摘要：盾构法隧道施工过程中，地质条件变化多端，当不良地质出现时，对隧道掘进施工的安全、质量、进度会造成较大影响。本文以广东省穗莞深城际铁路大直径盾构隧道为背景，针对在不良地质掘进施工过程中遇到的掘进困难，尤其是掘进温度过高及喷涌问题进行了分析，并提出相应的处理措施，以供类似盾构隧道施工进行参考。
关键词：城际铁路；盾构隧道；掘进；温度控制；喷涌防治
1 前言
本文以广东省穗莞深城际轨道交通大直径土压平衡盾构机通过上软下硬地质及含粘土较高的软土层时盾构机主驱动电机温度过高及喷涌情况为例，总结了掘进过程中温度过高及喷涌的原因及后续的处理方法，虽有一定的局限性，但为后续的盾构施工提供一些帮助。
2 工程及盾构机简介
穗莞深城际轨道交通盾构隧道区间段由大里程至小里程方向掘进，采用两台Φ8810mm土压平衡盾构机施工，左线长2893.084m，右线长2894.2m，管片外径8500mm，内径7700mm，环宽1600mm。盾构机刀盘掘削直径为8860mm，刀盘配有软土刮刀及硬岩滚刀安装刀箱，可根据地质情况的变化进行更换，土仓最大压力1.0Mpa，刀盘转速0.63～1.85r/min，刀盘扭矩8855～15267KN•m，刀盘驱动采用13台132KW电机驱动，最大推进力75000KN，总装机功率2360KW；区间地质主要为花岗岩全风化层，部分地质为花岗岩强风化层、花岗岩中风化层、粉质黏土层。
3 隧道掘进温度过高及喷涌的危害
土压平衡盾构机在掘进过程中，若掘进温度持续较高，刀盘与主驱动之间的密封圈容易因高温融化润滑油而导致密封破损，致使土仓中的泥砂等侵入刀盘密封圈，情况严重的话土仓内过高的温度会缩短刀盘主轴承的寿命，加速主轴承的损坏，严重影响施工安全、进度；且盾构机大部分机械设备高温作业，缩短其使用寿命；在隧道内的施工作业人员亦因高温而容易损害健康。
而掘进过程中的喷涌问题也会产生较为严重和直接的后果：（1）喷涌的发生导致土仓内压力变化较大，造成对土体的扰动而最终影响地面沉隆；（2）大量喷涌的淤泥掉落在隧道内对管片拼装造成极大困难，每环管片需将喷涌淤泥全部清理干净后方能进行拼装，保证管片拼装质量；（3）喷涌淤泥含有土仓内大量废气与水分，对盾构机设备防锈及施工人员健康造成一定的影响。
4 盾构机在不良地质掘进时温度过高及喷涌原因分析
4.1盾构机在不良地质掘进时温度过高原因分析
Φ8810mm土压平衡盾构机在上部为花岗岩全风化层，下部为花岗岩强风化、中风化层的地质中掘进时，刀盘整体受力情况不均，刀盘下部明显扭矩更大，而刀盘整体进尺速度不一，导致整体掘进速度较慢，为保护刀盘不发生形变而必须增大刀盘扭矩，增大进尺小的区域的千斤顶的压力，刀盘主驱动电机在固定扭矩的情况下单位时间发热量是固定的，随着掘进时间的增加导致发热量大大增加。
Φ8810mm土压平衡盾构机在黏土占比较高的地质中掘进时，土仓中的渣土粘性较高，容易附着在刀盘上，尤其是刀盘开口处与中心刀位置，刀盘和开挖面土体之间产生很多的摩擦力，相互摩擦产生大量的热量，刀盘温度不断升高，使刀盘和土仓内的土体不断地被烧结固化，极易使刀盘结“泥饼”，盾构机就像在和面粉一样，造成“死机”。
在土压平衡盾构机日常掘进过程中，盾构机掘进参数设置不当也会对盾构机掘进姿态、整体掘进时间造成较大的影响。如土仓压力设置过大、总推力较大时，为维持稳定的掘进进尺，需增大主驱动电机的使用功率，增大刀盘扭矩；如盾构机周身下部土体摩擦系数较小，致使盾构机在掘进时，回转角变化较快，为避免超过回转角限定范围，需频繁反复地正转反转刀盘。
4.2盾构机喷涌原因分析
广东省属于东亚季风区，从北向南分别为中亚热带、南亚热带和热带气候，是中国光、热和水资源最丰富的地区之一。穗莞深城际铁路所在区域降水充沛，年平均降水量在1300至2500毫米之间，隧道所在区域地面河流湖泊星罗棋布，地下水资源亦非常丰富，分为孔隙潜水和基岩裂隙水，在隧道掘进施工中，线路经过地下水丰富区域较为频繁，因此喷涌情况时有发生。
5 温度过高及喷涌的处理措施
5.1温度过高时的处理措施
（1）适当增加泡沫剂的浓度、注入量及发泡率
这样可使掌子面的土体略为容易地被刀具切削，并降低渣土在土仓中的摩擦系数，减少
渣土摩擦产生的热量。
（2）增加膨润土溶液的使用量
膨润土是以蒙脱石为主要矿物成分的非金属矿产，在隧道掘进温度过高时，可选用蒙脱
石含量更高的钠基膨润土，通过增加膨润土溶液使用量，配合泡沫溶液，对土仓内的渣土进行改良起到非常积极有效的作用。
（3）使用分解剂缓解结泥饼的情况
盾构机刀盘泥饼形成后，刀盘扭矩和盾构机掘进推力迅速增大，刀盘开口被封死，掌子
面切削下来的渣土无法正常进入土仓，螺旋输送机亦无法正常工作，盾构机在不断搅拌刀盘与掌子面之间的渣土，而致使盾构机进尺缓慢。通过使用分解剂，将主要敷盖在刀盘中心刀、刀盘开口处的渣土有效打散，剥落掉入土仓内并及时使用螺旋输送机排出，可恢复在软土地质中刮刀的作用，迅速有效地切削掌子面，最终恢复盾构机整体掘进进尺。
（4）掘进参数调整
土压平衡的建立主要考虑主动土压力P1、水压力P2以及一定的预备压力P3。
主动土压力P1=Ph×tan²（45°－θ/2）－2ctan（45°－θ/2）。其中：Ph-深度h处的地层自重应力；c-土的粘聚力；θ-地层的内摩擦角。
水压力P2=q×λh，其中：q-渗透系数；λ-水的容重；h-地下水位的高度。
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预备压力P3：考虑10～20 kPa的预备压力作为调整值来修正施工土压力。
通过以上的计算，可以得出施工时的土压力理论设定值应该是P1＋P2＋P3。
在盾构隧道掘进施工中遇到温度过高或结泥饼的情况时，可适当对掘进参数进行调整，如在加强地面沉隆监控频次、掌子面所在地面周围24小时专人监控的前提下，在合理范围内降低土仓内的土压，适当加快刀盘转动速度，可去除刀盘上部分疏松的黏土。
（5）适当添加冰块
在掘进施工时若已发生结泥饼或土仓温度过高，为避免温度过高破坏主驱动密封圈，缓解隧道内整体工作温度，可在膨润土搅拌箱中适当添加冰块，与膨润土溶液混合后注射至土仓区域，尤其是主驱动密封圈区域，直接降低部分区域温度，缓解升温趋势。
（6）增强盾构机整体散热能力
在掘进施工温度过高时，可对盾构机散热设备进行调整改造，增强盾构机整体散热能力，迅速地将掘进时产生的热量排出隧道。一旦掘进施工过程中土仓温度过高，可适当停机冷却，并对刀盘冷却系统进行检查与维修，如更换冷却用的纯净水；检查更换冷却系统过滤滤芯；在冷却系统散热处增加散热风扇，以加快散热片散热；加固输送风筒固定端，增加井口风机功率，以加大隧道内通风总量；在盾构井口设置冷却塔，对盾构掘进回水管内水进行冷却后再送入进水管，进一步加强隧道整体散热能力。
5.2喷涌处理措施
南方地区降雨量大，地上地下水资源非常丰富，盾构机在地下掘进，有常常会经过地下水丰富的地层，一旦掘进施工操作不当，易造成土仓压力突变，对地层造成较大扰动，严重影响施工安全、进度。
喷涌发生时，土仓压力变化非常大，喷涌前无任何渣土运出，随着盾构机不断掘进，土仓土压缓慢增加，一旦达到临界值，大量稀泥从螺旋机出土口急速喷出，堆积在盾尾，喷涌后土仓土压迅速下降，压力突变对隧道上部土体扰动剧烈，对地面沉隆控制有着极大影响
在喷涌发生后，可采用以下方法进行处理：
（1）调整掘进参数
喷涌发生后，可根据实际掘进深度调整土仓压力比正常掘进情况下压力略低一点，将掘进速度尽量稳定在2-3cm/min，将盾构机掘进方式调整为分区压力掘进，并在姿态正常的情况下尽量平衡各个分区的掘进压力；
（2）调整泡沫剂及膨润土浓度
在地下水较为发达的情况下，土仓内水较多，因此泡沫剂溶液及膨润土溶液的浓度可适当提高，泡沫剂溶液的含气量适当降低。尤其是膨润土溶液，可适当增加其浓度，可对土仓内大量多余的水分进行吸收，适当减少喷涌的发生；
（3）使用高分子聚合物
高分子聚合物在隧道施工中占据重要的位置，它可改变土仓内稀泥的性质，减少渣土的流动性，减少土仓内流动水的总量，减少喷涌的发生。
（4）复核地质勘探报告
对地质勘探报告及地质补堪报告进行详细检查，对下穿河流地段、地下水资源较为发达地段提前做好相应准备：提前购进一批蒙脱石含量较高的钠基膨润土；一些用于清理喷涌的编织袋；用于抽泥浆的泥浆泵等。
（5）螺旋机顶部设置泄压口
螺旋输送机在喷涌处理中有非常有效的作用，通过在螺旋输送机顶部增加一个液压控制的泄压口，可在螺旋机内部压力非常大时，将其内部的气体通过泄压口排出，降低喷涌时螺旋机出土口的压力。
在螺旋机出土口与皮带输送机的连接处可加设缓冲区域，将出土口处左右用厚皮板固定，并在出土口下放的皮带机的支架上焊上一个缓冲板，在稀泥喷出时承受其巨大的动能，以此降低喷涌时渣土大量掉落在盾尾，减少作业人员清理渣土时间，提高整体施工效率。
（6）加强同步注浆控制
本论文中提及的盾构机刀盘切削直径为8860mm，管片外径为8500mm，单环管片宽度为1600mm，因此每环管片理论注浆量为
Π*（R2-r2）*L=3.14*（4.432-4.252）*1.6=7.85m3
实际注浆量为理论建筑空隙的150%至180%，因此同步注浆方量应在11.78m3至14.13m3范围内，如果注浆方量＜150%，应及时跟进二次压浆补强，填补开挖空间与管片之间的间隙，保证隧道及地面沉隆稳定。
（7）施做止水环
在地质条件良好的前提下，可开仓对地下水的来源进行探查与判断，如判断地下水源来自刀盘后部，则可对盾尾后部管片施做止水环，将地下水进行阻隔。
止水环，顾名思义，就是在管片外围施做一道浆液环，凝固后将来自管片后部的地下水进行阻隔，可对盾尾向后5-10环范围内的管片进行二次压浆，太靠近盾尾容易堵塞或冲破盾尾密封，太远离盾尾则起不到期望的效果。由于重力作用及隧道底部压强大，一般二次压浆补强选用隧道的3点位与9点位进行，若有条件可选用12点位。通过双液浆的使用，阻隔管片后部地下水对土仓的影响，大大降低了喷涌产生的概率与喷涌的严重程度。
6 总结
目前城际轨道交通发展迅速，大直径土压平衡盾构机在国内的使用则尚未普及，部分盾构机机械设计方面不够成熟，技术人员对此类施工经验及掌握的技术知识尚需提高，在盾构掘进施工过程中因复杂多变的地质条件会遇到各种各样的问题与困难，本文通过实际的施工过程，从多角度，全方位对掘进施工中出现的温度过高、结泥饼、喷涌等问题进行研究、分析、并采取相应措施进行解决、且取得了良好的效果，为今后类似的工程施工提供了一定的参考与经验。
参考文献：
[1]杨书江，富水砂卵石地层盾构施工技术，人民交通出版社，2011.04
[2]刘建国，深圳地铁盾构隧道技术研究与实践，人民交通出版社，2011.09
[3]吴世明，大直径盾构隧道技术工程示范，人民交通出版社，2013.04
[4]曹文宏，中伟强，超大特长盾构法隧道工程设计：上海长江隧道工程设计，中国建筑工业出版社，2010.10
论文作者:王建平
论文发表刊物:《基层建设》2019年第4期
论文发表时间:2019/5/5
标签：盾构论文; 隧道论文; 管片论文; 渣土论文; 过高论文; 压力论文; 温度论文; 《基层建设》2019年第4期论文;