摘要：土压平衡盾构施工过程中，遇到高水头、强透水层时，易出现喷涌现象，致使无法出渣及合理控制土压力，导致盾构无法施工。本文通过对螺旋喷涌机理的分析，探讨了土压平衡盾构在含水地层如何解决喷涌问题。并通过实际工程案例介绍应对措施，为如何克服及避免螺旋喷涌提供了理论依据。
关键词：土压平衡盾构；高水压；螺旋喷涌
随着地下空间的不断发展，土压平衡盾构施工技术以其占地面积小、安全性高、施工速度快、对环境影响小等特点被广泛应用于隧道施工。但当隧道施工遇到地层中含水量大、渗水系数大、地下水压大的地层时，易发生大量地下水带动开挖面及压力舱内土体一起从螺旋涌出，发生所谓的喷涌现象，这一现象的发生往往会造成开挖面支护压力失控，使盾构机无法掘进。本文将根据南京莫愁变110kV施工情况讨论土压平衡盾构如何解决土压平衡盾构机螺旋喷涌问题。
1.工程概况
220kV莫愁变～宁海路变电缆线路工程，位于南京鼓楼区，隧道先后下穿秦淮河、石头城公园、明城墙、国防园、虎踞路、清凉山公园后，交于虎踞关路，盾构隧道全长1284m。施工地质情况复杂：依次穿越软土层、夹砂交互层土、风化岩层，采用深层穿越方案，同时由于施工场地狭长，确定采用土压平衡盾构进行施工。
本工程掘进线路基岩裂隙水主要赋存于强风化岩层的风化裂隙和中等风化岩层的构造裂隙中，在降雨后岩体地下水向四周排泄，在山坡出溢。盾构段线路穿越区地形东高西低，地下水总体上向秦淮河排泄。正常情况下隧洞洞顶水压力值约11～27m。
由于该工程基岩裂隙水来源多方向，水量大，在盾构施工时易发生螺旋喷涌现象。所以如何预防喷涌，保证盾构正常施工，成为本工程的主要攻克目标。
2.土压平衡盾构螺旋喷涌机理、分析及解决方法
2.1土压平衡盾构施工原理
土压平衡：由刀盘切削下来的土体进入土舱，经泡沫、膨润土等改良剂改良，通过搅拌棒搅拌形成流塑态土体。流塑态土体充满密封土舱和螺旋输送机。开挖面处地下水压力与开挖面处的土压力，通过调节螺旋输送机调节渣土排除土仓的量及速度，保持土仓内的土压力平衡，从而保证开挖面稳定，防止地面下沉，如下图所示。
2.2土压平衡盾构螺旋喷涌机理
土压平衡盾构掘进时，采用螺旋输送机来调整出土的速度和出土量，使进土与出土保持动态平衡，确保盾构掘进过程中开挖面的稳定。若开挖面上水压力过高，加之开挖下来的渣土本身不具有止水性，高压力的水将穿越土仓和螺旋输送器形成集中荷载，造成土仓内和螺旋机后闸门口的压力增高，刀盘扭矩增大，掘进速度减慢，当闸门打开时发生喷涌，土仓内压力减小，当关上闸门，地层中的水又很快会充满土仓内，土仓内的土压力又迅速上升之后，打开螺旋输送机后泥水喷出，导致盾构无法正常掘进［1］。
2.3土压平衡盾构螺旋喷涌分析
盾构正常施工时，渣土从土仓到螺旋输送机出口，几个压力之间的关系如下所示：
土仓压力P=掌子面土压Pt+掌子面水压Ps
土仓压力P=螺旋输送机压降ΔP+螺旋输送机出口压力P0
从上式得知：土压平衡为螺旋输送机对渣土产生的压降及螺旋输送机出口的压力和等于土仓所需的平衡压力。相反，当开挖面的水压较大，而且地层渗水系数较大时，则可能从地层中向土仓内进入过多的地下水，从而使渣土过稀，流动性过大，使螺旋输送机内渣土的压降ΔP很小，无法保持土仓压力，掌子面失稳从而发生喷涌。
2.4土压平衡盾构螺旋喷涌解决方法
通过土压平衡盾构螺旋喷涌分析可知，在掘进地层水压较大时，如何建立土压平衡成为盾构施工的关键，建立土压平衡的关键要素主要由压降ΔP和P0组成，一般螺旋输送机出土压力P0应为0，所以保证土压平衡压力P就需从增大压降ΔP着手。
1）减小螺旋螺距，增加渣土经螺旋输送机的长度，以增大压降ΔP。
2）保证土塞效应：把螺旋输送机的螺旋叶片分成前后不连续的两段，或者采用独立的两段螺旋输送机，利用两段螺旋之间的空腔和不同的螺旋转速来形成土塞效应，从而增大ΔP。正常情况下两段螺旋输送机转速相同，满足正常出渣。当土仓压力过大或渣土偏稀而发生喷涌时，通过调节两段螺旋输送机的转速，使得前端的螺旋输送机转速大于尾端，使渣土在两段螺旋输送机间积聚形成土塞，从而防止螺旋喷涌的产生。
论文作者:李德洋,刁春仁,周政,赖江荣
论文发表刊物:《基层建设》2017年第31期
论文发表时间:2018/1/23
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