隧道施工盾構螺旋機噴涌應對措施

茅 華

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

隧道施工盾構螺旋機噴涌應對措施

茅 華

(蘭州鐵道設計院有限公司，甘肅蘭州 730000)

隧道盾構施工時，螺旋機噴涌是盾構機在富水砂層中掘進的一大安全隱患。它將導致無法正常出渣，無法有效控制土倉壓力，進而影響施工進度，甚至會引起地表塌陷、隧道滲漏水等次生災害。本文以一實際工程中發生的螺旋機噴涌為例，闡述其危害性、發生機理及施工應對措施。

隧道 盾構 螺旋機噴涌 應對措施

1 工程概況

一隧道施工工程盾構掘進的地層由上至下為素填土、粉質黏土、細砂、粗砂、礫砂及圓礫。根據工程勘探報告，盾構機工作于礫砂和圓礫地層。礫砂，飽和，中密，滲透性較好，屬中等滲透性。其具有明顯的觸變性和流動性，在一定動水壓力下，具有產生流土或管涌的可能，盾構開挖時易產生嚴重流砂。圓礫，飽和，中密，顆粒大小混雜，均勻性較差，最大直徑達4～5 cm。該層巖性成分較復雜，以石英、砂巖為主，少量硅質巖，磨圓度較好，多為亞圓～圓形。此外，該層滲透性好，水量極為豐富，為強透水層。在盾構施工時易發生涌水、突水，影響施工安全。圍巖穩定性比較差，容易坍塌、變形。地下水位標高4.70 m，為全斷面富水砂層。該隧道施工時盾構螺旋機發生了噴涌。

2 盾構螺旋機噴涌的危害及產生機理

2.1 螺旋機噴涌引起的危害

首先，大量的泥水從螺旋機出渣口噴出，嚴重影響到連接橋區域內的施工環境，甚至影響到盾尾及整個臺車工作范圍。這樣施工中就不可避免造成停機，必須清理渣土，而渣土清理采用人工清理，耗時長。其次，當盾構機停止掘進，關閉螺旋機出渣口閘門時，土倉內的泥水又迅速填滿整個螺旋機，一旦重新開啟閘門，將又會產生噴涌。這樣就會形成惡性循環，掘進速度放緩，盾尾渣土清理時間很長，嚴重影響盾構施工進度。再次，由于在噴涌過程中無法有效控制實際出土量，使得盾構在推進過程中難以建立真正的土壓平衡，從而加大對地層的擾動，甚至會引發地表塌陷等次生災害。隧道施工過程中盾構螺旋機噴涌后臺車區域施工環境見圖1。

圖1 噴涌后的臺車區域施工環境

2.2 盾構螺旋機發生噴涌的機理

土壓平衡盾構開挖面穩定機理是：在停機時，刀盤切削下來的砂土充滿土倉，使土倉內的土壓力與外界水土壓力相平衡。掘進過程中，用螺旋輸送機來調整出土的速度和出土量，使進土與出土保持動態平衡，確保盾構掘進過程中開挖面的穩定。若開挖面存在高水壓，且土層的滲透系數較大，會使開挖面內的渣土變稀，流動性變大。高壓力的水體穿越土倉和螺旋輸送器形成集中荷載，造成土倉內和螺旋機后閘門口的壓力增高，刀盤扭矩增大，掘進速度減慢，當閘門打開時發生噴涌，土倉內壓力減小，當關上閘門，地層中的水又很快會充滿土倉內，土倉內的土壓力又迅速上升之后，打開螺旋輸送機后泥水噴出，導致盾構無法正常掘進。

3 原因分析

1)施工地段為負地形，容易匯集地表水，且素填土下伏粉質黏土為隔水層，呈凹形，容易匯集地下水，如果素填土中的上層滯水通過粉質黏土發生滲漏，則具備產生噴涌的條件。

2)勘察資料表明，該區段的4個鉆孔中素填土松散，以黏土、砂粒及少量礫石為主，為新近回填而成，其滲透性及儲水性能相對較好，容易形成上層滯水，具備產生噴涌的條件。

3)該區域盾構軸線地表上方埋設有排水管道，若管道滲漏，污水同樣會聚集在素填土中，成為滲漏的另一水源。在施工過程中，隧道內操作人員聞有異味，表明噴涌水與地表污水存在聯系。

4)粉質黏土為隔水層，如無嚴重擾動或破壞，其滲漏是非常微弱的，不足以構成產生噴涌的條件，但勘察時鉆孔貫穿該隔水層，如果勘察后封孔時對黏土層封堵不好，就會成為上層滯水與下部潛水溝通的通道。經過一定時間后，就會在粉質黏土底部與地下潛水之間形成像漏斗一樣的承壓水體。該承壓水體所形成的壓力作用于盾構上方，在盾構機施工過程中產生一定的擾動后，就會產生噴涌。

4 螺旋機噴涌應對措施

在盾構機施工時，如果在發生噴涌過程中處理不及時，極易發生隧道涌水、涌砂，會將開挖面、管片四周的砂土帶出，造成地表塌陷、管片滲漏水等施工事故。為避免出現以上情況，應盡快采取有效措施排除噴涌，具體措施如下：

1)設備的選型或技術改造時優化掘進參數，施工中采取高土壓、高推力方式掘進。

2)向高分子聚合物中摻入改良劑，形成混合溶液，注入土倉內。高分子聚合物材料可以在－60℃～120℃的溫度范圍內使用。它的耐候性、耐臭氧性、耐寒性、耐熱性、耐酸堿腐蝕性能良好。在發生噴涌后立即將儲備好的高分子聚合物材料在現場按比例進行配比試驗，并加入適量的改良劑，將配比好的混合溶液材料注入土倉內，提高渣土的和易性。

3)對螺旋機出土口進行改造，避免大量的水土流出皮帶機，降低人工清理時間，提高工效。

4)加強地表沉降監測，在噴涌的多發位置，采取24 h值班巡視。

5)掘進前，先往土倉內注入高分子聚合物，再啟動刀盤，待渣土與高分子聚合物攪拌均勻后，再掘進出土。

6)在掘進過程中根據實際情況使用泡沫劑，以避免管路堵塞。

7)在距發生噴涌區域10環左右進行二次注漿，阻斷盾構機后方水源流入土倉內(圖2)。

8)在后續拼裝的管片外弧面加一圈泡沫條和棉被(圖3)，阻斷后方水源。

圖2 盾尾后10環二次注漿

圖3 管片外弧面增加棉被和泡沫條

5 結語

本文以一隧道工程為例，分析盾構螺旋機產生噴涌的機理，系統總結螺旋機噴涌的應對措施。為避免噴涌的發生，施工前應充分分析土層分布及水量分布情況，優化設備配置進行必要的技術改造。地鐵線路應盡量避開雨水管路和污水管路，在極易發生噴涌的地層中應盡可能快速穿過，降低施工風險。

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Countermeasures to stop muck-gushing from shield's screw conveyer during tunnel construction

MAO Hua
(Lanzhou Railway Survey and Design Institute Co．，Ltd．，Lanzhou Gansu 730000，China)

The muck-gushing from shield's screw conveyer poses a safety challenge to the tunnel construction at water-rich sandy stratum．Such operation may affect the discharging of dregs and the soil pressure in concern，which may lead to possible delay in the construction schedule or even secondary hazards，such as surface collapse or water leakage．In this light，the paper refers to the muck-gushing incidences happened in the past to outline the damage caused，the occurrence mechanism and the corresponding countermeasures．

Tunnel;Shielding;Muck-gushing from shield's screw conveyer;Countermeasures

(責任審編 李付軍)

U455．43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．10

1003-1995(2014)10-0039-03

2014-06-15;

2014-07-18

茅華(1964— )，女，北京人，高級工程師。