隧道施工盾構(gòu)螺旋機(jī)噴涌應(yīng)對(duì)措施

茅 華

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730000)

隧道施工盾構(gòu)螺旋機(jī)噴涌應(yīng)對(duì)措施

茅 華

(蘭州鐵道設(shè)計(jì)院有限公司，甘肅蘭州 730000)

隧道盾構(gòu)施工時(shí)，螺旋機(jī)噴涌是盾構(gòu)機(jī)在富水砂層中掘進(jìn)的一大安全隱患。它將導(dǎo)致無(wú)法正常出渣，無(wú)法有效控制土倉(cāng)壓力，進(jìn)而影響施工進(jìn)度，甚至?xí)鸬乇硭荨⑺淼罎B漏水等次生災(zāi)害。本文以一實(shí)際工程中發(fā)生的螺旋機(jī)噴涌為例，闡述其危害性、發(fā)生機(jī)理及施工應(yīng)對(duì)措施。

隧道 盾構(gòu) 螺旋機(jī)噴涌 應(yīng)對(duì)措施

1 工程概況

一隧道施工工程盾構(gòu)掘進(jìn)的地層由上至下為素填土、粉質(zhì)黏土、細(xì)砂、粗砂、礫砂及圓礫。根據(jù)工程勘探報(bào)告，盾構(gòu)機(jī)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(dòng)性，在一定動(dòng)水壓力下，具有產(chǎn)生流土或管涌的可能，盾構(gòu)開挖時(shí)易產(chǎn)生嚴(yán)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(dá)4～5 cm。該層巖性成分較復(fù)雜，以石英、砂巖為主，少量硅質(zhì)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(qiáng)透水層。在盾構(gòu)施工時(shí)易發(fā)生涌水、突水，影響施工安全。圍巖穩(wěn)定性比較差，容易坍塌、變形。地下水位標(biāo)高4.70 m，為全斷面富水砂層。該隧道施工時(shí)盾構(gòu)螺旋機(jī)發(fā)生了噴涌。

2 盾構(gòu)螺旋機(jī)噴涌的危害及產(chǎn)生機(jī)理

2.1 螺旋機(jī)噴涌引起的危害

首先，大量的泥水從螺旋機(jī)出渣口噴出，嚴(yán)重影響到連接橋區(qū)域內(nèi)的施工環(huán)境，甚至影響到盾尾及整個(gè)臺(tái)車工作范圍。這樣施工中就不可避免造成停機(jī)，必須清理渣土，而渣土清理采用人工清理，耗時(shí)長(zhǎng)。其次，當(dāng)盾構(gòu)機(jī)停止掘進(jìn)，關(guān)閉螺旋機(jī)出渣口閘門時(shí)，土倉(cāng)內(nèi)的泥水又迅速填滿整個(gè)螺旋機(jī)，一旦重新開啟閘門，將又會(huì)產(chǎn)生噴涌。這樣就會(huì)形成惡性循環(huán)，掘進(jìn)速度放緩，盾尾渣土清理時(shí)間很長(zhǎng)，嚴(yán)重影響盾構(gòu)施工進(jìn)度。再次，由于在噴涌過程中無(wú)法有效控制實(shí)際出土量，使得盾構(gòu)在推進(jìn)過程中難以建立真正的土壓平衡，從而加大對(duì)地層的擾動(dòng)，甚至?xí)l(fā)地表塌陷等次生災(zāi)害。隧道施工過程中盾構(gòu)螺旋機(jī)噴涌后臺(tái)車區(qū)域施工環(huán)境見圖1。

圖1 噴涌后的臺(tái)車區(qū)域施工環(huán)境

2.2 盾構(gòu)螺旋機(jī)發(fā)生噴涌的機(jī)理

土壓平衡盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定機(jī)理是：在停機(jī)時(shí)，刀盤切削下來(lái)的砂土充滿土倉(cāng)，使土倉(cāng)內(nèi)的土壓力與外界水土壓力相平衡。掘進(jìn)過程中，用螺旋輸送機(jī)來(lái)調(diào)整出土的速度和出土量，使進(jìn)土與出土保持動(dòng)態(tài)平衡，確保盾構(gòu)掘進(jìn)過程中開挖面的穩(wěn)定。若開挖面存在高水壓，且土層的滲透系數(shù)較大，會(huì)使開挖面內(nèi)的渣土變稀，流動(dòng)性變大。高壓力的水體穿越土倉(cāng)和螺旋輸送器形成集中荷載，造成土倉(cāng)內(nèi)和螺旋機(jī)后閘門口的壓力增高，刀盤扭矩增大，掘進(jìn)速度減慢，當(dāng)閘門打開時(shí)發(fā)生噴涌，土倉(cāng)內(nèi)壓力減小，當(dāng)關(guān)上閘門，地層中的水又很快會(huì)充滿土倉(cāng)內(nèi)，土倉(cāng)內(nèi)的土壓力又迅速上升之后，打開螺旋輸送機(jī)后泥水噴出，導(dǎo)致盾構(gòu)無(wú)法正常掘進(jìn)。

3 原因分析

1)施工地段為負(fù)地形，容易匯集地表水，且素填土下伏粉質(zhì)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(zhì)黏土發(fā)生滲漏，則具備產(chǎn)生噴涌的條件。

2)勘察資料表明，該區(qū)段的4個(gè)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(chǔ)水性能相對(duì)較好，容易形成上層滯水，具備產(chǎn)生噴涌的條件。

3)該區(qū)域盾構(gòu)軸線地表上方埋設(shè)有排水管道，若管道滲漏，污水同樣會(huì)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(nèi)操作人員聞?dòng)挟愇?，表明噴涌水與地表污水存在聯(lián)系。

4)粉質(zhì)黏土為隔水層，如無(wú)嚴(yán)重?cái)_動(dòng)或破壞，其滲漏是非常微弱的，不足以構(gòu)成產(chǎn)生噴涌的條件，但勘察時(shí)鉆孔貫穿該隔水層，如果勘察后封孔時(shí)對(duì)黏土層封堵不好，就會(huì)成為上層滯水與下部潛水溝通的通道。經(jīng)過一定時(shí)間后，就會(huì)在粉質(zhì)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(gòu)上方，在盾構(gòu)機(jī)施工過程中產(chǎn)生一定的擾動(dòng)后，就會(huì)產(chǎn)生噴涌。

4 螺旋機(jī)噴涌應(yīng)對(duì)措施

在盾構(gòu)機(jī)施工時(shí)，如果在發(fā)生噴涌過程中處理不及時(shí)，極易發(fā)生隧道涌水、涌砂，會(huì)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(xiàn)以上情況，應(yīng)盡快采取有效措施排除噴涌，具體措施如下：

1)設(shè)備的選型或技術(shù)改造時(shí)優(yōu)化掘進(jìn)參數(shù)，施工中采取高土壓、高推力方式掘進(jìn)。

2)向高分子聚合物中摻入改良劑，形成混合溶液，注入土倉(cāng)內(nèi)。高分子聚合物材料可以在－60℃～120℃的溫度范圍內(nèi)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(fā)生噴涌后立即將儲(chǔ)備好的高分子聚合物材料在現(xiàn)場(chǎng)按比例進(jìn)行配比試驗(yàn)，并加入適量的改良劑，將配比好的混合溶液材料注入土倉(cāng)內(nèi)，提高渣土的和易性。

3)對(duì)螺旋機(jī)出土口進(jìn)行改造，避免大量的水土流出皮帶機(jī)，降低人工清理時(shí)間，提高工效。

4)加強(qiáng)地表沉降監(jiān)測(cè)，在噴涌的多發(fā)位置，采取24 h值班巡視。

5)掘進(jìn)前，先往土倉(cāng)內(nèi)注入高分子聚合物，再啟動(dòng)刀盤，待渣土與高分子聚合物攪拌均勻后，再掘進(jìn)出土。

6)在掘進(jìn)過程中根據(jù)實(shí)際情況使用泡沫劑，以避免管路堵塞。

7)在距發(fā)生噴涌區(qū)域10環(huán)左右進(jìn)行二次注漿，阻斷盾構(gòu)機(jī)后方水源流入土倉(cāng)內(nèi)(圖2)。

8)在后續(xù)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(huán)二次注漿

圖3 管片外弧面增加棉被和泡沫條

5 結(jié)語(yǔ)

本文以一隧道工程為例，分析盾構(gòu)螺旋機(jī)產(chǎn)生噴涌的機(jī)理，系統(tǒng)總結(jié)螺旋機(jī)噴涌的應(yīng)對(duì)措施。為避免噴涌的發(fā)生，施工前應(yīng)充分分析土層分布及水量分布情況，優(yōu)化設(shè)備配置進(jìn)行必要的技術(shù)改造。地鐵線路應(yīng)盡量避開雨水管路和污水管路，在極易發(fā)生噴涌的地層中應(yīng)盡可能快速穿過，降低施工風(fēng)險(xiǎn)。

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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(zé)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(jí)工程師。