土压平衡盾构加气排水防喷涌技术研究

2021-04-27魏文义

铁道建筑技术 2021年2期

魏文义

（中铁二十一局集团轨道交通工程有限公司山东济南 250000）

1 引言

针对地下水丰富、节理裂隙发育、埋深大、渗透系数大和气密性差的复合地层，尤其是砂层、粉细砂层、砂卵石地层以及其组成的复合地层，采用常规的土压平衡盾构掘进方法，掘进参数不易控制，如刀盘扭矩、推进速度变化较大，盾构负荷大，刀盘刀具磨损快等。此时土压平衡盾构掘进经常引起喷涌，以致盾构施工处于“掘进—喷涌—清渣—管片安装”的低效率恶性循环中［1－2］，最终导致地层细颗粒流失、局部出现空腔，甚至地表出现塌陷。

国内外对于盾构掘进施工防喷涌技术主要聚焦于渣土的改良。国外对于渣土改良的研究多集中于砂土和黏性土，以改良剂的开发研究为主；国内的渣土改良研究大多针对砂土、黏性土、黄土和复合土层的渣土。郭彩霞等［3］和汪国锋［4］在北京地铁盾构隧道工程中进行了单加膨润土和双掺膨润土、泡沫改良砂卵石渣土的试验和工程应用研究。贺少辉［5］研究了砂卵石地层在高水压条件下盾构掘进喷涌控制技术。朱伟等［6］针对土压平衡盾构喷涌发生机理进行了研究。李昌等［7］通过分析喷涌原因研究了通过富水砂层的土压平衡盾构机喷涌控制技术。冯强［8］利用土舱壁观察孔注入浆液稀释水体控制喷涌。

根据前期调研结果，兰州地铁盾构区间掘进发生喷涌的可能性较大。2013年6月兰州地铁1号线试验段盾构区间开始掘进，区间穿越地层主要为第四系下更新统卵石层，卵石粒径大（有大于500 mm粒径存在）。地下水主要赋存于卵石层中，属兰州断陷盆地松散岩类孔隙性潜水，水位埋深10.9～12.7 m。盾构掘进埋深超过14 m后，采用常规土压掘进模式出现喷涌现象，埋深增大喷涌加剧。

为解决喷涌问题，在调研国内外土压平衡盾构防喷涌措施的基础上，中铁二十一局集团成立了《富水大粒径砂卵石地层土压平衡盾构掘进关键技术研究》科研项目，着重分析了“加气排水”防喷涌技术。研究成果对盾构施工有重要意义，具有较高的推广价值。

2 模型构建及喷涌发生机理

砂层、粉细砂层、砂卵石地层以及其组成的复合地层中，盾构机喷涌与天然地基的流土破坏机理类似，都是由于渗流力作用引起土体颗粒悬浮和移动［9］，因此可借鉴地基发生渗流破坏的机理来分析喷涌发生的原因。

2.1 土压平衡盾构舱内压力传递模型

假设盾构掘进采用欠压掘进，盾体周边无明显裂隙水大流量补给，盾构机内的渗流水体符合达西定理，模型如图1所示。其中，H1为原始地层水头高度；H2为开挖面附近水头高度；H3为螺旋排土器出口测压水头。

图1 水体输送模型

在原始地层、压力舱和排土器各取一微小断面，单位时间内通过这三个微断面的渗流量分别设为Q1、Q2和Q3。

经过原始地层断面Ⅰ的地下水流量为：

式中，K1为原始地层的渗透系数；dh为水头通过微断面的水头损失；dx为微断面的长度；A1为掘进期间可能的影响面积。

同理，经过断面Ⅱ的地下水流量为：

式中，K2为切削后渣土的渗透系数；A2为压力舱截面面积。

经过断面Ⅲ的地下水流量为：

式中，A3为螺旋排土器截面面积；θ为螺旋排土器与水平面的夹角。

在掘进影响区边界处，水头高度为H1，即x＝0处，则：

在开挖面处，水头高度为H2，即x＝L1处，则：

在螺旋排土器出口，水头高度为H3，即x＝L1＋L2＋L3cos θ处，则：

由式（1）与式（4）可得到开挖面的水头表达式：

由式（2）与式（5）可得到开挖面的水头表达式：

由式（3）与式（6）可得到开挖面的水头表达式：

在正常欠压掘进状态下，由式（7）、式（8）可以得出压力舱顶压力水头H2和水流量Q之间的关系式：

假定某一时间点地层渗流不影响舱内渗流，根据流量守恒原则，流经断面Ⅱ和断面Ⅲ的水体流量相等，即Q2＝Q3＝Q。由式（8）、式（9）可以得出螺旋排土器出口处的压力水头H3和水流量Q之间的关系式：

2.2 喷涌机理

由建立的水压变化模型式（11）可以得出判断：H3与螺旋排土器出口高度相等时不会出现喷涌；H3大于螺旋排土器出口高度时，可能出现出土速率不可控、轻微喷涌甚至剧烈喷涌现象；压力舱顶压力水头H2越大，H3越大；切削后的渣土渗透系数K2越大，H3越大；流水量Q越大表象为喷涌加剧，但随流水量Q加大H3逐渐减小。

由式（1）、式（10）可以得出判断：原始地层渗透系数K1、切削后的渣土渗透系数K2越大，H2越大；原始地层渗透系数K1越大，原始地层流水量Q1越大，可能造成的喷涌总流量越大。

3 加气排水防喷涌机理和应用

3.1 加气排水机理

（1）流水总量与喷涌的关系

根据喷涌机理分析，喷涌趋势取决于H3螺旋出土口水头高度，H3随切削面水头高度H2增大而增大，H2通常表现为土舱1号土压传感器土压。假定地层补给水为零，由式（11）可以得出结论，盾构机出现短时间喷涌后H3与螺旋排土器高度逐渐趋于相等，停止喷涌。

假定掘进时间为 Δt，由式（1）、式（2）可知喷涌总流量为：

由式（12）可知：如果可以实现控制土舱内流水总量，即便出现短时间喷涌，但总体依然可以达到控制喷涌的目的。

（2）地层相态与盾构掘进状态的关系

通常将盾构机周边的地层看成“固相”和“液相”的组合体，盾构机压力舱内的渣土看成“固相”、“液相”和“气相”的组合体。如果压力舱内渣土含水率超过18%，则喷涌几率升高；渣土含水率低于12%，渣土流动性变差。在富水地层中，如果用渣土孔隙中赋存大量的空气或泡沫代替水，那么既可以保证渣土的流动性，又可以降低喷涌风险［10－11］。

（3）加气排水控制地层流水量机理

通常情况下，若“固相”中存在间隙，“气相”和“液相”会马上进入，“气相”压力足够时可以逼退“液相”进而占据间隙空间［12］。虽然气相流动速度快，但“气相”占据空间后即便被“液相”逼退也会存在一定时间，其逼退速率与地层的渗透系数成正比。

根据以上论据，可以考虑在盾构停机阶段首先从盾体上方加注惰性浆，填充掘进时出现的空腔以及降低盾构周边土渗透系数，然后在压力舱内注入高压气体逼退压力舱内以及盾体周边一定范围内的地下水，保证“液相”恢复时间大于掘进时间即可实现防喷涌效果。

3.2 加气排水应用工艺

3.2.1 加气排水工艺流程

图2为土压平衡盾构“加气排水”掘进施工工艺。具体为：盾构施工前，首先保持停机状态，对盾构上方土体加注惰性浆以加固土体，减小土体的渗透系数；注浆完成后打开压力舱空气转换接头向舱内加注高压空气后开始掘进施工。惰性浆一般由细砂、膨润土、粉煤灰、水拌和而成，通过盾构机自带同步注浆管路转换至中盾接口，在中盾顶部加注。惰性浆注浆压力一般比停机后土舱1号传感器压力提高0.2～0.4 bar。惰性浆配比根据地层渗透系数调整黏粒含量，地层渗透系数越大，黏粒含量越高。惰性浆注入完成后方可打开加气阀门，否则浆液会从加气管路回流。加气时间必须经试验确定，并严格按规定时间加气，否则加气效果不能满足掘进要求。

图2 土压平衡盾构加气排水掘进施工流程

3.2.2 加气排水压力控制

加气过程中通过测试盾构机土压传感器变化来确定压力基准。通过大量试验，基于1号土压传感器压力观测值增加0.3～0.5 bar设定为控制土压，同时监测地表沉降变形，以控制加气量，当加气量过大时可以在盾体上方再次加注惰性浆。

3.2.3 加气排水掘进控制

恢复掘进阶段，因盾体周围地层加注惰性浆的作用，掘进开始阶段土舱内需要加大排量降低扭矩、推力，提高掘进速度。这一阶段要设置皮带传输与掘进参数相匹配。进入正常掘进阶段后需要调配好泡沫注入量以保证掘进舱压，利用掘进舱压来增加“液相”恢复时间。

3.2.4 加气排水模式优点分析

（1）环保。国内外大多防喷涌技术通过采用加注高分子聚合物改变粘度从而降低土体渗透系数，选用合适比列的聚合物可以达到防喷涌的效果。但高分子聚合物的使用必然会对周边土体造成一定程度的水环境影响，而加气排水采用的惰性浆配比中的水、细砂、膨润土、粉煤灰，对水环境影响很小。

（2）稳定性好。采用渣土降低渗透系数的防喷涌模式必然存在改良效果不稳定的问题，从而导致防喷涌效果不理想。加气排水模式只要选定加注惰性浆参数，选定加气压力、时间、排气量，严格按操作规程执行就可以得到稳定的防喷涌效果，周边环境及地下水对本工法干扰很小。

（3）降低刀盘刀具磨损。喷涌必然造成渣土细颗粒流失，采用加气排水模式补充了渣土的细颗粒含量，从而降低了渣土对刀盘、刀具的磨损。

（4）保证同步注浆效果。注入惰性浆必然形成一个包围盾体的惰性浆环，惰性浆环的存在可有效阻挡盾尾同步注浆向刀盘方向的流失，从而保证了注浆效果。

（5）提高掘进效率明显。加气排水作业时间均在盾构掘进完成后实施，对掘进总用时影响很小，并且由于控制了喷涌的发生，节约了大量由于喷涌造成的清渣时间，施工效率明显提高。

（6）成本低廉。加气排水模式下额外投入费用主要是惰性浆材料成本、空压机运转电费、设备折旧等，节约了大量投入。

（7）操作简单。加气排水模式主要操作是盾体上方加注惰性浆、打开转换阀门向压力舱注入空气，操作比较简单。

4 加气排水掘进方法风险分析

采用土压平衡盾构“加气排水”掘进施工时，地层会出现“固相”和“液相”的组合体与“固相”、“液相”和“气相”的组合体转换，转换过程中有可能会造成地层局部区域细颗粒流失。图3为“加气排水”掘进完成后的地质雷达扫描图像。可以看出“加气排水”掘进完成后，上覆地层出现疏松、空腔等缺陷，此时采用同步注浆、盾体上方加注惰性浆不能消除该缺陷。