盾構法施工噴涌防治技術

齊保衛，馬 琳，韓洋洋，趙江濤，李 坤

(中鐵工程裝備集團技術服務有限公司，河南 鄭州 450000)

盾構以其安全、進度快、環保等優點，已成為引水、鐵路、公路等隧道施工的首選[1]。由于土壓平衡盾構自身工作原理的限制，其在穿越湖泊、河流等富水地層時，土體中黏性顆粒少、松散無黏聚力，渣土難以在土倉內形成流塑狀，噴涌現象極易發生，不但影響正常施工，同時易造成管片襯砌垮塌、隧道結構失穩，威脅施工人員的安全，損失難以估量[2]。

為防止土壓平衡盾構在施工時發生大規模噴涌，目前對噴涌防治技術進行了研究，主要有渣土改良、螺旋輸送機改造、雙螺機設計等方法。葉晨立[3]針對福州地鐵區間段高水壓、高滲透砂性地層，采用質量分數1∶10 的膨潤土、質量分數5‰CMC 混合漿液，按照10∶2.5 配合質量分數3%聚丙烯酰胺溶液按100∶5 摻加比進行改良渣土，效果良好。張明聚[4]通過實踐探索，采用了螺旋輸送機改造、出碴控制和地面降水相結合的防噴涌措施。海瑞克等多家盾構制造商針對高壓富水地層設計雙螺旋輸送機[5]，即在一級螺機后部設計二級螺機，但是根據以往在富水粉砂巖地層中螺旋輸送機的降壓能力，即使再設計一級螺旋對整個壓力的下降作用也不夠明顯，并且成本較高。因此，急需探索一種適應性強、易實施、低成本、效果好的噴涌防治技術。

本文結合工程實例，通過渣土改良、優化施工工藝、優化出渣系統三個方面制定措施，并考慮施工成本、實施難易、治理效果等因素，研究盾構在高壓富水地層掘進時噴涌防治技術，為其他地區類似地層施工提供指導。

1 工程概況

中鐵某盾構應用于杭富城際鐵路SGHF-8 標段，區間全長1754m，分布地層自上而下為：填筑土、含礫粉質黏土、含黏性土卵石、全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、中等風化粉砂巖，基底主要坐落于含黏性土卵石層（圖1）。

圖1 工程概況

盾構于2019 年11 月掘進至466 環，地層由含黏性土卵石轉變為31a-2 強風化粉砂質泥巖、31a-3 中等風化粉砂質泥巖，地層節理裂隙發育，巖體完整性差，該區間巖層最大滲透系數為40m/d，地下水壓達2.5bar，場地周圍地下水連通性好，水量充足且地下水壓高。掘進過程中出現了嚴重噴涌，形成了每環“噴渣、清渣、再噴渣”的惡性循環，單班推進平均2 環，極大地影響了掘進速度。因此，亟需采取措施解決施工中出現嚴重的噴涌現象。

2 防噴涌試驗研究

結合國內外的研究現狀，從渣土改良、優化施工工藝、優化出渣系統3 個方面進行研究，具體思路如圖2 所示。

圖2 試驗思路

2.1 渣土改良

2.1.1 克泥效工法

克泥效是是由合成納基黏土礦物、纖維素衍生劑、膠體穩定劑和分散劑構成，呈粉末狀，將高濃度的泥水材料與水玻璃兩種液體按照20 ∶1的比例混合注入盾體四周，旨在形成泥膜，使渣土具有一定的可塑性，穩定開挖面，從而改善噴涌，控制土倉含水量[6]（圖3）。

圖3 克泥效工法

由于該地層富水性強、滲透性強、水量豐富且水壓高，而克泥效工法受環境因素影響，依賴配合比，實際操作過程中實施難度大，未試驗到合適的配合比，效果不理想。

2.1.2 “膨潤土+泡沫”改良

膨潤土作為常用的渣土改良劑，與水、泥、沙等細屑碎物質結合有一定的粘接性，泡沫中的活性劑分子可吸附在土顆粒表面，填充到土顆粒間空隙中，并在壓力作用下穩定存在，起到降低滲透性、減小摩擦角的作用[7～8]。通過持續不斷地注入高濃度膨潤土，控制黏度在90～120Pa·s，泡沫選用高發泡率、低流量的模式，使單位時間內泡沫體積變大，更好地充填土倉，抑制地下水涌入刀盤，發泡率從10%提高至15%，流量從300L/min 減少至200L/min，實施前后噴涌未見明顯改善。

2.2 優化施工工藝

2.2.1 釋放地層水

通過合理布置放水孔，降低掘進過程開挖面的水壓緩解噴涌。首先需判斷噴涌水的來源方向，在管片左上方與右上方開孔，打開設備橋處中上、中下吊裝孔，僅有少量水流出，判斷涌水大多來自盾構前方。隧在刀盤位置每隔5 環打孔，其中1 個孔有水流出，放水一天后未見水量有減小趨勢。打開人艙球閥、土倉隔板預留孔連接管路引流，但因地層含水量大，噴涌治理無明顯效果。

2.2.2 增加止水環

在盾尾后方封堵水源，增加止水環，阻斷管片背后匯水通道。在管片脫出盾尾3 環后的3 點、9 點位置和拱頂點注雙液漿，形成“止水環”，防止后部地下水順著管片外側流入刀盤前部，每隔5～10 環做1 環“止水環”。實施后略微減少了土倉進水量，提高了掘進速度（單班推進平均1～3環，最高3 環），但噴涌現象未明顯改善。

2.2.3 調整掘進參數

適當提高總推進力，做到快速掘進，從1 300～1 500t 提高到1 800～1 900t，加大對掌子面的壓力，掘進速度有所提高，使單位時間進入土倉的渣土更多，從而減少外部進入土倉的水量。實施后發現推進速度提升導致螺旋機速度也隨之提升，反而噴涌現象加重。

2.3 優化出渣系統

本工程盾構皮帶為敞開式，通過優化皮帶機結構，當出現噴涌現象時，噴涌出的渣石、水、泥漿可阻擋在皮帶機半封閉區域內防止外濺，進而匯集到下端輸送帶上，經過輸送帶從半封閉區間后端運離半封閉區域。主要技術措施如下。

1）皮帶機采用尾部半封閉式設計，增加封閉罩組件，利用倒錐形結構形式，將涌出的渣石、水、泥漿匯集到皮帶機、螺機及設備橋形成半封閉區域，如圖4 所示。封閉罩左右兩側通過聚氨酯軟簾布與皮帶機接料斗防護板連接，簾布使用壓板進行整體連接，加強簾布安裝的工藝性、密封性，延長簾布使用壽命，避免出現變形褶皺造成積渣，如圖5 所示。

圖4 封閉罩設計

圖5 聚氨酯軟簾布安裝

2）基于原皮帶機擋泥板密封形式不能有效實現密封效果，設計了1 種防溢密形式。防溢密封由1 道主密封和兩道副密封組成，主密封螺栓固定孔為長槽型，當主密封下端磨損消耗后可松懈螺栓，調整主密封的位置，保證其下端與輸料面貼合；副密封為頭重、腳輕結構，通過自身重力及材質彈性保證與輸送帶貼合，以防止渣土外溢，如圖6 所示。

圖6 防溢裙邊示意圖

3）基于螺機噴涌時產生的沖擊力，對輸送機皮帶產生壓潰，造成皮帶與擋泥板膠皮出現縫隙，噴涌的渣土外溢進入隧道內，造成噴涌嚴重，因此設計加密緩沖托輥組件，抵消噴涌時產生的沖擊力，如圖7 所示。

圖7 加密托輥示意圖

采取以上措施后，噴涌問題得到了有效治理，掘進速度明顯提升4 倍，由之前的10mm/min 提高至40mm/min，有效降低噴涌對文明施工造成的影響，節省清理隧道內噴涌、停機時間，優化前后對比如圖8 所示。

圖8 實施前后效果對比

3 結語

針對盾構在杭富城際鐵路高壓富水地層區間掘進時的噴涌問題，在實施渣土改良、優化施工參數無果后，采取優化出渣系統噴涌防治技術，可有效減少噴涌量及噴涌次數，對噴涌現象具有顯著的防治效果，施工效率大大提升，為后續土壓平衡盾構在富水地層施工中噴涌防理提供了經驗。