摘要：盾构施工技术以其智能化、安全、快捷等优点在城市建设地下工程施工中得到广泛的应用。本文结合工程实例，针对工程施工场地地下水丰富的特点，分析了工程盾构施工技术的特点，并对施工时采取的对策进行了详细的介绍，为类似工程施工提供参考借鉴。
关键词：盾构施工；施工技术；对策
0 引言
随着我国国民经济的快速发展及城市建设的不断进步，城市交通轨道建设也取得了巨大的进步。在城市轨道交通建设中，盾构法隧道施工技术，尤其是土压平衡盾构施工技术以其地层适应性广、作业安全、掘进速度快、对环境影响小及工程造价较低等优点得到了广泛的推广应用。基于此，笔者对地下水丰富地层的盾构施工技术进行了详细的介绍。
1 工程背景
1.1 工程概况
某轨道交通工程土建施工区间出段线曲线半径为300m；入段线曲线半径为315m，区间隧道覆土最大厚度34m。纵断面为单向坡，1#竖井至A站纵坡为4‰～2‰。区间出段线采用ZTE6410复合式土压平衡盾构机，入段线采用EPB6450复合式土压平衡盾构机。1#竖井至A站盾构区间，出线段CDK0+61.8～CDK1+25.194，963.394m；入线段RDK0+61.4～RDK1+59.574，998.174m。
1.2 工程地质及水文地质
1.2.1 工程地质
本区间洞身主要穿过残积土、全风化岩、散体状强风化岩及中风化凝灰岩，结构埋深在18～34m之间，施工场地属于山前平原地貌单元。根据本区间岩土工程勘察报告及补勘资料，洞身范围岩体完整程度为极破碎状，浸水易软化崩解，为极软岩。在残积土及风化岩层中，常揭示到有孤石及球状风化核存在，大小在几十厘米至几米。另显示1#～2#竖井之间有三段基岩突起，尤其以RDK0+822.3～RDK0+909.2段表现最为显著。2011年11月地质详勘报告显示单轴抗压强度为124.33MPa，2012年11月地质补勘报告显示岩石单轴抗压强度达到161.2MPa，详见图1。
图1 盾构法区间纵断面图
1.2.2 水文地质
场区有丰富的地表水和地下水。A站—B站车辆段出入场线两次穿越某河流，其水位主要受降雨、地表径流控制及山峰汇水，场地内局部分布有鱼塘、洼地等地表水体。另外场地范围分布有较为发育的基岩裂隙水，基岩裂隙水主要赋存于花岗岩及凝灰岩的风化带上。由于各含水层厚度相对较大，于场地附近地下水连通性较好，受山前地貌影响，水位高差较大，补给充足，承压性强。根据最新水文补勘报告显示抽水试验的结果如下：
（1）1号竖井两侧第一、二组和2号竖井两侧第八、九组抽水稳定时流量较大在61.08～106.6m3/d，渗透系数为7.089～18.35m/d，影响半径范围在20～30m之间。
（2）第四、五、十、十一组抽水稳定时流量适中，在15.89～34.03m3/d，渗透系数多在2.5～3.5m/d之间，影响半径范围在15～25m之间。
（3）在该河流西北侧的第六组抽水稳定时流量小为6.05～9.67m3/d，渗透系数均值为0.805m/d，影响半径小于14.88m。在河流南东侧的第七组抽水稳定时流量大为205.5～507.86m3/d，渗透系数均值为41.84m/d，影响半径均值为56.21m。两侧截然不同的抽水效果是受构造作用影响所致。
（4）残积土厚度较大的第十二、十三组抽水稳定时流量较小，为5.28～16.8m3/d，渗透系数为0.621～1.941m/d，影响半径范围在26.67～27.55m之间。
该区间分段的预测疏干涌水量计算结果如表1：
表1 解析法坑道涌水量计算结果表
坑道涌水量 K/（m/d） M/m H/m r/m R/m Q/（m3/d） CDK0+950-1+100 7.813 24.5 20.800 30 716.40 2479.51 CDK0+700-0+950 2.956 20.8 18.388 30 440.66 1675.33 CDK0+650-0+700 0.805 26.0 19.183 30 229.96 786.09 CDK0+500-0+650 41.840 32.6 19.713 30 1657.85 7810.12 CDK0+300-0+500 10.440 26.6 25.130 30 828.13 6864.54 CDK0+250-0+300 2.827 17.8 24.630 30 430.93 1337.25 CDK0+100-0+250 0.856 15.8 25.630 30 237.13 729.64
2 地下水丰富地层盾构施工技术特点分析
场地范围分布有较为发育的基岩裂隙水，基岩裂隙水主要赋存于花岗岩及凝灰岩的风化带上，由于各含水层厚度相对较大，连通性较好，受山前地貌影响，水位高差较大，补给充足，承压性强，本区间在推进至80环时，出现喷涌现象。地质资料显示，此处为散体状强风化花岗岩，地层较稳定，正常掘进情况下岩体自立性较强，很难出现喷涌。根据盾构喷涌情况分析，碴土基本以碎块状强风化为主，以此推断地层正穿越较发育裂隙地层，其形成喷涌原因主要有以下两点：
（1）地层复杂、掌子面土压改良较困难。由于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，以较大块状的强风岩为主，掌子面塑流化改良难迅速达到要求。水压的较大压力、速度涌进土仓，泡沫剂、澎润土等外加剂完全被稀释，很难达到预期效果，正常的螺旋机取土排土方式已经难以将土体中的水体按照输送水体和土体一起排出盾构机。高压力的水体穿越压力舱和螺旋机形成集中渗流带动块状风化岩一起运动形成喷涌。
（2）承压水压力大，掌子面土压上升快。原本以相同速度输送的土水产生相对运动，水体流量和流速相应的增大。较大流量的渗流水经过压力舱和螺旋排土器后其压力水头没有递减到和零相接近的范围。如若推进时先通过盾构机前盾3寸球阀和人仓2寸球阀放水（先自然放水、后加气放水），来不及可适当打开螺旋机闸门进行放水；水放到一定程度后，加入改良剂，只转刀盘，不推进，待土仓碴土改良完好后，保压至1.5～2.0bar，开始以20mm/min的速度推进，依靠切削土体与改良剂不断良性循环改良碴土。但是只要一推进，水压立刻以较快速度上升，土压自动从3min内从0.8bar上升至1.8bar，碴土根本来不及改良，渗流水在输送至出口的一瞬间，由于前方是临空的隧道内部，处于无压状态，便在忽然增大的压力下带动正常输送的碴土喷涌而出。如果此时关闭闸门，螺旋机处土压值可达到2.0bar。
3 施工时采取的对策
3.1 碴土改良
碴土改良是防止喷涌的关键。向土仓中加入膨润土或发泡剂，改善土仓内土质的和易性，使土体中的颗粒和泥浆成为一个整体，连续从螺旋输送机排出，避免喷涌。碴土改良一般适用于渗透系数多在3.5m/d以下的地层。
（1）通过超前注浆孔环向注入聚氨酯阻止盾体围岩裂隙水向土仓汇聚，降低喷涌发生。
（2）通过管片吊装孔二次注入双液浆进行环向封堵，拦截管片背后水流向土仓汇水降低喷涌发生。
（3）调整掘进参数，合理设置土压，快速通过。
（4）采用螺旋输送机双闸门控制，两道闸门间或第一道闸门前预留保压泵接口，发生喷涌时迅速关闭闸门，必要时采用保压泵排渣。
（5）推进前先通过盾构机前盾3寸球阀和人仓2寸球阀放水（先自然放水、后加气放水），若来不及适当打开螺旋机闸门进行放水。
（6）待土仓压力下降后注入聚合物通过旋转刀盘进行搅拌渣土改良，由于停机时间较久，首环需比设计量多添加，待充分改良建立土压后进行推进出渣。
（7）正常推进时需严格按照设计量连续不断加入聚合物改良渣土，形成良性循环。
3.2 盾构机改造
如遇裂隙较发育地层，渗流水以较高压力到达螺旋机瞬间形成喷涌，碴土根本来不及改良，可进行盾构机改造。铁建重工盾构的螺旋机自身带有双闸门，可在两道闸门距离范围内，开口形成空间，再通过法兰盘与钢管连接，连接处设立一道闸门，钢管直接接到1号台车皮带处，见图2和图3。
①螺旋输送机；②上闸门；③皮带输送机。
图2 盾构机改造示意图
④矩形土仓；⑤增设一道小闸门（法兰连接）；⑥改造钢管。
图3 改造详图
在两道闸门长度范围间增设一道小闸门，门板规格为钢板55/Q345B，再通过法兰盘与钢管连接，钢管为直径150mm厚度6mm的Q235钢材，连接时错开盾构机设备，绕过连接桥。喷涌发生时，水直接通过钢管排往1号台车中部皮带机上，高压水通过钢管的缓冲到达皮带后，压力大大减小，可以正常输送，防止了喷涌的发生。同时推进时需注意：
（1）推进时打开上部闸门和管道闸门进行出渣；
（2）当有较大石头堵住管道或者闸门间沉积较多碎石，圆管无法出渣时，关闭上部闸门和管道闸门，打开下部闸门进行放渣，放完渣后关闭下部闸门，然后重复以上步骤进行推进出渣。
3.3 高分子聚合物改良
以上两种方法仍不能有效解决喷涌问题时，可加入高分子聚合物进行改良，改良过程如下：
（1）待土仓压力下降后注入聚合物通过旋转刀盘搅拌土体，由于停机时间较久，首环需比设计量多添加，待充分改良建立土压后进行推进出渣。①膨润土溶液通过二号台车自带的膨润土系统注入到土仓；②高分子原液通过改进后的2号泡沫管注入到土仓；③根据掘进速度通过控制流量阀的压力来控制高分子原液和膨润土原液的注入率；④每环配比：浓度（146kg膨润土：1000L水+5L高分子：1000L水）；⑤注入率：膨润土溶液10%，高分子溶液5%；⑥每米和每环高分子和膨润土注入量见表2。
表2 高分子和膨润土注入量表
类别 计算过程 注入量 膨润土注入率 - 10% 高分子溶液注入率 - 5% 原液比例 - 0.01% 膨润土浓度 - 14.60% 土仓空隙/m π/4×（6.442）×1m 32.57m3 土仓空隙/环 32.57m3×1.2 39.09m3 高分子注入量/m 32.57m3×5% 1.63m3 高分子注入量/环 1.63m3×1.2 1.96m3 原液使用量/m 1.63m3×0.01 16.30kg 原液使用量/环 1.96m3×0.01 19.60kg 膨润土溶液注入量/m 32.57m3×10% 3.26m3 膨润土溶液注入量/环 39.09m3×5% 1.95m3 膨润土使用量/m 3.26m3×14.6% 475.57kg 膨润土使用量/环 1.95m3×14.6% 285.36kg
（2）正常推进时需严格按照设计量连续不断加入聚合物改良渣土，形成良性循环。
（3）靠近盾尾两环通过注聚氨酯做环箍，起到保护盾尾的作用。
（4）打开盾尾后10环注浆孔进行放水，然后注双液浆做止水环。
（5）通过既有降水井，对隧道沿线进行降水。
（6）若既有降水井无法达到要求，在隧道两侧和中间每隔17m打3个降水井进行降水。
（7）3处刀具检查点和换刀点提前打降水井进行降水。
4 结语
综上所述，随着我国轨道交通建设的发展，盾构施工技术的应用也越来越广泛，对其展开研究，提升盾构施工技术水平，确保工程施工的质量具有十分重要的意义。在应用盾构法施工中，施工人员要针对工程的地质情况，采取有效的对策确保施工的安全、顺利进行，保障工程的施工质量和功能效益。本文利用盾构施工技术在地下水丰富的地层进行了施工，取得了良好的成效，对类似工程施工具有重要的参考价值。
参考文献：
[1]陈馈，冯欢欢.极软弱地层盾构施工关键技术探析[J].建筑机械化.2014（11）
[2]刘辉，杨海林.长株潭城际铁路浅埋高黏性上软下硬不良地层土压平衡盾构施工技术研究[J].隧道建设.2016（02）
论文作者:郑浩
论文发表刊物:《基层建设》2016年20期
论文发表时间:2016/12/7
标签：盾构论文; 闸门论文; 地层论文; 高分子论文; 裂隙论文; 膨润土论文; 区间论文; 《基层建设》2016年20期论文;