摘要：南京宁和城际TA06贾西站~春江路站盾构区间，盾构穿越地层主要为中风化凝灰岩和安山岩，基岩富含裂隙水，由于地下裂隙水发育盾构土仓内难以实现有效改良，极易产生严重地盾构螺旋机喷涌现象，盾构掘进缓慢，刀盘易结泥饼，渣泥大量喷出、皮带机运渣困难，人工清理时间长、工程进度缓慢，整体经济效益严重降低。因此，对于富水风化岩层盾构施工风险，需从地层条件、水压、掘进参数、渣土改良等方面入手，探寻适应于该地层的综合施工控制技术及相应施工工艺，能有效合理地降低南京城区盾构穿越该地层的施工风险，加快后续工程施工进度，具有重要经济与社会效益。
本文依托于南京宁和城际轨道交通一期土建工程。针对盾构掘进过程中遭遇的富水风化岩特殊困难地层，提出施工中的应对措施。
宁和城际TA06标春-贾宝区间区间隧道长度1281.075m。采用海瑞克复合盾构机施工。左右线线间距为12.00-13.8m；区间纵坡设计为V字坡，最大纵坡23.75‰，最小竖曲线半径R=3000m，隧道拱顶覆土10-17.7m。本文提到的富含地下水丰富段在区间300环-500环范围内，区间穿越地层主要为：③-2b3粉质黏土（软塑）、④-1b1+2粉质黏土（可塑-硬塑）、④-4e1+2卵、砾石夹粉质黏土（中密～密实）、J3l-1全风化安山质凝灰岩、J3l-2强风化安山质凝灰岩、J3l-3中风化安山质凝灰岩、δμ5-2强风化闪长玢岩、δμ5-3中风化闪长玢岩。
富水风化岩层中土压盾构施工过程中，由于地层中含水量大，岩层风化极易出现破碎、疏松等线性，渗透性好，当螺旋输送机密封不好或地下水压较大时极易发生喷涌现象。产生的喷涌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。同时大量泥沙会导致土压平衡遭到破坏，易发地面塌陷、盾构机被淹及隧道坍塌、人员伤亡事故，风险巨大。
施工过程中经由螺旋输送机排除的渣土中的水，在螺旋输送机出口的压力一般为0左右，然后由自重作用落入传送带，当到达螺旋输送机出口的渣土中的水还具有一定压力是，就会发生喷涌，其主要发生在渗透性较大的地层中施工时。喷涌发生的原因是由于压力仓和螺旋输送机内的土体不能完全有效地抵抗开挖面上较高的水压里，从而在螺旋输送机的出口处发生喷泥、喷水的现象、同样在粘性土中，在非正常施工的状态下（如在压力舱发生堵舱的情况下，强行推行），也有可能出现喷涌现象。
1、富水风化岩层防喷涌螺旋机防喷涌机构设计
（1）单螺旋采用双闸门设计
大埋深情况下掘进施工，通过控制双闸门可在一定压力范围内解决喷涌现象，具体操作如下：单螺旋一级闸门开口度控制在 30%-40%，二级闸门不间断开闭操作，尽可能保证螺旋机的连续出渣，保证推进速度。另地层中大粒径卵石含量较高，掘进过程中注意在二级闸门关闭情况下完全打开一级闸门，排放大粒径卵石以防螺旋机卡死。
（2）采用双螺旋结构
双螺旋结构对比单螺旋双闸门在此地层中掘进施工，土体栓塞效用明显，可控喷涌情况土仓压力极限值大幅升高，适应情况更为良好。
2、富水风化岩层防喷涌渣土改良技术
碴土改良的目的是能够降低碴土的内摩擦角，降低刀盘的扭矩，增加碴土的流动性、渗透性，从而达到堵水、减磨、降扭及保压的效果。
在制定渣土改良方案的过程中，需要做好施工现场水文地质勘探工作，需要根据实际沙砾级配，控制好泡沫剂和膨润土的用量。在原材料选择过程中，施工单位要根据设计标准，选择优质的改良剂，在原材料进场以后，需要做好二次检验，保证满足施工现场技术要求。
在进行设备选型控制过程中，需要结合施工情况做好管路试喷工作，保证管道的可行性。在本次项目工程施工过程中，主要采用土压平衡式盾构机，其中刀盘直径为6.28米，并且配有泡沫注入系统和膨润土系统。泡沫系统主要包括多路单独管道，在刀盘对应注入口，并且安装4根搅拌棒，然后一起搅拌渣土，提升渣土的和易性，防止渣土出现离析问题。同时在实际应用过程中，可以有效防止喷涌问题，采取的具体措施主要指在泡沫发生装置安装隔膜泵和铁皮水桶，然后在水桶里注入高分子聚合物和水，然后通过管路进入刀盘，发挥防止喷涌的作用。在螺旋机的下部和上部，主要安装三个主入口，可以根据实际掘进情况，注入不同的改良剂，为了保证实际改良的效果，需要配备相应的保压泵，然后设置保压泵接口，可以有效防止喷涌作用。
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为了控制好渣土改良的效果，在实际改良过程中，需要不断严格原材料进场工序，对进入施工现场的原材料进行严格的检查；控制好膨润土的配比，分析实际的沉淀发酵效果；结合实际的膨化时间，控制好实际的膨化质量；在每环掘进过程中，需要根据施工现场情况，控制好膨润土和泡沫液的数量，根据异常的出土情况，对改良剂的注入率进行及时有效的调整；在实际施工过程中，一旦出现膨润土堵管的情况，施工操作人员要采取有效的措施进行疏通，防止影响到二次开机，产生局部沉降过大的问题。同时根据盾构机实际掘进情况，进行定期的检查，并且做好相应的记录，重点做好管路维护管理工作，防止出现堵塞的情况。在进行出土量控制过程中，需要分析出土的性质，然后根据渣土的出土情况，调整改良剂的注入量，保证工程施工顺利进行。
将室内试验的渣土改良参数应用于盾构施工，通过盾构施工反馈回的渣土改良效果对渣土改良参数进行进一步优化，再调整。通过此盾构施工的渣土改良动态过程得到较好的渣土改良参数。为了验证室内渣土改良试验参数应用于现场时的效果，应对盾构实际开挖效果进行效果评价。根据渣土改良的改良机理及其对盾构推进其他推进参数的影响，归纳出渣土改良的评价指标为以下几点：盾构推力、刀盘扭矩、土仓压力、掘进速度、渣土的坍落度等。查阅相关文献得到对渣土改良状态的评价指标主要通过盾构推力、刀盘扭矩、掘进速度与改良前的比较，在比较中确定渣土改良的效果。但对于一些特殊情况只能采取对渣土取样测定渣土的坍落度以及观察渣土状态的方法对改良效果进行评价。
用钠基膨润土泥浆改良后的土体，渗透系数明显降低，基本满足了施工要求，止水性大幅提商，能有效抑制螺旋输送机内出渣时喷涌现象的发生。改良渣土的和易性与流动性也得到了很大的提高，既保证了渣土的顺利排出，又减少了刀盘的磨损，降低了螺旋输送机回转压为，有利于开挖工作面保持平衡。
3、富水风化岩层防喷涌应急控制措施
盾构机在硬岩地层掘进且有喷涌现象在盾构掘进施工中比较少见的，结合专家意见及自身经验项目部共采取了以下措施：
（1）同步注浆
由于出水量较大，考虑水泥砂浆浆液较稀，同步注浆浆液由砂浆改为厚浆（惰性浆液），加大注浆量，由4.5立方增加到5.5-6立方，同时在厚浆液中加入袋装水泥，每3方浆液加入50kg水泥，以加快砂浆凝固时间。
（2）刀仓内增加WM变频自吸泵
增加渣浆泵系统，在土仓壁上4寸观察口位置续接管路，每台盾构机安装一台价值130万的75KW-WARMAN变频控制离心泥浆泵（每环使用时间在4小时左右）把仓内渣浆抽排到渣土车内，降低土仓内压力，有效的防止螺旋机因仓内压力过高而产生的喷涌。另外为了清理隧道内产生的泥浆共增加8BA气动隔膜泵、11kw离心污水泵、18.5kw潜水泵每条线各一台。
（3）改良推进出渣系统
根据现场施工镜框，在这种地层中进行渣土改良的效果一般不佳，但项目部根据自己摸索的经验依然对仓内渣土进行改良并进行保压推进，实际操作上因仓内压力增加，仓内揭露出的裂隙水补给量有明显减少。
1）配制膨润土浆液，改良土仓内渣土，不同压实密度的膨润土的主要差别在于其土体颗粒间孔隙的大小，当密度大时，单位空间中的土体颗粒及吸附水层所占的体积就大，渗流液体通道就窄。由于膨润土的高吸湿膨胀性和自封闭性，遇水时极度膨胀。其密度越大，膨胀倍数越大，同样的渗流空间留给过流液体的通道就越窄，其渗流系数也就降低了，这样就可以一定程度的防止喷涌。目前使用膨润土数量每环比正常掘进段多出0.3吨。
2）配制高分子材料，高分子添加剂可以把砂颗粒间隙中的自由水挤走，负离子类乳胶添加剂可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，高分子材料每环使用5kg。
（4）加强地表监测力度
请第三方地表沉降监测人员加大监测力度，安排人员随时观察地表沉降数据变化。发现异常及时报警，洞内及时调整注浆方案。
参考文献
[1]宁和城际TA06标相关图纸、国家相关规范规定；
[2]刘大鹏;新型泡沫对土压平衡盾构土体改良作用评价[D];中国地质大学(北京);2012年；
[3]赵全民;软、硬岩条件下土压平衡盾构施工控制要点及对策[J];隧道建设;2005年S1期。
论文作者:栾磊
论文发表刊物:《基层建设》2018年第8期
论文发表时间:2018/5/24
标签：渣土论文; 盾构论文; 过程中论文; 地层论文; 岩层论文; 浆液论文; 螺旋论文; 《基层建设》2018年第8期论文;