富水砂層地鐵施工的土壓平衡式盾構機噴涌控制技術

劉琦

（中鐵十六局集團地鐵工程有限公司，北京 100000）

土壓平衡盾構機為現階段地鐵施工中掘進技術的主要應用器械，但其穿越富水砂層進行掘進工作時有較大概率出現噴涌現象，造成額外施工現象出現。針對該問題，本文結合某地工程展開分析，借鑒地極滲流破壞機理進行計算模型構建，通過計算機計算結合實際情況分析噴涌狀況產生的關鍵因素，解決問題的同時對未來施工中的對應因素加以控制，實現噴涌控制，避免額外施工。

1 工程分析

1.1 施工地質條件

本文中所分析工程為西安地鐵一號線二期森林公園站至灃東路站區間，此區間內距離灃河最近距離為860m，整體隧道施工要求較高，且其上方為該市市區主干道之一，晝夜車流量較大，施工過程中需要較為嚴格的控制整體隧道質量，以免發生危險。根據隧道施工時的土質分析數據可了解到，該地區土層可分為五類，分別為雜填土、素填土、黏土（粉質黏土）、粉砂（粉細砂）、砂礫卵石。施工過程中，盾構穿越粉砂層與粉細砂層、200環左右為下坡段，頂板埋深10.1～ 17.9m。

1.2 施工過程中的水文地質參數

施工過程中主要接觸的地下水種類為孔隙承壓水，其主要存在于粉砂層、粉細砂層、砂礫卵石層中，符合富水砂層條件，且該工程中接觸此類地層較多。針對含水層進行分析，其承壓含水層為粉質黏土、粉砂層、粉砂護層的統一集合，含水層頂板處存在黏性土，透水性較低但具備透水功能。下坡段施工過程中，承壓水頭高度為8.1～14.8m，標準高度為14.8～17.6m。

2 噴涌問題發生情況及問題分析

2.1 噴涌問題發生情況

該工程于施工條件中已針對實際情況展開分析，將噴涌事件發生情況考慮在施工過程內，采用泡沫加膨潤土漿液的施工方式對渣土進行改良，意在將渣土坍落度控制在16～20cm內，保障施工正常開展。但實際過程中在掘進期間發生的狀況與實際不符，當盾構掘進至140環時，出現噴涌狀況，狀況發生處位于螺旋機閘門位置，噴涌現象間斷發生；后隨掘進深度逐漸增加，埋深逐漸提升，噴涌現象亦隨之更為嚴重。針對此類情況，施工過程中采取控制掘進速度、增加泡沫注入量、提升膨潤土漿液黏度、減少漿液注入量、控制出土量的措施加以控制，情況有所好轉。但隨后過程中，隨掘進深度再次深入，噴涌現象再次加重。事實證明，此工程中利用泡沫、膨潤土漿液的問題解決措施雖暫時有效，但隨掘進深度增加，所需控制手段需求增加幅度較大，且保障時間將會逐漸縮短，若強行開展工程，不僅消耗資源較大，造成額外支出，更可能存在安全隱患。因此，圍繞實際施工狀況暫時停止掘進，并分析問題成因，意在尋找對策，盡快繼續施工，保障工程符合預期時間。

2.2 問題分析

根據盾構機土壓平衡原理進行分析，其掘進過程中主要依靠刀盤切削渣土進行推進，機械前進過程中刀盤渣土不斷填充、堆積至土倉與螺旋排土器內部，隨后渣土壓力作用于開挖面，水土壓力與開挖面平衡，實現逐漸推進。問題便發生于此。當掘進工程開展后，盾構機掘進產生的渣土為塑性流動狀態，且流動狀態下隨著螺旋機排出，土壓結構在排出過程中發生轉變，由原有模式下于開挖面上的平衡形態轉變為動態平衡，而動態平衡的維持需要依靠排土口處的渣土出渣速率，此速率較為難以控制，控制過程中一旦出現問題，則使動態平衡被打破，穩定性存在問題，使掘進速度受影響，且力分布不平均，易導致富水砂層出現流土破壞，進而導致噴涌。

除上述問題以外，富水砂層出現噴涌現象的原因亦與其特點有關，雖此方面問題導致的噴涌原因出現與實際無關，但無論如何，此類原因皆造成噴涌現象出現，還需結合實際進行分析，尋找問題產生的原因。富水砂層中的滲流力作用為實際過程中的重要因素之一，此類問題的成因可以以舉例方式分析。將其與地基發生滲流破壞的原因作類比。二者發生問題的成因皆為滲流力作用所引發的土體顆粒懸浮、移動，進而出現受力不均，導致噴涌現象的出現。

3 問題解決過程及對策分析、有效性驗證

3.1 問題參數分析

若想解決問題，首先需結合實際進行問題發生因素確定，隨后根據因素發生原因進行實際施工過程中的規避。為保證施工進度，結合實際情況展開分析，利用計算機軟件計算，可設置問題分析步驟如下：

首先為參數分析與錄入。若原有模式下工程施工中未使用防噴涌措施，則實際施工狀態參數與原有模式參數相符，將其輸入軟件中，建立計算模型，隨后需要輸入的參數為斷面滲流速度（平均值）、土體滲流系數、水力梯度、開挖面及螺旋機排土口的水頭高度、滲流路徑長度。除此以外，土顆粒所造成的滲流作用力亦為實際過程中的重點參數。其次為得出數據分析。利用軟件進行計算后，可發現當水頭差減少、滲透路徑變長后，土體穩定參數增加、噴涌強度降低；當土體孔隙比降低，粉細砂排出數量較少，噴涌現象得到控制；當盾構挺進過程中的刀盤壓力降低、土體攪拌均勻，開挖面水頭高度較低、噴涌現象可出現改善。因此，可確定對應情況下的、未加入泡沫、膨潤土處理時的影響因素。

結合實際分析，本次工程初始掘進階段中所使用的噴涌防控手段為泡沫、膨潤土漿液。此過程中使用上述兩類物質的作用在于減小孔隙比，增加黏度，使滲流水經過砂性土時能夠因較大的黏滯阻力降低噴涌現象出現概率、減小出現后的噴涌效果影響。事實亦證明，此類手段有效，但實際過程中隨施工開展，此類問題發生概率逐漸增大。獲取此模式下的參數錄入計算機，可發現此類條件下的噴涌發生因素與上文較為類似，主要集中于卡瓦面水壓力、臨界水力梯度、渣土孔隙比、渣土黏度。

3.2 問題解決對策

問題解決對策主要以改良渣土滲透性、增加渣土黏度、提升渣土流動性展開。實際對策以改良施工措施中的材料應用展開。就上文所得數據，此類控制手段中的使用材料應滿足降低滲透性、提升流動性、減小摩擦角的條件，且自身可吸收水、不溶于水。針對此類特征，將泡沫、高分子聚合物（吸水樹脂型）作為改良試驗中的具體使用材料。

3.3 施工過程中的有效性試驗

為確認措施切實有效，實際施工過程中進行預試驗。為保障實驗效果能夠明確且有效地出現，防止因措施無效導致的施工問題，有效性試驗選擇182環、191環作為實驗環。實驗過程中，將攪拌機啟動，向內部投入根據實際水量計算后的對應高分子聚合物，攪拌20min。溶液控制率為8%?，F場情況中的對應測試數據為螺旋機排土口處渣土側坍落度、排土口噴涌狀況，將推力、刀盤扭矩作為對應測試參數。經實際數據證明（圖1），此類措施能夠有效地降低渣土滲透性，起防水性能的同時，隨高分子聚合物溶液濃度提升實現噴涌現象的控制。但就實際數據展開分析，實際控制過程中亦需注意泡沫的添加量，若添加較多，仍會出現噴涌風險。

圖1

4 結語

經實際情況分析可發現，現階段施工過程中出現的富水砂層噴涌現象主要與渣土黏度、坍落度等相關數據有關，實際過程中應針對此類因素，結合實際狀況進行措施制定，并于測試實際情況后進行分析，保障工程開展穩定，有效地解決噴涌現象帶來的問題。此類施工過程中需注意兩點，首先為對應材料的使用量，應根據實際選擇適合用量，確定最大值，避免問題出現，其次為結合實際展開，上文所述的高分子聚合物混合泡沫僅為解決措施中的一種，實際過程中還可進行多次嘗試，選擇最為適合的種類展開分析與研究。