土压平衡盾构掘进喷涌处治分析与实践

土压平衡盾构掘进喷涌处治分析与实践

耿宝宝

中铁隧道集团二处有限公司  河北省 三河市 065200

摘要：近年来，我国铁路隧道盾构施工以其安全、高效、适应性广而被普遍采用，而土体压力平衡盾构由于其对地层适应性广、破岩量大等特点，已成为各种复杂地层下盾构施工的首选方案。但是，在富水地区，利用土体压力来进行土体压力均衡开挖时，由于土体含水率高，容易发生喷涌，造成大量的淤泥、水淤积在盾尾，导致隧道运输不能正常进行；同时，大量堆积的淤泥也会引起土体压力的失衡，极易造成地表塌陷、盾构施工积水和隧道塌方，造成人员伤亡等事故，具有很大的危险性。

本文通过对在富水地层中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引流疏渣装置等盾构掘进喷涌预防设备进行了详细的介绍，并与相关工装及设备的使用方法相结合，从而对富水强风化地层土压平衡盾构防喷涌技术展开了总结，从而可以有效地提升螺旋输送机防喷涌控制能力，提升盾构掘进的效率。

关键词：土压平衡；盾构；掘进喷涌

1工程概况

某隧道区间隧道采用土压平衡盾构掘进。该区多为弱风化、中风化岩段，节理、裂缝发育，具有良好的富水性。在传统的全土压巷施工中，由于承压水的作用，在盾构巷道中，微粒在盾构巷道中渗透，微粒在盾构巷道中渗透，并在巷道中形成渗透水流，造成盾构巷道围岩长期滞留，从而使土仓保压方案的选取变得十分复杂。未保持压力，将造成工作面崩塌；而保持压力，就意味着更多的喷涌，让隧道停止运转的时间更长。更大的危险在于，由于土壤和土壤的持续侵蚀，工作面和地面的下陷和崩塌的危险正在增加。喷涌会对储罐在压力下的开启造成很大的危险，如果没有达到开启所需的压力保持值，则会产生大量的压力浆液，对储罐作业造成很大的影响。

2喷涌治理方案

2.1喷涌治理技术

以此为出发点，通过对实际情况的分析，本项目提出了通过渣土改良和优化掘进参数等措施进行喷涌治理，并制定了如下方案：

2.1.1控制来水、降低水压

造成这一现象的主要因素是地下水位过高。3-4个封水环（双流体浆液）向出盾后段的隧道中灌注，以堵住隧道后段的水流，并结合隧道起吊孔开孔排水，以进一步降低隧道后段的水流压力。通过对同时注浆的配方进行优化，提高浆液的粘稠度，缩短浆液的初凝时间，同时加大同时注浆的用量，实施二次加固，保证填土的密实度，并对盾构机周围的水流进行有效的控制，避免出现喷涌现象。二次灌浆是以水泥-水玻璃双浆体（水泥与水玻璃的质量比例为1∶1）为基础，采取小批量、多点、多点、多点的方法，使二次灌浆达到最大的效果，使二次灌浆达到最大的效果，使二次灌浆达到最大的效果。

2.1.2渣土改良

从过去的盾构施工经验以及有关数据来看，渣土中的含量应该在30%~35%之间，这样的话，渣土才会具备足够的不透水性，而且还会有很好的塑性流动性，常见的外加剂包括泡沫剂、膨润土、高分子聚合物等[17]。通过对隧道管线的改进、增加高聚物搅拌槽、调节土槽膨润土的掺入率等措施，改善了隧道内渣土的加固效果。在实际应用中，当BIR=15%,PIR=0.5%时，就可以实现渣水的高效聚合，并产生“泥塞”效应，减少了喷砂的发生。

2.1.3优化掘进参数

对巷道进行了优化设计，以最大限度地减少巷道冒顶。在粘土砾石地层中，因其富水性和透水性较好，且刀盘工作面受到较大水压影响，故不能采用欠压或气压推进。对于具有良好地质条件的粉质粘土和强风化岩地层，应控制土槽压力为90kPa；在深入到含有粘性土卵砂及强风化岩层之后，将土槽的压力升高至110kPa，逐渐地增加盾构机刀盘的平均转速以及油缸的推力，并降低平均掘进速率，从而维持土压平衡，与此同时，还可以让残渣与外加剂在土槽中进行充分的混合，从而达到强化改良的效果。在对全风化岩和含有粘粒的砂石土进行开挖时，应将土槽的压力提高到110-120kPa，以确保开挖面上的土压均衡，防止地下水向土槽中渗透。

2.1.4规范司机操作

如果发生喷涌，要立即关上螺旋式运输机的门，并将螺旋式运输机的速度控制在2-3转/分，并让盾构机继续缓慢推进。待土槽内的压力再一次达到了平衡，再用刀旋转的方式将残渣引入到土塞中，然后再缓慢地开启螺旋运输机的闸门。在开挖过程中，每道门的开启幅度不超过30%，并在开挖过程中保证持续排渣，保持土槽的压力平稳。切忌长期停工，停工期间要做好保压，使槽内的土压力维持在正常水平。在停运过程中，要加大巡视和监控力度，对可能出现的不平衡的土槽进行及时的调节。在继续开挖之前，必须先将刀盘旋转并搅动，然后才能开挖。

2.2数值模拟验证

采用FLAC3D差分程序对该模型进行了计算。仿真时，采用了改变注浆层与管片层物性的方法，对二次加固进行了仿真；通过对开挖面周围土体特性的变化，模拟了残渣的处理过程；通过对掘进过程中前部支撑力的大小、最小网格数、开挖面上各个部位的应力进行了数值仿真，从而实现了对土仓压力、掘进速度等参数的仿真。选取井喷事故发生的第40环为模拟区域，摩尔-库伦本构模型适用于土体，线弹模型适用于隧道段片。

2.3加气排水应用工艺

2.3.1加气排水工艺流程

在盾构法开挖之前，在盾构法开挖的基础上，在开挖过程中，采用了一种新的防渗措施。在灌浆结束后，开启压舱室空气切换节，给压舱室注入高压气体，然后进行开挖。采用由粉煤灰、膨润土和水混合制成的惰性浆液，由盾构机具上的同步灌浆管输送到盾面上，然后在盾面上进行灌浆。在停止灌浆后，惰性浆液的灌浆压力通常为1号土仓的灌浆压力0.2-0.4bar。而惰性浆液的比例则是依据储层的渗透率来调节的，渗透率愈大，则泥浆的含水量愈高。在未完全注满惰性泥浆之前，不能开启增压阀，不然会使泥浆从增压管道中倒流。充气时机要通过实验来决定，并且要严格按照所设定的时机进行充气，不然充气效果达不到巷道的要求。

2.3.2加气排水压力控制

在充气施工期间，对盾构机地面压力传感器进行检测，以获得充气施工时的压力参考值。本项目拟在前期研究的基础上，将1号测压仪的测压值提高0.3-0.5bar作为控制土压力，并对地面沉降进行实时监控，实现对充气量的有效控制，当加气量过大时可以在盾体上方再次加注惰性浆。

2.3.3加气排水掘进控制

在掘进施工过程中，由于盾构周边岩层中注入了惰性浆液，所以在施工初期，必须增大土仓的排量，减小转矩和推力，以加快施工进度。此阶段的传送带应与巷道的参数配合。在正常施工过程中，为了确保施工中的压力，必须调整好施工中的充气压力，从而延长施工中的“液相”回复时间。

结论

以降低水压、改良渣土、控制来水和改进操作等为切入点的喷涌治理方案效果良好。加强同步注浆并二次补强注浆能有效控制来水，遏制地表沉降；膨润土能补充渣土微细颗粒含量，形成良好的颗粒级配，提高渣土的和易性及止水性；高分子聚合物可加速黏土形成土塞效应；优化掘进参数、规范司机操作一定程度上降低了掘进对地层的扰动。这些施工技术高效且成熟，可为相似地层的盾构施工提供案例借鉴和经验参考。

参考文献：

[1]李陶朦.南京长江漫滩区软硬不均地层盾构掘进关键技术[J].建筑机械化,2021,43(05):51-53.

[2]王潇.盾构施工喷涌及地表变形的预警预测方法研究[D].北京交通大学,2020.

[3]丁彦杰.高压富水砂层土压平衡盾构的土体改良技术研究[D].中国矿业大学(北京),2020.

[4]陈铭辉,梁捷.高富水砂性土层中盾构掘进的渣土改良技术实践[J].城市道桥与防洪,2020,No.256(08):241-244+25.