摘要：本文基于城市轨道交通工程实例，对中分化灰岩地层中土压平衡式盾构机喷涌控制技术进行了研究。
关键词：城市轨道交通施工；盾构机；喷涌控制技术
1.引言
盾构机掘进过程中，刀盘切削下来的渣土在土仓和螺旋机排土器内部堆积，渣土压力作用于开挖面，以平衡开挖面上的水土压力。由于盾构机在掘进过程中，渣土以塑性流动状态随螺旋机连续排出，故此时盾构机的土压平衡为一个动态平衡状态。若排土口处大量涌水，则难以建立土压平衡，开挖面的稳定性难以保证。
2.技术概述
土压平衡式盾构适用于第四纪软土层、岩层及复合地层的区间隧道施工。掘进施工可采用土压平衡、气压平衡和敞开三种模式。盾构机配备了自动导向系统, 可控制和稳定掘进方向, 具有灵活转向纠偏能力。盾构刀盘结构能满足不同地层的掘进速度要求。盾构配备了同步注浆系统, 对控制隧道周围土体沉陷及建筑物保护非常有利。盾构配备了泡沫及膨润土注入系统, 有利于碴土改良。配备了压缩空气系统, 有利于防止工作面的渗水及控制地表沉降，施工占地少，对环境的影响小。
3.施工实例
徐州市城市轨道交通一号线【彭城广场站～文化宫站盾构区间】土建施工项目盾构工程隧道双线总长为1499.795m，线路最大纵坡为28.137‰，区间隧顶埋深约为16.04m～24.2m。本标段盾构区间采用海瑞克复合盾构机施工，刀盘开挖直径6480mm，刀盘开口率36%，盾构机最大推力42572KN，最大扭矩6228KNm，脱困扭矩7447 KNm，最大工作压力4.5bar。区间管片采用外径∅6200mm，内径∅5500mm，宽度1200mm，厚度350mm的钢筋混凝土管片错缝拼装而成。直线环设计为标准左环、标准右环两种管片型式，为便于管片的管理及满足曲线模拟和施工纠偏的需要，设计了左、右转弯楔形环，通过其与标准左、右环的各种组合来拟合不同的曲线，同时实现错缝拼装。每环管片分块为6块(1个封顶块、2个邻接块、3个标准块)，管片连接采用弯螺栓连接(环缝16根，纵缝12根)，楔形环为双面楔形，楔形量为37.2mm。本区间沿线穿越的主要地层为：⑿/-4-3-2中风化灰岩，⑤/3-4硬塑状粘土，②/6密实粉砂，及部分穿越②/4-3/②/4-4可塑~硬塑状粘土。地面为徐州市交通主动脉淮海东路，区间线路平面线间距为13m～24m。其中⑿/-4-3-2中风化灰岩层岩石强度高达120MPa以上，岩溶发育规律性差，易富水，且具有承压性，基岩裂隙水多。垂直渗透系数为0.3m/d，水平渗透系数为9.3 m/d。盾构机在富水灰岩层施工时，容易引起地表沉降大、隧道喷涌、盾构姿态难控制等问题。针对这些问题，主要的施工技术有：
1）采用土压平衡模式掘进，根据百环经验总结，合理设定盾构机的掘进参数，控制盾构机姿态，控制土压力以稳定开挖面，控制地表沉降，及时的进行同步注浆及二次注浆，加强监测并及时反馈数据，将施工对地层的影响减到最小。在全断面中分化灰岩地层，灰岩强度强度高，螺旋传送机突涌严重。掘进过程土仓顶部压力控制在1.8bar，掘进速度控制在8～15mm/min，刀盘转速1.2～1.5r/min, 刀盘扭矩3.0～4.5MN.m，盾构机推力控制在18000～21000kN，注浆压力2.5～4.0bar，同步注浆量为7m³/环，二次注浆量为2m³/环，每环管片出渣量控制在3斗以内。
2）盾构掘进过程中向土仓内及刀盘面注入泡沫等添加材料, 改善渣土性能, 提高渣土的流动性和止水性, 防止涌水流砂和发生喷涌现象, 并利于螺旋输送机排土。 富水地层中掘进可适量往土仓加入发泡剂，但必须根据实际情况严格控制发泡剂配比及加入量。
如果针对出现喷涌的问题，解决措施如下：
1）关闭出土闸门，关掉螺旋机，在顶部土压不超限的情况下继续往前掘进，待刀盘油压较高，扭矩较大，土仓基本满土后；稍开出土闸门，降低螺旋机出土速率，低速向前掘进，或将出土口改小，使其有良好的密水性，避免喷涌破坏土压平衡。
2）保持匀速连续掘进，严格保持开挖面的水土压力平衡，减少对土体的扰动，减少盾构机停机时间。管片脱出盾尾后及时采用双夜浆进行同步注浆及二次注浆，并并合理控制注浆量及注浆压力。提高盾尾的密封性能，通过采取多道盾尾刷防止泥土从盾尾进入隧道；向盾尾注入油脂，加强盾尾的防水性能，并且每隔五环管片打一道双液浆环箍，防止后方来水。
期刊文章分类查询,尽在期刊图书馆
3）确定合理的盾构掘进参数，加强盾构施工过程控制，将盾构始发100m试掘进，确定盾构掘进参数；通过优化盾构掘进参数，控制好盾构掘进速度和出土量，保持工作面压力稳定，尽量减少对土体的扰动；控制好盾构姿态，避免盾构大幅纠偏、上浮或叩头、后退等现象发生。盾构隧道掘进中应严格控制中线平面位置和高程，其允许偏差均为±50mm。发现偏差应缓慢纠偏,不得猛纠硬调。在曲线地段施工，减少超挖；盾构通过建筑物时，减缓推进速度，及时进行同步注浆（采用水泥水玻璃双叶浆）。加强二次注浆，尽可能的限制工后沉降，保证施工和建筑物的安全。
4)根据监测结果必要时可以通过地面对建筑物地基周围土体进行补偿注浆加固，以确保建筑物安全。
4.喷涌事件原因分析
在富水量大的地层中掘进，渣土喷涌与天然地基的流土破坏现象类似，都是由于渗流力作用引起土体颗粒悬浮和移动，因此可借鉴地基发生渗流破坏的机理分析喷涌发生的原因。假设盾构机刀盘切削下来的土体未添加改良剂。
其中，渗流速度与渣土渗透系数和水力梯度呈线性正相关。
经过以上分析，可以得出喷涌发生的几个理论条件：
1）对未经改良的渣土，当开挖面水压力过大导致水力梯度大于临界水力梯度时，发生喷涌。
2）改良后渣土的孔隙比有所减小，发生渗流的临界水力梯度增加，但不足以抵消开挖面水压力增大的水力梯度，发生喷涌。
3）改良后渣土的黏度不高，渗透系数较大，渗流速度无明显降低，发生喷涌。
5. 现场改良技术
经过分析，解决螺旋机喷涌问题的关键在于改良渣土的渗透性和渣土黏度，改良后的渣土应当具有较小的孔隙比，较低的渗透性，合适的黏度以及较好的流动性。
泡沫中的活性剂分子可吸附在土颗粒表面，并填充到土颗粒间空隙中，并在压力作用下一段时间内稳定存在，起到降低渗透性、高分子聚合物中的高吸水性树脂类聚合物可吸收比自身体积大几百倍的水而不溶于水，填充土颗粒空隙，形成高黏性溶胶，降低渗透性。彭文区间施工中采用“泡沫＋高分子聚合物”添加剂进行渣土改良试验，分别选用市售“合东双”牌泡沫剂和“鑫山盟”牌高吸水性高分子聚合物。
施工现场选择415～430环作为渣土改良试验环。在盾构机自带膨润土罐中放满清水，然后启动搅拌机，按照水量计算好准备投入的高分子聚合物，在搅拌的同时均匀地撒入高分子聚合物，搅拌约20min形成均匀的高分子聚合物溶液。高分子聚合物溶液注入率控制在8%左右，浓度分别设定为0.05%、0.10%、0.15%；泡沫溶液中泡沫原液比例设定为2.50%和3.00%，注入率控制在70%左右。
通过现场试验结果表明，“泡沫＋高分子聚合物”作为渣土改良添加剂对喷涌现象起到了明显的控制效果。说明高分子聚合物显著降低了渣土渗透性，起到了防透水性能。随着高分子聚合物溶液浓度的提高，渣土黏度增加，坍落度减小，刀盘扭矩增大；泡沫能增加渣土流动性，降低刀盘扭矩，但泡沫添加量要合理控制，不宜过多。在正常推进过程中，泡沫原液比例控制在2.50%～3.00%，高分子聚合物原液比例控制在0.10%～0.15%，同时严格控制土仓压力、推进速度、螺旋机转速和出土量。在后续长约200m的高强度富水灰岩地层推进中，喷涌问题得到有效控制，彭文区间顺利实现双线隧道贯通，取得了较好的社会影响力，得到行内外人士的一致好批。
6. 结语
随着地下空间的开发利用，盾构法施工在我国得到了广泛的应用。在我国城市轨道交通建设中，土压平衡盾构机具有丰富的施工技术经验，能够解决各类地层中所遇到的问题。地表沉降、隧道净空收敛、隧道轴线满足规范要求，成形质量和施工工艺得到了业主的肯定。相信在今后的区间隧道施工中，这项技术将会更为广泛的应用。
参考文献
[1] 张凤详，傅德明，杨国祥等.盾构隧道施工手册[M] 北京：人民交通出版社，2005： 306.
[2]曹铭，王文莉.土压平衡盾构机主体部分介绍[J].中国新技术新产品，2011（17）：103-104.
[3]狄晓红;谭顺辉.土压平衡盾构在不同地层中的应用［J］. 隧道建设，2012年02期：
论文作者:赵国智
论文发表刊物:《基层建设》2018年第16期
论文发表时间:2018/7/19
标签：盾构论文; 渣土论文; 管片论文; 聚合物论文; 隧道论文; 高分子论文; 区间论文; 《基层建设》2018年第16期论文;