劉琦

（中鐵十六局集團(tuán)地鐵工程有限公司，北京 100000）

土壓平衡盾構(gòu)機(jī)為現(xiàn)階段地鐵施工中掘進(jìn)技術(shù)的主要應(yīng)用器械，但其穿越富水砂層進(jìn)行掘進(jìn)工作時(shí)有較大概率出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，造成額外施工現(xiàn)象出現(xiàn)。針對(duì)該問(wèn)題，本文結(jié)合某地工程展開(kāi)分析，借鑒地極滲流破壞機(jī)理進(jìn)行計(jì)算模型構(gòu)建，通過(guò)計(jì)算機(jī)計(jì)算結(jié)合實(shí)際情況分析噴涌狀況產(chǎn)生的關(guān)鍵因素，解決問(wèn)題的同時(shí)對(duì)未來(lái)施工中的對(duì)應(yīng)因素加以控制，實(shí)現(xiàn)噴涌控制，避免額外施工。

1 工程分析

1.1 施工地質(zhì)條件

本文中所分析工程為西安地鐵一號(hào)線二期森林公園站至灃東路站區(qū)間，此區(qū)間內(nèi)距離灃河最近距離為860m，整體隧道施工要求較高，且其上方為該市市區(qū)主干道之一，晝夜車(chē)流量較大，施工過(guò)程中需要較為嚴(yán)格的控制整體隧道質(zhì)量，以免發(fā)生危險(xiǎn)。根據(jù)隧道施工時(shí)的土質(zhì)分析數(shù)據(jù)可了解到，該地區(qū)土層可分為五類(lèi)，分別為雜填土、素填土、黏土（粉質(zhì)黏土）、粉砂（粉細(xì)砂）、砂礫卵石。施工過(guò)程中，盾構(gòu)穿越粉砂層與粉細(xì)砂層、200環(huán)左右為下坡段，頂板埋深10.1～ 17.9m。

1.2 施工過(guò)程中的水文地質(zhì)參數(shù)

施工過(guò)程中主要接觸的地下水種類(lèi)為孔隙承壓水，其主要存在于粉砂層、粉細(xì)砂層、砂礫卵石層中，符合富水砂層條件，且該工程中接觸此類(lèi)地層較多。針對(duì)含水層進(jìn)行分析，其承壓含水層為粉質(zhì)黏土、粉砂層、粉砂護(hù)層的統(tǒng)一集合，含水層頂板處存在黏性土，透水性較低但具備透水功能。下坡段施工過(guò)程中，承壓水頭高度為8.1～14.8m，標(biāo)準(zhǔn)高度為14.8～17.6m。

2 噴涌問(wèn)題發(fā)生情況及問(wèn)題分析

2.1 噴涌問(wèn)題發(fā)生情況

該工程于施工條件中已針對(duì)實(shí)際情況展開(kāi)分析，將噴涌事件發(fā)生情況考慮在施工過(guò)程內(nèi)，采用泡沫加膨潤(rùn)土漿液的施工方式對(duì)渣土進(jìn)行改良，意在將渣土坍落度控制在16～20cm內(nèi)，保障施工正常開(kāi)展。但實(shí)際過(guò)程中在掘進(jìn)期間發(fā)生的狀況與實(shí)際不符，當(dāng)盾構(gòu)掘進(jìn)至140環(huán)時(shí)，出現(xiàn)噴涌狀況，狀況發(fā)生處位于螺旋機(jī)閘門(mén)位置，噴涌現(xiàn)象間斷發(fā)生；后隨掘進(jìn)深度逐漸增加，埋深逐漸提升，噴涌現(xiàn)象亦隨之更為嚴(yán)重。針對(duì)此類(lèi)情況，施工過(guò)程中采取控制掘進(jìn)速度、增加泡沫注入量、提升膨潤(rùn)土漿液黏度、減少漿液注入量、控制出土量的措施加以控制，情況有所好轉(zhuǎn)。但隨后過(guò)程中，隨掘進(jìn)深度再次深入，噴涌現(xiàn)象再次加重。事實(shí)證明，此工程中利用泡沫、膨潤(rùn)土漿液的問(wèn)題解決措施雖暫時(shí)有效，但隨掘進(jìn)深度增加，所需控制手段需求增加幅度較大，且保障時(shí)間將會(huì)逐漸縮短，若強(qiáng)行開(kāi)展工程，不僅消耗資源較大，造成額外支出，更可能存在安全隱患。因此，圍繞實(shí)際施工狀況暫時(shí)停止掘進(jìn)，并分析問(wèn)題成因，意在尋找對(duì)策，盡快繼續(xù)施工，保障工程符合預(yù)期時(shí)間。

2.2 問(wèn)題分析

根據(jù)盾構(gòu)機(jī)土壓平衡原理進(jìn)行分析，其掘進(jìn)過(guò)程中主要依靠刀盤(pán)切削渣土進(jìn)行推進(jìn)，機(jī)械前進(jìn)過(guò)程中刀盤(pán)渣土不斷填充、堆積至土倉(cāng)與螺旋排土器內(nèi)部，隨后渣土壓力作用于開(kāi)挖面，水土壓力與開(kāi)挖面平衡，實(shí)現(xiàn)逐漸推進(jìn)。問(wèn)題便發(fā)生于此。當(dāng)掘進(jìn)工程開(kāi)展后，盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)產(chǎn)生的渣土為塑性流動(dòng)狀態(tài)，且流動(dòng)狀態(tài)下隨著螺旋機(jī)排出，土壓結(jié)構(gòu)在排出過(guò)程中發(fā)生轉(zhuǎn)變，由原有模式下于開(kāi)挖面上的平衡形態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)閯?dòng)態(tài)平衡，而動(dòng)態(tài)平衡的維持需要依靠排土口處的渣土出渣速率，此速率較為難以控制，控制過(guò)程中一旦出現(xiàn)問(wèn)題，則使動(dòng)態(tài)平衡被打破，穩(wěn)定性存在問(wèn)題，使掘進(jìn)速度受影響，且力分布不平均，易導(dǎo)致富水砂層出現(xiàn)流土破壞，進(jìn)而導(dǎo)致噴涌。

除上述問(wèn)題以外，富水砂層出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象的原因亦與其特點(diǎn)有關(guān)，雖此方面問(wèn)題導(dǎo)致的噴涌原因出現(xiàn)與實(shí)際無(wú)關(guān)，但無(wú)論如何，此類(lèi)原因皆造成噴涌現(xiàn)象出現(xiàn)，還需結(jié)合實(shí)際進(jìn)行分析，尋找問(wèn)題產(chǎn)生的原因。富水砂層中的滲流力作用為實(shí)際過(guò)程中的重要因素之一，此類(lèi)問(wèn)題的成因可以以舉例方式分析。將其與地基發(fā)生滲流破壞的原因作類(lèi)比。二者發(fā)生問(wèn)題的成因皆為滲流力作用所引發(fā)的土體顆粒懸浮、移動(dòng)，進(jìn)而出現(xiàn)受力不均，導(dǎo)致噴涌現(xiàn)象的出現(xiàn)。

3 問(wèn)題解決過(guò)程及對(duì)策分析、有效性驗(yàn)證

3.1 問(wèn)題參數(shù)分析

若想解決問(wèn)題，首先需結(jié)合實(shí)際進(jìn)行問(wèn)題發(fā)生因素確定，隨后根據(jù)因素發(fā)生原因進(jìn)行實(shí)際施工過(guò)程中的規(guī)避。為保證施工進(jìn)度，結(jié)合實(shí)際情況展開(kāi)分析，利用計(jì)算機(jī)軟件計(jì)算，可設(shè)置問(wèn)題分析步驟如下：

首先為參數(shù)分析與錄入。若原有模式下工程施工中未使用防噴涌措施，則實(shí)際施工狀態(tài)參數(shù)與原有模式參數(shù)相符，將其輸入軟件中，建立計(jì)算模型，隨后需要輸入的參數(shù)為斷面滲流速度（平均值）、土體滲流系數(shù)、水力梯度、開(kāi)挖面及螺旋機(jī)排土口的水頭高度、滲流路徑長(zhǎng)度。除此以外，土顆粒所造成的滲流作用力亦為實(shí)際過(guò)程中的重點(diǎn)參數(shù)。其次為得出數(shù)據(jù)分析。利用軟件進(jìn)行計(jì)算后，可發(fā)現(xiàn)當(dāng)水頭差減少、滲透路徑變長(zhǎng)后，土體穩(wěn)定參數(shù)增加、噴涌強(qiáng)度降低；當(dāng)土體孔隙比降低，粉細(xì)砂排出數(shù)量較少，噴涌現(xiàn)象得到控制；當(dāng)盾構(gòu)挺進(jìn)過(guò)程中的刀盤(pán)壓力降低、土體攪拌均勻，開(kāi)挖面水頭高度較低、噴涌現(xiàn)象可出現(xiàn)改善。因此，可確定對(duì)應(yīng)情況下的、未加入泡沫、膨潤(rùn)土處理時(shí)的影響因素。

結(jié)合實(shí)際分析，本次工程初始掘進(jìn)階段中所使用的噴涌防控手段為泡沫、膨潤(rùn)土漿液。此過(guò)程中使用上述兩類(lèi)物質(zhì)的作用在于減小孔隙比，增加黏度，使?jié)B流水經(jīng)過(guò)砂性土?xí)r能夠因較大的黏滯阻力降低噴涌現(xiàn)象出現(xiàn)概率、減小出現(xiàn)后的噴涌效果影響。事實(shí)亦證明，此類(lèi)手段有效，但實(shí)際過(guò)程中隨施工開(kāi)展，此類(lèi)問(wèn)題發(fā)生概率逐漸增大。獲取此模式下的參數(shù)錄入計(jì)算機(jī)，可發(fā)現(xiàn)此類(lèi)條件下的噴涌發(fā)生因素與上文較為類(lèi)似，主要集中于卡瓦面水壓力、臨界水力梯度、渣土孔隙比、渣土黏度。

3.2 問(wèn)題解決對(duì)策

問(wèn)題解決對(duì)策主要以改良渣土滲透性、增加渣土黏度、提升渣土流動(dòng)性展開(kāi)。實(shí)際對(duì)策以改良施工措施中的材料應(yīng)用展開(kāi)。就上文所得數(shù)據(jù)，此類(lèi)控制手段中的使用材料應(yīng)滿(mǎn)足降低滲透性、提升流動(dòng)性、減小摩擦角的條件，且自身可吸收水、不溶于水。針對(duì)此類(lèi)特征，將泡沫、高分子聚合物（吸水樹(shù)脂型）作為改良試驗(yàn)中的具體使用材料。

3.3 施工過(guò)程中的有效性試驗(yàn)

為確認(rèn)措施切實(shí)有效，實(shí)際施工過(guò)程中進(jìn)行預(yù)試驗(yàn)。為保障實(shí)驗(yàn)效果能夠明確且有效地出現(xiàn)，防止因措施無(wú)效導(dǎo)致的施工問(wèn)題，有效性試驗(yàn)選擇182環(huán)、191環(huán)作為實(shí)驗(yàn)環(huán)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，將攪拌機(jī)啟動(dòng)，向內(nèi)部投入根據(jù)實(shí)際水量計(jì)算后的對(duì)應(yīng)高分子聚合物，攪拌20min。溶液控制率為8%?，F(xiàn)場(chǎng)情況中的對(duì)應(yīng)測(cè)試數(shù)據(jù)為螺旋機(jī)排土口處渣土側(cè)坍落度、排土口噴涌狀況，將推力、刀盤(pán)扭矩作為對(duì)應(yīng)測(cè)試參數(shù)。經(jīng)實(shí)際數(shù)據(jù)證明（圖1），此類(lèi)措施能夠有效地降低渣土滲透性，起防水性能的同時(shí)，隨高分子聚合物溶液濃度提升實(shí)現(xiàn)噴涌現(xiàn)象的控制。但就實(shí)際數(shù)據(jù)展開(kāi)分析，實(shí)際控制過(guò)程中亦需注意泡沫的添加量，若添加較多，仍會(huì)出現(xiàn)噴涌風(fēng)險(xiǎn)。

圖1

4 結(jié)語(yǔ)

經(jīng)實(shí)際情況分析可發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)階段施工過(guò)程中出現(xiàn)的富水砂層噴涌現(xiàn)象主要與渣土黏度、坍落度等相關(guān)數(shù)據(jù)有關(guān)，實(shí)際過(guò)程中應(yīng)針對(duì)此類(lèi)因素，結(jié)合實(shí)際狀況進(jìn)行措施制定，并于測(cè)試實(shí)際情況后進(jìn)行分析，保障工程開(kāi)展穩(wěn)定，有效地解決噴涌現(xiàn)象帶來(lái)的問(wèn)題。此類(lèi)施工過(guò)程中需注意兩點(diǎn)，首先為對(duì)應(yīng)材料的使用量，應(yīng)根據(jù)實(shí)際選擇適合用量，確定最大值，避免問(wèn)題出現(xiàn)，其次為結(jié)合實(shí)際展開(kāi)，上文所述的高分子聚合物混合泡沫僅為解決措施中的一種，實(shí)際過(guò)程中還可進(jìn)行多次嘗試，選擇最為適合的種類(lèi)展開(kāi)分析與研究。