富水地层土压平衡盾构防喷涌控制措施

摘 要：土压平衡盾构机作为修筑隧道的主要工程机械，在富水地层施工过程时，螺旋输送机喷涌现象经常发生。喷涌现象的机理和危害已多次经过学者和施工人员阐述，本文从盾构机的性能和施工措施两个方面，提出多项富水地层土压平衡盾构防喷涌控制措施，为土压盾构机的设计制造及施工提供借鉴的意义。

关键词：土压平衡盾构、富水地层、防喷涌

前 言：盾构机作为一种集土体开挖、土体输送、管片衬砌等功能为一体的隧道施工机械，土压平衡盾构机因具备施工简单、适应地层范围广、对场地面积需求少、施工成本相对低等优点，成为国内外城市地铁隧道、市政、水利隧道建设的首选。其主要由盾壳、刀盘、推进油缸、螺旋输送机、管片拼装机以及盾尾密封装置等组成。刀盘与后面的承压隔板所形成的空间为土舱，施工时，刀盘旋转开挖下来的渣土充满土舱和螺旋输送机壳体内的全部空间。推进油缸的推力通过承压隔板传递到压力舱内的渣土上，由渣土的压力作用于开挖面，以平衡开挖面上的地下水压和土压，从而保持开挖面的稳定，此为土压平衡盾构施工的基本原理。若盾构机在掘进过程中，渣土以塑性流动状态随螺旋输送机连续排出，此时盾构机的土压平衡为动态平衡。若排土口处的出渣速率不受控制，则动态平衡被打破，开挖面的稳定性难以保证。

图1 土压平衡盾构机工作原理

土压平衡盾构机在富水、渗透性大的地层中施工时，经常遇到喷涌现象。喷涌的发生不但影响正常施工排土和土舱压力的控制，严重时会过多的将开挖面和

管片四周的土、砂带出，造成地表沉降、塌陷，管片漏水等施工事故。对于喷涌的机理，在参考文献2，朱伟等学者建立了盾构机内水压力递减模型，基于模型推导了水压力和流量的变化关系来用于解释喷涌发生的机理，提出了发生喷涌的两个边界条件，对于影响喷涌的5个参数：土体的渗透系数、土舱长度、螺旋输送机长度、土舱和螺旋输送机直径进行了敏感性分析。参考文献3，朱海军等依据武汉地铁某区间隧道，借鉴地基渗流破坏机理建立了喷涌发生的渗流模型，并通过理论分析得到喷涌发生的主要因素，同时对喷涌发生的实际条件进行了验

算。施工现场采用了“泡沫＋高分子聚合物”进行渣土改良，使喷涌现象得到了有效控制。参考文献4，钟志全等施工人员在长沙地铁4号线施工中遭遇连续喷涌现象，分析了喷涌的危害和原因，提出了封堵水源、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。

随着国内外设备和施工技术的发展，防喷涌的措施也有了一定的进步，本文依托大东湖核心区污水传输系统工程、洛阳引故入新、哥本哈根地铁等富水、高水压地层项目，提出盾构机设计中须采用的措施，如：增加排水孔、延长螺旋输送机的长度、改进螺旋输送机出渣口方式、改进皮带机角度与挡渣形式等；项目施工过程中采用了“堵、排、降、调、改良”等方式，减少喷涌发生的可能性，降低喷涌的危害。本文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。

1、盾构机设计与制造中的防喷涌措施

土压盾构机作为隧道施工的主要机械，一旦盾构机制造完成并开始施工，再发现盾构机与地质的适应性存在偏差，对盾构机在隧道内再次改造，难度将非常大，所以盾构机设计之前应做足技术准备，必须依据隧道岩土工程勘察报告，了解隧道水文地质条件，若水文地质条件不清楚，应再次补堪，对隧道穿越地层了解清楚。土压盾构机常用防喷涌的措施有以下几种方式：

1.1土仓隔板预留排水孔

由于地层中的水量比较丰富，在拼装管片或盾构机故障的停机时间段内，地下水会汇集于土仓内部，再次掘进时，大量的地下水会通过螺旋输送机排除，形

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成喷涌现象。可在土仓后部的隔板上、中、下三个位置预留直径φ150mm的排水孔，通过液压驱动或人工的方式控制球阀的开启与闭合，如图2所示。在盾构机再次开始掘进前，将土仓内部的地下水提前排放至尾盾（如图3所示，），采用该方式排出的地下水一般含渣土量较少，可使用潜水泵或隔膜泵将水再次泵送至渣车，避免因喷涌将渣土和地下水一起排除，难以清理。

图2 隔板预留排水孔示意图和管路连接图

图3 排水球阀和排水实际案例

1.2增加螺旋输送机的长度，衰减水土压力

盾构机正常掘进时，通过控制螺旋输送机的排渣速度进行控制土仓内部的压力。对于轴式螺旋输送机，利用筒体内部的“土塞效应”，根据实验数据和施工经验，每个叶片节距可衰减0.2bar的水土压力。因此高水土压力地层中选择土压平衡盾构机时，尽量增加螺旋节距数量。由于受隧道内部空间和盾构机灵活性，最多采用两级螺旋输送机，有上下串联式双螺旋形式（图4）和前后串联式双螺旋形式（图5）。但在参考文献2、参考文献5均提到通过增加螺旋输送机的长度对整个压力的下降作用不显著，成本增加较多，所以应用项目较少。

图4 上下串联式双螺旋输送机

图5 前后串联式双螺旋输送机

1.3利用螺旋输送机双闸门，改变渣液流动路线

大部分土压平衡盾构的螺旋输送机尾部采用双闸门，其一可预防一道闸门失效，造成土仓与隧道内导通，其二可通过控制双闸门的开闭程度，改变螺旋输送机的出渣口处的渣液流动路线，避免渣液直接冲击带式输送机，造成渣土飞溅的现象。

图6双闸门螺旋输送机及渣液流动路线

1.4螺旋输送机后部延长管路出渣

由于喷涌的表现为水、渣土的压力失去控制，螺旋输送机出渣口与带式输送机之间存在间隙，致使出渣口处于临空面，水与渣土瞬间喷发，易使碴土从皮带机掉落至盾构底部，造成盾尾碴土堵塞，浪费人力物力去清碴，对施工进度造成巨大危害。从该思路出发，在盾构的设计过程中，可采取多种将出渣口封闭的方式。如图7所示，在螺旋输送机出渣口下部安装出渣斗，再通过管路延伸至带式

输送机的水平段，起到衰减水土压力，防止喷溅的作用。如图8所示，在出渣口侧部安装球阀和管路，遇到富水地层，将出渣闸门关闭，利用侧旁管路出渣。上述两类方法的主要弊端是：由于空间，管路直径一般在φ150mm～φ300mm之间，地层中存在渣块时，易堵塞管路。为解决上述问题，可采用如图9所示方案，与螺旋输送机出渣口连接集石箱与排渣泵，稀渣通过渣浆泵排出；若集石箱内部积累渣块，通过侧边排出。该三种方式均实现螺旋输送机出渣口密闭的作用，减少喷涌造成尾盾处集渣。

图7 螺旋输送机下部延伸管路

图8螺旋输送机侧部延伸管路

图9 集石箱与排渣泵方案

1.5优化带式输送机设计

针对稀渣及喷涌现象，盾构机制造商在设计带式输送机时，首先考虑带式输送机倾斜段的携渣能力，若倾斜段与隧道轴线角度较大，则皮带无法将稀渣运送至水平段，造成渣液在倾斜段积累，掉落至隧道，所有尽量将皮带机角度控制在7.5°～10.5°之间。其次，带式输送机与螺旋输送机交接处为开放的状态，喷

涌时渣液必然飞溅，此时必须做好带式输送机两侧的挡泥板，减少渣土飞溅至隧道，即使有渣液顺着皮带或间隙流至隧道，采用隔膜泵或潜水泵可直接排至渣车，减少清渣的工作量。该方法虽不能从根本上解决喷涌问题，但可减少喷涌造成的清渣等繁重的工作。

图10 小角度皮带机

上述所论述的措施，主要从土压盾构机的保压、排渣、泄压等方面进行了阐述，在工程实践中也取得不错的应用效果。若施工中完全避免螺旋输送机喷涌问题，不仅需考虑上述措施，施工措施也尤为重要。

项目开工之前，不仅要了解隧道直径、隧道埋深、隧道的周边环境、最小曲线半径、区间的长度坡度等工程情况，更应该熟悉隧道线位区域自上而下地层的类型，隧道穿越的地层类型、各层地层的物理力学性能参数地下水位线的标高或相对隧道位置的高度，水量的丰度等参数。根据不同的地质水文条件，施工过程中采取不同的措施。

2、施工过程中防喷涌措施 2.1提前施工地面降水孔

隧道穿越地层的地下水丰富、地下水位线较隧道顶部较高（水头压力大于5Bar）、隧道上覆土存在破碎带或断层或渗透系数大于10-4m/s的工况时，可考虑采用地面提前施工降水措施。国内某项目采用该措施提前将地下水排出，降低了地下水水位，具体措施参考图11和图12。该措施宜应用于地面建筑较少、沉降要求不高的隧道。

图11 降水井与隧道的关系示意图

图12 降水井施工现场

2.2管片注浆孔排水法

当地层含水量丰富时，拼装完成的管片四周存着游离态的地下水，若盾构机为下坡掘进，管片四周的地下水将顺着管片流向土仓，造成土仓内部汇集大量的地下水，掘进过程中造成喷涌。管片注浆孔排水法与盾体隔板排水法目的类似，提前将地下水排至洞内，在利用水泵输送至洞外，避免地下水在土仓内部大量聚集。选择距离尾盾5m～25m之间管片，将管片二次注浆孔砸通，在管片注浆孔内部安装球阀，定期将地下水排出，根据富水地段的长度，选择排水孔的数量。

图13 管片注浆孔排水照

2.3封堵水源

2.3.1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

水泥(g) 水(mL) 水玻璃(mL) 初凝时间 终凝时间 150 60 110 0s 2min430s 14min2.3.2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。

2.2.3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，可通过前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14)，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14 盾构周边注浆孔示意图

2.4选择合理的渣土改良剂

该措施在实际施工中应用最为广泛，在于逐步改良渣土基本粘度值以及渗透性，通过改良之后渣土自身孔隙比会不断降低，渗透性也会降低，具有良好的流动性与粘度值。泡沫中含有的大量活性剂成分会在土粒上进行吸附，这样能使土质颗粒孔隙得到有效填充，在压力作用下会产生稳定状态，能起到降低渗透性，提高流动性等作用。膨润土或高分子聚合物吸水性树脂聚合物自身体积较大，难以溶于水中，使土颗粒空隙被填充，降低渗透性。

根据不同地质情况， 向土仓内注人添加剂后， 能改变渣土性能， 提高渣土和易性， 降低渣土的渗透系数， 使稀的、

流动性大的渣土变成流塑状的

渣土， 同时在掌子面可形成泥膜， 降低砂土地层的渗透系数， 减少地下水渗入量， 降低土仓内水土压力， 有效降低喷涌发生的频次。

2.5调整盾构机掘进参数

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。

3、结论

土压平衡盾构机应用于富水地层施工，特别是地下水压较高时，螺旋输送机喷涌问题严重影响施工效率与安全。项目施工前，施工单位与盾构机制造商应充分了解地质水文条件，从盾构机设备性能、施工方法、掘进参数等方面入手，控制喷涌问题，本文提出11种控制喷涌的方法，在不同的工程和地质条件均有使用。

参考文献:

1、朱伟,陈仁俊.盾构隧道施工技术现状及展望(第二讲) :盾构隧道技术问题和施工管理[J].岩土工程界,2001,12(4):14-16.

2.朱伟,秦建设, 魏康林 土压平衡盾构喷涌发生机理研究.岩土工程学报[J]，2004,9（5）:5-593。

3.朱海军，周明洋.富水砂层地铁施工中的土压平衡式盾构机喷涌控制技术.市政工程[J]，2018，1：100-102。

4.钟志全，李平. 土压平衡盾构喷涌防治技术.建筑机械化[J]，2017(11)：41-43

5.鲁凤，庞培彦.浅谈土压平衡盾构机防喷涌的方法.城市建设理论研究[J]，2018（3）:121-121。

6.李昌.富水砂层地铁施工中的土压平衡式盾构机喷涌控制技术.施工技术[J]，2018（11）：28-29。

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