隧道施工盾构螺旋机喷涌应对措施

茅 华

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

隧道施工盾构螺旋机喷涌应对措施

茅 华

(兰州铁道设计院有限公司，甘肃兰州 730000)

隧道盾构施工时，螺旋机喷涌是盾构机在富水砂层中掘进的一大安全隐患。它将导致无法正常出渣，无法有效控制土仓压力，进而影响施工进度，甚至会引起地表塌陷、隧道渗漏水等次生灾害。本文以一实际工程中发生的螺旋机喷涌为例，阐述其危害性、发生机理及施工应对措施。

隧道 盾构 螺旋机喷涌 应对措施

1 工程概况

一隧道施工工程盾构掘进的地层由上至下为素填土、粉质黏土、细砂、粗砂、砾砂及圆砾。根据工程勘探报告，盾构机工作于砾砂和圆砾地层。砾砂，饱和，中密，渗透性较好，属中等渗透性。其具有明显的触变性和流动性，在一定动水压力下，具有产生流土或管涌的可能，盾构开挖时易产生严重流砂。圆砾，饱和，中密，颗粒大小混杂，均匀性较差，最大直径达4～5 cm。该层岩性成分较复杂，以石英、砂岩为主，少量硅质岩，磨圆度较好，多为亚圆～圆形。此外，该层渗透性好，水量极为丰富，为强透水层。在盾构施工时易发生涌水、突水，影响施工安全。围岩稳定性比较差，容易坍塌、变形。地下水位标高4.70 m，为全断面富水砂层。该隧道施工时盾构螺旋机发生了喷涌。

2 盾构螺旋机喷涌的危害及产生机理

2.1 螺旋机喷涌引起的危害

首先，大量的泥水从螺旋机出渣口喷出，严重影响到连接桥区域内的施工环境，甚至影响到盾尾及整个台车工作范围。这样施工中就不可避免造成停机，必须清理渣土，而渣土清理采用人工清理，耗时长。其次，当盾构机停止掘进，关闭螺旋机出渣口闸门时，土仓内的泥水又迅速填满整个螺旋机，一旦重新开启闸门，将又会产生喷涌。这样就会形成恶性循环，掘进速度放缓，盾尾渣土清理时间很长，严重影响盾构施工进度。再次，由于在喷涌过程中无法有效控制实际出土量，使得盾构在推进过程中难以建立真正的土压平衡，从而加大对地层的扰动，甚至会引发地表塌陷等次生灾害。隧道施工过程中盾构螺旋机喷涌后台车区域施工环境见图1。

图1 喷涌后的台车区域施工环境

2.2 盾构螺旋机发生喷涌的机理

土压平衡盾构开挖面稳定机理是：在停机时，刀盘切削下来的砂土充满土仓，使土仓内的土压力与外界水土压力相平衡。掘进过程中，用螺旋输送机来调整出土的速度和出土量，使进土与出土保持动态平衡，确保盾构掘进过程中开挖面的稳定。若开挖面存在高水压，且土层的渗透系数较大，会使开挖面内的渣土变稀，流动性变大。高压力的水体穿越土仓和螺旋输送器形成集中荷载，造成土仓内和螺旋机后闸门口的压力增高，刀盘扭矩增大，掘进速度减慢，当闸门打开时发生喷涌，土仓内压力减小，当关上闸门，地层中的水又很快会充满土仓内，土仓内的土压力又迅速上升之后，打开螺旋输送机后泥水喷出，导致盾构无法正常掘进。

3 原因分析

1)施工地段为负地形，容易汇集地表水，且素填土下伏粉质黏土为隔水层，呈凹形，容易汇集地下水，如果素填土中的上层滞水通过粉质黏土发生渗漏，则具备产生喷涌的条件。

2)勘察资料表明，该区段的4个钻孔中素填土松散，以黏土、砂粒及少量砾石为主，为新近回填而成，其渗透性及储水性能相对较好，容易形成上层滞水，具备产生喷涌的条件。

3)该区域盾构轴线地表上方埋设有排水管道，若管道渗漏，污水同样会聚集在素填土中，成为渗漏的另一水源。在施工过程中，隧道内操作人员闻有异味，表明喷涌水与地表污水存在联系。

4)粉质黏土为隔水层，如无严重扰动或破坏，其渗漏是非常微弱的，不足以构成产生喷涌的条件，但勘察时钻孔贯穿该隔水层，如果勘察后封孔时对黏土层封堵不好，就会成为上层滞水与下部潜水沟通的通道。经过一定时间后，就会在粉质黏土底部与地下潜水之间形成像漏斗一样的承压水体。该承压水体所形成的压力作用于盾构上方，在盾构机施工过程中产生一定的扰动后，就会产生喷涌。

4 螺旋机喷涌应对措施

在盾构机施工时，如果在发生喷涌过程中处理不及时，极易发生隧道涌水、涌砂，会将开挖面、管片四周的砂土带出，造成地表塌陷、管片渗漏水等施工事故。为避免出现以上情况，应尽快采取有效措施排除喷涌，具体措施如下：

1)设备的选型或技术改造时优化掘进参数，施工中采取高土压、高推力方式掘进。

2)向高分子聚合物中掺入改良剂，形成混合溶液，注入土仓内。高分子聚合物材料可以在－60℃～120℃的温度范围内使用。它的耐候性、耐臭氧性、耐寒性、耐热性、耐酸碱腐蚀性能良好。在发生喷涌后立即将储备好的高分子聚合物材料在现场按比例进行配比试验，并加入适量的改良剂，将配比好的混合溶液材料注入土仓内，提高渣土的和易性。

3)对螺旋机出土口进行改造，避免大量的水土流出皮带机，降低人工清理时间，提高工效。

4)加强地表沉降监测，在喷涌的多发位置，采取24 h值班巡视。

5)掘进前，先往土仓内注入高分子聚合物，再启动刀盘，待渣土与高分子聚合物搅拌均匀后，再掘进出土。

6)在掘进过程中根据实际情况使用泡沫剂，以避免管路堵塞。

7)在距发生喷涌区域10环左右进行二次注浆，阻断盾构机后方水源流入土仓内(图2)。

8)在后续拼装的管片外弧面加一圈泡沫条和棉被(图3)，阻断后方水源。

图2 盾尾后10环二次注浆

图3 管片外弧面增加棉被和泡沫条

5 结语

本文以一隧道工程为例，分析盾构螺旋机产生喷涌的机理，系统总结螺旋机喷涌的应对措施。为避免喷涌的发生，施工前应充分分析土层分布及水量分布情况，优化设备配置进行必要的技术改造。地铁线路应尽量避开雨水管路和污水管路，在极易发生喷涌的地层中应尽可能快速穿过，降低施工风险。

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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

(责任审编 李付军)

U455．43

A

10．3969/j．issn．1003-1995．2014．10．10

1003-1995(2014)10-0039-03

2014-06-15;

2014-07-18

茅华(1964— )，女，北京人，高级工程师。