微风化白云质灰岩地层，并且部分地段为上软下硬地层，在该区域隧道拱顶埋深约15m，地下水位埋深3m。根据地勘报告揭示，该区域白云质灰岩岩溶非常发育，地下水特别丰富且有一定承压性。盾构在穿越岩溶区时，由于裂隙水丰富，掘进采取的参数和措施不当，发生了连续喷涌现象，给施工造成极大的不便，并且在上软下硬段引起地面较大沉降。后针对喷涌现象采取封堵水源、降水、碴土改良、掘进参数调整和出碴口改造等一系列处理措施，有效地减少了喷涌的出现和喷涌后清理工作量，从而提高了盾构掘进的效率并控制了地面较大沉降发生。
　　二、喷涌危害
　　盾构喷涌主要会造成以下危害。
　　1）喷涌使得土仓压力难以保持平稳，并极易造成土体超挖，致使隧道上部地面出现沉陷、坍塌（图1）。

图1 地面沉陷坍塌示意图

　　2）喷涌现象使得土仓内细颗粒减少，粗颗积压仓内难以排出，导致扭矩增大，对盾构刀盘、螺机磨损加大；瞬时喷出大量碴土冲击皮带机，易造成皮带损伤（图2）。

图2 喷碴造成皮带机断裂

　　3）喷涌极易堵塞刀盘上各管路，使得碴土改良工作无法正常进行，并造成回流，损害机械。
　　4）其产生巨大压力易使碴土从皮带机掉落至盾构底部，造成盾尾碴土堵塞（图3），浪费人力物力去清碴，对施工进度造成巨大危害。

图3 喷碴沉积盾尾

　　5）遭遇喷涌现象，如不及时处理，极易造成“喷碴、清碴、再喷碴”的恶性循环，对施工进度极其不利。
　　三、喷涌的原因
　　正常情况下，刀盘掘削的碴土和添加的泡沫水搅拌混合后，形成隔水性好的、流塑状的碴土，在螺旋机作用下排出到皮带机上带走。而在富水地层，丰富的地下水从盾构周围汇集到土舱内，造成刀盘前部压力增大，舱内水和土比例增大，在经过仓内搅拌后容易造成水、碴离析，使土体改良效果变差。随着螺旋机旋转排土，舱内水在舱内气压或水压作用下，带动细颗粒穿透粗颗粒形成渗流从螺旋机口喷涌而出。由于螺旋机排出的多为泥水细颗粒，导致大块颗粒排出不畅，容易造成积仓，掘进期间扭矩加大，而速度会明显降低，同时舱内上部土压多为气压，随着喷涌发生，气体顺水流从螺旋机口泄漏或填充失水后的碴土空隙，从而造成舱内压力变化幅度较大。
　　四、喷涌处理措施
　　项目部针对盾构施工过程中遇到的连续喷涌现象，经过多次研究和探讨，采取了以下措施，并取得了良好的效果。
　　4.1 封堵水源
　　1）盾体后方封堵
　　在盾尾后第4环管片3点、9点和拱顶点位注双液浆，形成“止水环”，防止地下水顺着管片外侧流入刀盘前部。按上述方法，盾构每向前掘进5环做1环“止水环”。“止水环”注浆配合比如表1所示。

表1 二次注浆配合比

　　2）盾构前方封堵
　　如果水源来自刀盘前方，可采用地面下孔注浆或从舱内压入非固结浆的方法处理。地面有条件情况下，优先考虑从地面钻孔注浆封都来水通道，该方法可提前进行，不影响盾构掘进，效果较好，成本相对较低。地面条件不允许时，可压入非固结化学浆（比如克泥效、衡盾泥等），压入来水通道中可起隔水作用，又不会固结刀盘，但这种方法影响盾构施工进度，而且成本相对较高。
　　3）盾构周围封堵
　　如果盾尾做“止水环”后仍有很大水进入土仓，则可判断水是从盾体侧边或前方来水。侧边来水封堵，可通过中盾上的径向注浆孔向盾体与围岩间注入高分子材料“聚氨酯”(图4)，利用聚氨酯良好的吸水性和遇水膨胀性，封堵盾体周边来水通道。

图4 中盾径向注浆孔

　　4.2 降低水压
　　地下水压力大是造成盾构喷涌的一个重要因素，我们可以从降低地下水压来减少喷涌。施工中可采取以下两种措施：①通过成型隧道管片吊装孔开孔放水；②地面预先打降水井降水。
　　管片开孔放水位于盾体后方，距刀盘较远降水效果较差。地面预降水针对性强，但成本高，受地面条件影响较大。
　　4.3 碴土改良
　　水、碴离析使水压未能得到递减缓解，直接作用到螺机口，是造成盾构喷涌的另一重要成因。向土仓中添加膨润土、高效聚合物等阻水材料，可有效改善碴土的和易性、隔水性，从而降低喷涌的可能。
　　4.4 掘进参数
　　通过优化掘进参数也可很大程度减少喷涌的可能。在进入稳定地层后，适当减小舱内土压力值；增大推力，加快掘进速度，增加碴土进量；适当加快螺机转速，将土仓内大块碴土排出，以免积舱使掘进速度上不去，大颗粒排不出，小颗粒又从空隙中流失；尽量避免长时间停机，停机时尽量将土舱舱位提高，并土仓压力保起大于后部水压，防止土舱内积水过多。
　　若砂层中掘进，可向土仓内注入空气，疏干周围土体中的水，利用地下水渗透和掘进时差，防止喷涌发生。
　　4.5 设备设计
　　盾构设计时，针对易喷涌地层螺机采取双闸门设计，在两道闸口间预留保压泵接口，在发作喷涌时敏捷封闭闸口，打开接口法兰接保压泵排渣。
　　为有效减少清碴时间，设计制作皮带机挡土板，以避免碴土从皮带机上掉落。实践证明，此方法可以有效的减少清碴时间，为掘进节省了大量时间，具体如图5所示。

图5 皮带机挡土板

　　五、经验总结
　　1）施工前需仔细研究相关地质勘查报告，若存在大范围可能出现喷涌的地层，尽可能从设备选型或设计上进行解决；若小范围大水量地层，可优先考虑地面钻孔注浆处理。
　　2）若采用降水措施，应注意防止细颗粒随水流失，造成地面沉降，同时应注意对周边环境的影响。
　　3）根据实际出碴含水量调整土仓压力、推力、螺机转数等参数，可有效控制喷碴情况发生。
　　4）若发生喷涌要密切注意出土量，充分估计抽水带走的细颗粒含量，避免超挖。若上覆地层自稳性较差，应加密监测和巡查。
　　5）一旦有碴掉落盾尾，应利用机械辅助清碴等方式或对清碴工人实行一定的激励措施，加快清碴的效率，尽量缩短清碴时间。