土壓平衡盾構加氣排水防噴涌技術研究

魏文義

（中鐵二十一局集團軌道交通工程有限公司 山東濟南 250000）

1 引言

針對地下水豐富、節(jié)理裂隙發(fā)育、埋深大、滲透系數(shù)大和氣密性差的復合地層，尤其是砂層、粉細砂層、砂卵石地層以及其組成的復合地層，采用常規(guī)的土壓平衡盾構掘進方法，掘進參數(shù)不易控制，如刀盤扭矩、推進速度變化較大，盾構負荷大，刀盤刀具磨損快等。此時土壓平衡盾構掘進經(jīng)常引起噴涌，以致盾構施工處于“掘進—噴涌—清渣—管片安裝”的低效率惡性循環(huán)中［1－2］，最終導致地層細顆粒流失、局部出現(xiàn)空腔，甚至地表出現(xiàn)塌陷。

國內(nèi)外對于盾構掘進施工防噴涌技術主要聚焦于渣土的改良。國外對于渣土改良的研究多集中于砂土和黏性土，以改良劑的開發(fā)研究為主；國內(nèi)的渣土改良研究大多針對砂土、黏性土、黃土和復合土層的渣土。郭彩霞等［3］和汪國鋒［4］在北京地鐵盾構隧道工程中進行了單加膨潤土和雙摻膨潤土、泡沫改良砂卵石渣土的試驗和工程應用研究。賀少輝［5］研究了砂卵石地層在高水壓條件下盾構掘進噴涌控制技術。朱偉等［6］針對土壓平衡盾構噴涌發(fā)生機理進行了研究。李昌等［7］通過分析噴涌原因研究了通過富水砂層的土壓平衡盾構機噴涌控制技術。馮強［8］利用土艙壁觀察孔注入漿液稀釋水體控制噴涌。

根據(jù)前期調(diào)研結果，蘭州地鐵盾構區(qū)間掘進發(fā)生噴涌的可能性較大。2013年6月蘭州地鐵1號線試驗段盾構區(qū)間開始掘進，區(qū)間穿越地層主要為第四系下更新統(tǒng)卵石層，卵石粒徑大（有大于500 mm粒徑存在）。地下水主要賦存于卵石層中，屬蘭州斷陷盆地松散巖類孔隙性潛水，水位埋深10.9～12.7 m。盾構掘進埋深超過14 m后，采用常規(guī)土壓掘進模式出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，埋深增大噴涌加劇。

為解決噴涌問題，在調(diào)研國內(nèi)外土壓平衡盾構防噴涌措施的基礎上，中鐵二十一局集團成立了《富水大粒徑砂卵石地層土壓平衡盾構掘進關鍵技術研究》科研項目，著重分析了“加氣排水”防噴涌技術。研究成果對盾構施工有重要意義，具有較高的推廣價值。

2 模型構建及噴涌發(fā)生機理

砂層、粉細砂層、砂卵石地層以及其組成的復合地層中，盾構機噴涌與天然地基的流土破壞機理類似，都是由于滲流力作用引起土體顆粒懸浮和移動［9］，因此可借鑒地基發(fā)生滲流破壞的機理來分析噴涌發(fā)生的原因。

2.1 土壓平衡盾構艙內(nèi)壓力傳遞模型

假設盾構掘進采用欠壓掘進，盾體周邊無明顯裂隙水大流量補給，盾構機內(nèi)的滲流水體符合達西定理，模型如圖1所示。其中，H1為原始地層水頭高度；H2為開挖面附近水頭高度；H3為螺旋排土器出口測壓水頭。

圖1 水體輸送模型

在原始地層、壓力艙和排土器各取一微小斷面，單位時間內(nèi)通過這三個微斷面的滲流量分別設為Q1、Q2和Q3。

經(jīng)過原始地層斷面Ⅰ的地下水流量為：

式中，K1為原始地層的滲透系數(shù)；dh為水頭通過微斷面的水頭損失；dx為微斷面的長度；A1為掘進期間可能的影響面積。

同理，經(jīng)過斷面Ⅱ的地下水流量為：

式中，K2為切削后渣土的滲透系數(shù)；A2為壓力艙截面面積。

經(jīng)過斷面Ⅲ的地下水流量為：

式中，A3為螺旋排土器截面面積；θ為螺旋排土器與水平面的夾角。

在掘進影響區(qū)邊界處，水頭高度為H1，即x＝0處，則：

在開挖面處，水頭高度為H2，即x＝L1處，則：

在螺旋排土器出口，水頭高度為H3，即x＝L1＋L2＋L3cos θ處，則：

由式（1）與式（4）可得到開挖面的水頭表達式：

由式（2）與式（5）可得到開挖面的水頭表達式：

由式（3）與式（6）可得到開挖面的水頭表達式：

在正常欠壓掘進狀態(tài)下，由式（7）、式（8）可以得出壓力艙頂壓力水頭H2和水流量Q之間的關系式：

假定某一時間點地層滲流不影響艙內(nèi)滲流，根據(jù)流量守恒原則，流經(jīng)斷面Ⅱ和斷面Ⅲ的水體流量相等，即Q2＝Q3＝Q。由式（8）、式（9）可以得出螺旋排土器出口處的壓力水頭H3和水流量Q之間的關系式：

2.2 噴涌機理

由建立的水壓變化模型式（11）可以得出判斷：H3與螺旋排土器出口高度相等時不會出現(xiàn)噴涌；H3大于螺旋排土器出口高度時，可能出現(xiàn)出土速率不可控、輕微噴涌甚至劇烈噴涌現(xiàn)象；壓力艙頂壓力水頭H2越大，H3越大；切削后的渣土滲透系數(shù)K2越大，H3越大；流水量Q越大表象為噴涌加劇，但隨流水量Q加大H3逐漸減小。

由式（1）、式（10）可以得出判斷：原始地層滲透系數(shù)K1、切削后的渣土滲透系數(shù)K2越大，H2越大；原始地層滲透系數(shù)K1越大，原始地層流水量Q1越大，可能造成的噴涌總流量越大。

3 加氣排水防噴涌機理和應用

3.1 加氣排水機理

（1）流水總量與噴涌的關系

根據(jù)噴涌機理分析，噴涌趨勢取決于H3螺旋出土口水頭高度，H3隨切削面水頭高度H2增大而增大，H2通常表現(xiàn)為土艙1號土壓傳感器土壓。假定地層補給水為零，由式（11）可以得出結論，盾構機出現(xiàn)短時間噴涌后H3與螺旋排土器高度逐漸趨于相等，停止噴涌。

假定掘進時間為 Δt，由式（1）、式（2）可知噴涌總流量為：

由式（12）可知：如果可以實現(xiàn)控制土艙內(nèi)流水總量，即便出現(xiàn)短時間噴涌，但總體依然可以達到控制噴涌的目的。

（2）地層相態(tài)與盾構掘進狀態(tài)的關系

通常將盾構機周邊的地層看成“固相”和“液相”的組合體，盾構機壓力艙內(nèi)的渣土看成“固相”、“液相”和“氣相”的組合體。如果壓力艙內(nèi)渣土含水率超過18%，則噴涌幾率升高；渣土含水率低于12%，渣土流動性變差。在富水地層中，如果用渣土孔隙中賦存大量的空氣或泡沫代替水，那么既可以保證渣土的流動性，又可以降低噴涌風險［10－11］。

（3）加氣排水控制地層流水量機理

通常情況下，若“固相”中存在間隙，“氣相”和“液相”會馬上進入，“氣相”壓力足夠時可以逼退“液相”進而占據(jù)間隙空間［12］。雖然氣相流動速度快，但“氣相”占據(jù)空間后即便被“液相”逼退也會存在一定時間，其逼退速率與地層的滲透系數(shù)成正比。

根據(jù)以上論據(jù)，可以考慮在盾構停機階段首先從盾體上方加注惰性漿，填充掘進時出現(xiàn)的空腔以及降低盾構周邊土滲透系數(shù)，然后在壓力艙內(nèi)注入高壓氣體逼退壓力艙內(nèi)以及盾體周邊一定范圍內(nèi)的地下水，保證“液相”恢復時間大于掘進時間即可實現(xiàn)防噴涌效果。

3.2 加氣排水應用工藝

3.2.1 加氣排水工藝流程

圖2為土壓平衡盾構“加氣排水”掘進施工工藝。具體為：盾構施工前，首先保持停機狀態(tài)，對盾構上方土體加注惰性漿以加固土體，減小土體的滲透系數(shù)；注漿完成后打開壓力艙空氣轉(zhuǎn)換接頭向艙內(nèi)加注高壓空氣后開始掘進施工。惰性漿一般由細砂、膨潤土、粉煤灰、水拌和而成，通過盾構機自帶同步注漿管路轉(zhuǎn)換至中盾接口，在中盾頂部加注。惰性漿注漿壓力一般比停機后土艙1號傳感器壓力提高0.2～0.4 bar。惰性漿配比根據(jù)地層滲透系數(shù)調(diào)整黏粒含量，地層滲透系數(shù)越大，黏粒含量越高。惰性漿注入完成后方可打開加氣閥門，否則漿液會從加氣管路回流。加氣時間必須經(jīng)試驗確定，并嚴格按規(guī)定時間加氣，否則加氣效果不能滿足掘進要求。

圖2 土壓平衡盾構加氣排水掘進施工流程

3.2.2 加氣排水壓力控制

加氣過程中通過測試盾構機土壓傳感器變化來確定壓力基準。通過大量試驗，基于1號土壓傳感器壓力觀測值增加0.3～0.5 bar設定為控制土壓，同時監(jiān)測地表沉降變形，以控制加氣量，當加氣量過大時可以在盾體上方再次加注惰性漿。

3.2.3 加氣排水掘進控制

恢復掘進階段，因盾體周圍地層加注惰性漿的作用，掘進開始階段土艙內(nèi)需要加大排量降低扭矩、推力，提高掘進速度。這一階段要設置皮帶傳輸與掘進參數(shù)相匹配。進入正常掘進階段后需要調(diào)配好泡沫注入量以保證掘進艙壓，利用掘進艙壓來增加“液相”恢復時間。

3.2.4 加氣排水模式優(yōu)點分析

（1）環(huán)保。國內(nèi)外大多防噴涌技術通過采用加注高分子聚合物改變粘度從而降低土體滲透系數(shù)，選用合適比列的聚合物可以達到防噴涌的效果。但高分子聚合物的使用必然會對周邊土體造成一定程度的水環(huán)境影響，而加氣排水采用的惰性漿配比中的水、細砂、膨潤土、粉煤灰，對水環(huán)境影響很小。

（2）穩(wěn)定性好。采用渣土降低滲透系數(shù)的防噴涌模式必然存在改良效果不穩(wěn)定的問題，從而導致防噴涌效果不理想。加氣排水模式只要選定加注惰性漿參數(shù)，選定加氣壓力、時間、排氣量，嚴格按操作規(guī)程執(zhí)行就可以得到穩(wěn)定的防噴涌效果，周邊環(huán)境及地下水對本工法干擾很小。

（3）降低刀盤刀具磨損。噴涌必然造成渣土細顆粒流失，采用加氣排水模式補充了渣土的細顆粒含量，從而降低了渣土對刀盤、刀具的磨損。

（4）保證同步注漿效果。注入惰性漿必然形成一個包圍盾體的惰性漿環(huán)，惰性漿環(huán)的存在可有效阻擋盾尾同步注漿向刀盤方向的流失，從而保證了注漿效果。

（5）提高掘進效率明顯。加氣排水作業(yè)時間均在盾構掘進完成后實施，對掘進總用時影響很小，并且由于控制了噴涌的發(fā)生，節(jié)約了大量由于噴涌造成的清渣時間，施工效率明顯提高。

（6）成本低廉。加氣排水模式下額外投入費用主要是惰性漿材料成本、空壓機運轉(zhuǎn)電費、設備折舊等，節(jié)約了大量投入。

（7）操作簡單。加氣排水模式主要操作是盾體上方加注惰性漿、打開轉(zhuǎn)換閥門向壓力艙注入空氣，操作比較簡單。

4 加氣排水掘進方法風險分析

采用土壓平衡盾構“加氣排水”掘進施工時，地層會出現(xiàn)“固相”和“液相”的組合體與“固相”、“液相”和“氣相”的組合體轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中有可能會造成地層局部區(qū)域細顆粒流失。圖3為“加氣排水”掘進完成后的地質(zhì)雷達掃描圖像。可以看出“加氣排水”掘進完成后，上覆地層出現(xiàn)疏松、空腔等缺陷，此時采用同步注漿、盾體上方加注惰性漿不能消除該缺陷。

圖3 “加氣排水”掘進完成后地層地質(zhì)雷達掃描圖像

為消除地層疏松、空腔等缺陷對盾構區(qū)間上方地表產(chǎn)生影響，采用地質(zhì)雷達對盾構區(qū)間區(qū)域進行掃描，對缺陷區(qū)域?qū)嵤┤斯ぬ娇祝_認缺陷位置后采用地表注漿或洞內(nèi)徑向注漿加固地層，最后再次采用雷達掃描驗證注漿效果。

5 結論

本文依托蘭州地鐵1號線、2號線土壓平衡盾構施工項目，通過分析土壓平衡盾構艙內(nèi)壓力傳遞理論和加氣排水防噴涌機理，提出了土壓平衡盾構“加氣排水”掘進施工方法。應用土壓控制和掘進艙壓控制實現(xiàn)了“加氣排水”掘進的過程控制；應用地質(zhì)雷達掃描和注漿加固技術解決了地層疏松、空腔等缺陷。

土壓平衡盾構“加氣排水”掘進施工防噴涌技術擴展應用于成都地鐵5號線、6號線。經(jīng)工程實踐驗證，該施工技術有效、施工方法成熟，豐富了土壓平衡盾構掘進防噴涌技術。實際使用過程中需根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)確定加注惰性漿配比、注入空氣氣壓和掘進參數(shù)。