全断面富水砂层土压平衡盾构喷涌控制技术 研究

摘 要 ：以西安地铁十四号线盾构下穿灞河工程为依托，通过对盾构下穿高水压全断面砂层过程中喷涌问题进行原因分析，并针对性地提出多种喷涌控制手段，有效地抑制了喷涌的再次发生。

   研究表明：对于全断面富水砂层盾构喷涌的控制，采用泡沫剂＋钠基膨润土等常规材料进行渣土改良是可行的；盾构掘进参数优化、降低开挖面水头、盾尾水流通路封堵及停机保压是防喷涌的辅助措施；盾构掘进参数优化应以防超挖、快速通过、避免长时间停机及设备检修为原则，寻找最佳土压平衡参数，最大限度减少下穿过程中对地层的扰动。

１. 概述

   盾构施工技术因对周边环境影响小的优势，在城市轨道交通建设中得到了全面的应用。高水压全断面砂层是当前盾构施工的难点问题。相关学者及技术人员针对富水条件下盾构施工喷涌防治研究已逐步展开。

   闫潇等通过提高高分子聚合物浓度的方式对富水粉细砂层土压平衡盾构进行渣土改良，有效控制下穿湖泊时螺旋机喷涌；米仕鹏依托成都地铁富水砂卵石地层，采用离散元仿真方法研究螺距变化对输送机土体运动特征，提出通过对螺旋叶片变螺距设计防治喷涌的新思路；孟佑强等针对上软下硬富水地层条件下土压平衡盾构施工，通过减小土仓压力＋封堵盾体后方水源＋渣土改良等组合方式有效控制喷涌现象；李树忱等通过采用泡沫剂＋高分子聚合物结合的手段解决了强透水砂卵石地层条件下螺旋机喷涌难题，实现盾构顺利掘进；贺少辉等以兰州地铁高水压砂卵石地层条件下土压平衡盾构为背景，确定了单掺钠基膨润土及复掺泡沫的渣土改良最佳配比，研究结果有力支撑大坡度盾构掘进的喷涌控制；冯亮等针对中粗砂地层在较高水下条件下盾构易发生喷涌现象，通过室内试验研究提出一种成本较低的膨润土＋聚合物的渣土改良配合比，以达到防治喷涌的目的；茅华以某砂砾、圆砾地层盾构施工为依托，提出设备改造、渣土改良、地表监测、二次注浆等防治方法以避免喷涌发生；朱伟等提出影响喷涌的发生条件及临界条件，并进行四类地层（砂砾土、砂卵漂石、粉质砂土、软质黏土）典型盾构段喷涌可能性分析，验证了喷涌机理的合理性；李振东通过控制盾构掘进参数并进行注浆等技术措施，成功解决了盾构穿越富水砂卵石地层螺旋机喷涌等风险；刘国栋等依托广州地铁盾构隧道工程，提出适用于富水复合地层条件下渣土保压泵送及渣土改良技术，成功攻克了该地层盾构喷涌等难题。

   不难看出，研究者主要从渣土改良和掘进参数两个方面进行了总结，解决了实际工程问题，保证了工程建设安全。

   本文以西安地铁十四号线盾构长距离下穿灞河工程为依托，采用现场试验的方法，针对隧道在全断面砂层下穿灞河过程中发生的喷涌，通过喷涌机理分析，有针对性地提出喷涌控制方法并进行现场试验应用，以期为类似工程提供一定的参考。

２. 工程概况

   西安地铁十四号线某区间盾构隧道全长2319.6ｍ，其间设置盾构始发井一座。盾构机由始发井始发，掘进约600ｍ后下穿灞河河床及河漫滩。盾构下穿段全长660ｍ，平曲线半径650ｍ，竖曲线半径5000ｍ，下穿段呈5.191‰单向上坡，隧顶覆土深度16.2ｍ～18.8ｍ。盾构管片外径为6ｍ，内径为5.4ｍ，单环管片宽度与厚度分别为1.5ｍ与0.3ｍ，强度等级Ｃ50，防水等级Ｐ12，隧道与灞河相对位置见图１。

2.1 工程地质

   盾构区间下穿灞河段地质条件总体特征表现为：隧道上覆地层分别为黄土状土、圆砾、中砂、砂砾、粉质黏土；下部地层主要为中砂及粉质黏土。洞身范围以中砂、粉砂地层为主，并伴有粉质黏土，土质较松散，地下水含量丰富。因此盾构施工中易发生渗漏水、螺旋机喷涌等情况。地层剖面图如图２所示。

2.2 水文地质

   盾构隧道地表水及地下水情况如下：

  1）地表水。

   下穿段地表水为灞河，河断面呈Ｕ型，水面宽度约400ｍ，灞河水深约为2.0～3.1ｍ。 

  2）地下水。

   沿线场地地下水稳定，水位埋深5.7ｍ～15.6ｍ之间，下穿段最大水位埋深为21.4ｍ，地下水属第四系松散层孔隙性潜水。地下水流速Ｖ平均值为0.394ｍ/ｄ。灞河河漫滩地层较复杂，上部存在②－２粉质黏土透镜体，可能存在上层滞水，勘察深度内无承压水。 

  3）渗透系数。

   盾构区间各地层渗透系数建议值如表１所示，下穿段40ｍ深度范围内的综合渗透系数根据地勘资料信息取30ｍ/ｄ。

３. 下穿灞河试验段参数

   尽管西安地铁已有盾构下穿灞河成功施工经验，但其地层主要为砂卵石及淤泥质黏土，盾构掘进及渣土改良等参数并无太大参考价值。因此，为确保盾构顺利下穿灞河，在下穿施工前设置盾构试验段，以确定下穿各项参数，盾构区间试验段地质纵断面图如图3所示。

   根据地勘资料显示，临近下穿段区间洞身范围地层以中砂、粉砂为主，局部伴有粉质黏土，地下水位高度介于15.9ｍ～17.8ｍ之间，水位高度逐渐向河面方向抬升。考虑到该区域工程及水文地质与下穿段基本一致，故盾构区间试验段设置于下穿段开始前的100环范围，即左线296环～396环、右线304环～404环区间。

   通过统计分析施工过程中土仓压力、推力、扭矩、出土量和出渣重量、注浆量和注浆压力、渣土改良添加剂用量、渣温等施工参数，总结出下穿灞河盾构掘进技术参数见表２。

４. 盾构螺旋机喷涌发生及原因分析

   依据试验段总结的施工技术参数，盾构在下穿灞河起始阶段时，掘进较为正常，作业面位置仅有少量地下水渗流入隧道。但盾构在进入下穿段100环左右，螺机出渣口出现严重喷涌现象，出土口水压力及水量大且带动渣土一起喷出，引起盾尾部位的堵塞且清理困难，严重影响施工进度。同时若在灞河底长时间停机进行渣土清理，极易造成河床地层沉降、掌子面土体的失稳，严重时可能引起河水倒灌，将引起巨大的经济损失与恶劣的社会影响，因此必须及时抑制喷涌继续发生。

4.1 螺旋机喷涌机理

   实践表明，当土压平衡盾构处于地下水位高、渗透性大的地层中时，渣土由于具有明显触变性，与水体无法形成固结，易发生喷涌风险。土压平衡盾构喷涌实质是地下水在盾构机内部的渗流问题，可利用渗流原理揭示喷涌发生的规律：在富水砂性地层中，由于砂性地层渗透系数大、止水性差，水体在盾构渣土中将发生渗流产生动水力；当开挖面位置水头较高、动水力大于砂土颗粒有效重度时，土体颗粒处于离散悬浮状态而失去稳定，随水流运动形成空隙，高压力的水体在盾构渣土空隙间进一步形成盾构土仓及螺旋机间的集中渗流；随着水体流量及流速持续增大，渗流水与渣土的运动形成相对速度差，同时大流量的水体到达螺旋排土器出土口位置时水压力并未衰减至较小范围，因此水流到达出土口的瞬间在压力释放作用下带动正常传送的渣土喷涌而出，发生喷涌现象。

4.2 螺旋机喷涌原因分析

   通过对喷涌段地层渣土进行取样分析，并与正常下穿段渣样进行对比，如图４所示。

   由图可知，正常段地层组成中除包含黏聚性差的中砂及粉砂，还含有24％的粉质黏土细颗粒，而喷涌段地层全部为中砂及粉砂，颗粒级配不良。

   进一步，在始发井基坑内制作简易变水头试验装置，分别对相同渣土改良添加剂用量（试验段参数）条件下，地层渗透系数进行测试，结果如表３所示。

   可以看到，当试验段土样改良后，水头高度逐步增加至18ｍ试样未被击穿，此时渗透系数为3.35×10－5ｃｍ；而换做喷涌段土样后水头至16ｍ时渗透系数明显增大，且随着水头继续增大试样被击穿（发生喷涌）。

   通过试验可以看到，试验段的粉质黏土可以充当一定量的渣土改良剂，配合膨润土及泡沫改善渣土的止水性，减小地层渗透系数，避免喷涌的发生。而盾构进入全断面砂层后，由于缺少细颗粒，造成渣土改良剂的不足，喷涌段渣土渗透系数增大，土仓内出现“水土分离”的现象，导致无法形成良好的土塞，同时水头的增加促使带压水体形成集中渗流通路，并随着水体流量的持续增加，造成喷涌。因此，喷涌的根本原因是地层突然变化引起渣土的渗透系数增大。

５. 盾构螺旋机喷涌控制措施

   通过对螺旋机喷涌原因的分析可以看到，喷涌的发生及规模与水压力及流量有密切的联系，而渣土渗透系数大小则对土仓及螺旋机内的水体压力及流量有着最直观的影响。因此，通过优化渣土改良剂配比减小渣土渗透系数，同时降低开挖面水头作为主要手段，辅以盾构掘进参数优化及阻断盾尾水流通路等措施，进而减小螺旋机排土口处水压力及渗流量，控制喷涌的发生。

5.1 渣土改良措施优化

   考虑到喷涌段地层以粒径较大且松散的中砂地层为主，缺少微细颗粒，因此渣土改良目的是确保将土仓内土体调整为一种“流塑性流动状态”。泡沫剂的加入可有效减小砂土的内摩擦角，提高渣土流塑性，同时泡沫填充土颗粒间空隙，能显著提高渣土抗渗性。而膨润土泥浆的掺入能够迅速补充细微颗粒含量，改善渣土级配及和易性，进而提高止水性。因此本次渣土改良仍以泡沫为主，配合使用膨润土泥浆，但参数有所调整，参数选取根据工程经验通过简易试验后在实际施工中再进行调整。 

   1）泡沫剂。泡沫的加入可置换土体天然孔隙中的孔隙水通路进而形成防水基质，因此通过调整注入参数相应增加土仓中泡沫比例，并按照注入管路、注入速率、发泡倍率及原液比例的优先级顺序进行调整。本次改良泡沫剂在原有参数基础上增大泡沫剂注入速率，即提高泡沫剂注入率，提升至15％。改良初期渣土改良效果不明显，因此在持续增加泡沫剂注入的同时，将泡沫剂发泡倍率适当减小，同时提高泡沫剂原液比例至4.5％ 。

   2）膨润土。膨润土泥浆经过膨化后，增大的体积可填充于土的孔隙以改变砂土渗透性，同时可使前方掌子面形成保护泥膜，能起到润滑作用减少机械磨损。因此，在原配合比的基础上，质量比调整为膨润土∶水＝1∶9，膨化时间控制在12ｈ以上，黏度控制在40ｓ。盾构掘进过程中，刀盘中心１号、２号注入口保持注入泡沫，３号～５号注入口注入钠基膨润土。

  经过多次试验后确定渣土改良剂参数如表４所示，此时18ｍ水头高度渗透系数为2.98×10－5ｃｍ，应用于施工中后仅出现轻微喷涌，可进一步通过掘进参数优化。

5.2 盾构掘进参数优化

   通过优化盾构掘进参数对防治喷涌也能起到一定的作用。参数优化应该以防超挖、快通过、避免长时间停机及设备检修为原则，寻找最佳土压平衡点参数，最大限度减少下穿过程中进一步对地层扰动；同时参数的优化能使渣土改良剂与土仓中土体充分混合，提高渣土改良剂性能。

   部分下穿段土仓压力数据如图５所示。

   可以看到在中砂、粉质黏土层中土仓压力在1.3Bar～1.85Bar之间，在进入全断面砂层后，土仓压力小幅增加并维持在1.55Bar～1.75Bar，土压尽管由正常段的1.53Bar增加至1.68Bar，但土压波动范围控制在±0.1Bar内，以减少土压波动对地层扰动造成土体松动范围的增加。

   盾构刀盘转速保持在1.2r/min不变条件下，平均掘进速度由60ｍｍ/min逐渐减小至53ｍｍ/min，通过适当减小掘进速度，以保持土渣平衡点，同时能进一步提高渣土改良剂在土仓中的均匀混合，以提高改良效果（如图6所示）。

   通过分析刀盘推力与扭矩（如图7所示）可以看到，在中砂及粉质黏土层段，刀盘扭矩范围在1250ｋＮ·ｍ～3000ｋＮ · ｍ之间，刀盘推力维持在12000ｋＮ～18000ｋＮ范围。当进入全断面砂层后，刀盘扭矩及刀盘推力均有所增加，其中平均推力由正常段的14015ｋＮ 提高至16470ｋＮ，平均扭矩由2183ｋＮ · ｍ增加至2680ｋＮ·ｍ。

   刀盘扭矩及推力的增加，表明调整后的渣土改良剂未能起到有效的润滑作用，将增加机械磨损，可对渣土改良参数做进一步调整，但考虑到喷涌已得到控制，可不做调整。

   综上所述，通过进一步控制土仓压力波动及减小掘进速度等措施，在减少地层扰动的同时，增加土仓内改良剂的均匀混合，进一步有效控制喷涌的发生。

5.3 降低开挖面水头

   与灞河流域主管部门沟通，对下穿段灞河上游进行橡胶坝泄水作业，降低隧道顶水头2ｍ～2.5ｍ，进一步降低喷涌的风险。

5.4 盾尾水流通路封堵

   在富水地层中掘进时，盾尾间隙被地下水充斥，当进行同步注浆过程中，浆液受到地下水的作用，一部分胶凝材料稀释流失，同时在浆液胶凝过程中会发生一定程度的收缩，导致盾尾无法填充密实，进而导致盾尾与土仓形成水流通路。因此在台车增加二次注浆作业平台，每间隔5环采用双液浆施作止水环，防止盾尾后方地下水汇入土仓。

   止水环注浆浆液质量配比为：水泥∶水＝1∶1，水玻璃∶水＝1∶1，水泥浆∶水玻璃溶液＝1∶1，初凝时间控制在30ｓ以内。注入点位选择为管片3，9点以上位置，以注浆压力控制指标不大于0.5Mpa，过程中根据监控量测数据及洞内管片位移及变形情况调整注浆压力控制指标。

5.5 停机保压

   每次停机前，作好停机保压工作。即向土仓内和盾壳径向孔注入膨润土泥浆，确保停机时的土仓压力保持到自然土压。在停机期间，加强对河道的巡查，同时加强对盾构土仓压力的监测和调整，当土仓压力降低时，及时补充加注泥浆来保持土仓压力。恢复推进前，刀盘转动搅拌后再掘进。

６. 工程效果

   在开挖面水头 18ｍ～21ｍ条件下，盾构下穿灞河全断面砂层过程中出现螺旋机喷涌现象，施工中采取以下措施：

   1）渣土改良剂中泡沫注入率提升至15％、泡沫原液比例为4.5％，膨润土泥浆采用ξ（膨润土∶水）＝ 1∶9，并膨化12ｈ，黏度控制在40s；

   2）盾构掘进中土仓压力、刀盘扭矩、刀盘推力平均值分别增加至1.68Bar，2680ｋＮ·ｍ，16470ｋＮ，同时掘进速度减少至53ｍｍ/min； 

   3）对灞河河水进行泄水，降低开挖面水头；

   4）每5环施作 双液浆止水环；

   5）停机保压。

   通过采取以上五项措施后，下穿施工中完全抑制喷涌现象的发生，并最终顺利完成盾构接收。

７. 结语

   本文以西安地铁十四号线盾构下穿灞河工程为依托，针对下穿施工中盾构螺旋机喷涌现象展开现场试验研究，通过采用多种喷涌控制手段进行现场验证，应用效果良好。具体结论如下：

   1）盾构下穿高水压高渗透性地层前，需设置盾构试验段以确定各项合理参数，但考虑到掘进中地层变化情况，应通过地质资料、渣土分析、地质勘测等手段充分做好地层情况预判。

   2）对于高水压全断面砂层盾构喷涌的控制，采用泡沫剂＋钠基膨润土等常规材料进行渣土改良是可行的，但应重视盾构掘进参数优化、降低开挖面水头、盾尾水流通路封堵及停机保压等辅助措施。 

  3）在盾构喷涌控制中，盾构掘进参数优化应该以防超挖、快通过、避免长时间停机及设备检修为原则，寻找最佳土压平衡点参数，最大限度减少下穿过程中进一步对地层扰动。

   本文紧密联系工程实际，解决生产实践中发生的重大技术问题，研究成果可为今后类似富水全断面砂层防喷涌措施提供参考及借鉴作用。

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