土压平衡盾构防喷涌装置与配套工艺研究

傅重阳

（中铁三局集团第五工程有限公司，山西 晋中 030600)

近年来，因盾构法施工具有安全、高效和适应性广等优点，在国内轨道交通建设中得到广泛应用，其中，土压平衡盾构因具有广泛的地层适应性和较强的破岩能力，成为各类复合地层条件下盾构法施工的首选。但在富水地层采用土压平衡盾构掘进时，往往因地层含水量大，极易出现喷涌现象，使盾尾堆积大量泥沙和水流，将管片输送机完全淹没，无法正常掘进；大量泥沙还会导致土压平衡遭到破坏，易发地面塌陷、盾构被淹及隧道坍塌、人员伤亡事故，风险巨大。

本文通过介绍富水地层的盾构螺旋机防喷涌装置、盾构皮带机防溢流挡渣装置、具有接渣箱及快速排放设备的盾构皮带机、盾构皮带机引流疏渣装置等盾构掘进喷涌预防设备，同时结合相关工装及设备的使用方法，对富水强风化地层土压平衡盾构防喷涌技术进行总结，有效提高螺旋输送机防喷涌控制能力，提高盾构掘进效率。

1 土压平衡盾构防喷涌改造

1.1 土压平衡盾构螺旋机防喷涌改造

针对在高水压力的作用下，螺旋输送机出渣口频繁发生喷涌的问题，研制应用了带防喷涌功能的盾构螺旋机结构，对单螺旋机双闸门结构进行改造（图1)，增加过渡板（加宽设计)和泄压口（快速泄压)，两侧安装防溅挡板，有效提高了螺旋输送机出渣时对防喷涌的控制能力。

图1 带防喷涌功能的盾构螺旋机结构

1.2 土压平衡盾构皮带机底部防喷涌改造

针对产生的喷涌落渣直接从皮带机下部滑落，使盾尾堆积大量泥沙和水流，将管片输送机完全淹没，无法正常掘进等问题，研制应用了盾构皮带机下部接渣箱及排放装置，对皮带机进行优化（图2)，将皮带机的仰角控制在12°以下，同时在皮带从动轮下方加装渣水混合物收集容器，有效减少了喷涌时造成落渣的清理时间。

图2 皮带从动轮下方加装渣水混合物收集容器

1.3 土压平衡盾构皮带机引流疏渣装置

针对产生的喷涌落渣从皮带机两侧溢出，使盾尾堆积大量泥沙和水流，同时喷涌发生后需花费大量人力、时间进行清理等问题，研究应用了皮带机引流疏渣系统（图3），在螺机口溜槽处皮带机防溅挡板处开孔（图4)，加装大孔径滤网（图5)，接管引流至下部集水槽内（图6)，集水槽端部开孔并接管与泥渣泵对接，由泥渣泵将泥渣泵送至土斗或者污水箱内。

图3 盾构皮带机引流疏渣系统

图4 皮带机防溅挡板处开孔

图5 大孔径滤网

图6 引流至集水槽

2 盾构隧道掘进防喷涌施工技术

2.1 盾构隧道掘进防喷涌施工工艺流程

富水强风化地层盾构隧道掘进防喷涌施工工艺流程见图7。

图7 防喷涌施工工艺流程图

2.2 关键施工工艺

2.2.1 土仓隔板排水球阀排水

1)下部管片拼装完成后，经沉淀，仓内泥渣沉积，土仓底部形成实土压，但仓内水含量较高，占比或高达2/3，利用土仓隔板排水球阀放水。

2)先打开3、9 点位排水球阀放水，排出清水或泥渣含量较少的浑水，降低仓内水位，再开5、7点位球阀，排出泥水则关闭，防止污染盾尾。

3)经过排水后，仓内下部建立起实土压（高过螺机口)，水土比约达1∶1。

2.2.2 渣土改良

1)土仓内注入膨润土浆液，改良土仓内渣土，有效降低渗流系数，减少喷涌，同时添加速凝效渣土改良剂，把砂颗粒间隙中的自由水挤走，在砂颗粒与水之间形成絮状凝聚物，使其发生粘结，可以减少内摩擦角，提高流动性，确保顺畅出渣。

2)采用合格的泡沫产品和膨润土进行渣土改良。泡沫溶液比为3%～5%，发泡率为8～14倍，膨润土需充分膨化后方能使用，未达到膨化时间和效果的不能使用，改良材料实际的注入量根据土仓压力和渣土改良效果设施调整；同时向土仓内注入一定量的水，提高开挖土的含水量，增强其流动性，以达到最佳的开挖效果。

2.2.3 推进模式选择

1)根据仓内下部土压或者水含量情况，若下部实土压较高，可先行转动螺机、开启闸门，排渣顺畅后开始推进；若仓内实土压较低，水含量过高，则不转动螺机、关闭闸门推进，待仓内主动建立实土压后，转动螺机、开启闸门推进。

2)排渣情况较稀薄，水含量较大，立即启用皮带机引流疏渣系统，防止溢流情况发生。

3 施工质量控制措施

1)采用气压辅助模式推进，有效减少掌子面汇水，缩短了清渣时间。

2)严格控制盾构掘进方向和铰接油缸的行程差，以确保铰接密封效果；同时加强盾构铰接密封检查，保证不漏水漏砂。

3)做好盾构及后配套设备的保障后勤工作，保持连续快速推进。

4 实施效果

研制应用了带防喷涌功能的盾构螺旋机结构和皮带机下部接渣箱及引流排放装置，有效减少了喷涌时造成落渣的清理时间，相比人工清理，平均每次喷涌落渣清理时间由4.1h 左右减少到0.68h 左右。

5 结语

在富水强风化地层土压平衡盾构掘进过程中，通过富水地层盾构掘进喷涌预防设备的研制与应用，总结形成富水强风化地层土压平衡盾构防喷涌技术，主要特点如下。

1)对单螺旋机双闸门结构进行改造，增加过渡板（加宽设计)和泄压口（快速泄压)，两侧安装防溅挡板，有效提高了螺旋输送机出渣时对防喷涌的控制能力。

2)对皮带机进行优化，将皮带机的仰角控制在12°以下，同时在皮带从动轮下方加装集水容器，有效减少了喷涌时造成落渣的清理时间。

3)研究应用了皮带机引流疏渣系统，在螺机口溜槽处皮带机防溅挡板处开孔，加装大孔径滤网，接管引流至下部方形集水槽内，集水槽端部开孔并接管与泥渣泵对接，由泥渣泵将泥渣泵送至土斗内或者污水箱内，进一步缩短喷涌落渣清理时间。

4)在下部管片拼装完成后，利用土仓隔板排水球阀放水，在仓内下部建立起实土压（高过螺机口，水土比约达到1∶1)，注入高分子聚合物，低转速空转搅拌，充分发挥聚合物作用，进行渣土改良，防止喷涌。

该技术及配套装备2019～2020 年期间，在济南市轨道交通R2 线一期土建工程施工四标段宝华街站－长途汽车站区间成功应用，有效提高螺旋输送机防喷涌控制能力，将落渣清除时间缩短到1h 以内，减少了盾构停机时间，提高了盾构掘进效率，具有广阔的推广应用价值。