魏文義

（中鐵二十一局集團(tuán)軌道交通工程有限公司 山東濟(jì)南 250000）

1 引言

針對(duì)地下水豐富、節(jié)理裂隙發(fā)育、埋深大、滲透系數(shù)大和氣密性差的復(fù)合地層，尤其是砂層、粉細(xì)砂層、砂卵石地層以及其組成的復(fù)合地層，采用常規(guī)的土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)方法，掘進(jìn)參數(shù)不易控制，如刀盤扭矩、推進(jìn)速度變化較大，盾構(gòu)負(fù)荷大，刀盤刀具磨損快等。此時(shí)土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)經(jīng)常引起噴涌，以致盾構(gòu)施工處于“掘進(jìn)—噴涌—清渣—管片安裝”的低效率惡性循環(huán)中［1－2］，最終導(dǎo)致地層細(xì)顆粒流失、局部出現(xiàn)空腔，甚至地表出現(xiàn)塌陷。

國內(nèi)外對(duì)于盾構(gòu)掘進(jìn)施工防噴涌技術(shù)主要聚焦于渣土的改良。國外對(duì)于渣土改良的研究多集中于砂土和黏性土，以改良劑的開發(fā)研究為主；國內(nèi)的渣土改良研究大多針對(duì)砂土、黏性土、黃土和復(fù)合土層的渣土。郭彩霞等［3］和汪國鋒［4］在北京地鐵盾構(gòu)隧道工程中進(jìn)行了單加膨潤土和雙摻膨潤土、泡沫改良砂卵石渣土的試驗(yàn)和工程應(yīng)用研究。賀少輝［5］研究了砂卵石地層在高水壓條件下盾構(gòu)掘進(jìn)噴涌控制技術(shù)。朱偉等［6］針對(duì)土壓平衡盾構(gòu)噴涌發(fā)生機(jī)理進(jìn)行了研究。李昌等［7］通過分析噴涌原因研究了通過富水砂層的土壓平衡盾構(gòu)機(jī)噴涌控制技術(shù)。馮強(qiáng)［8］利用土艙壁觀察孔注入漿液稀釋水體控制噴涌。

根據(jù)前期調(diào)研結(jié)果，蘭州地鐵盾構(gòu)區(qū)間掘進(jìn)發(fā)生噴涌的可能性較大。2013年6月蘭州地鐵1號(hào)線試驗(yàn)段盾構(gòu)區(qū)間開始掘進(jìn)，區(qū)間穿越地層主要為第四系下更新統(tǒng)卵石層，卵石粒徑大（有大于500 mm粒徑存在）。地下水主要賦存于卵石層中，屬蘭州斷陷盆地松散巖類孔隙性潛水，水位埋深10.9～12.7 m。盾構(gòu)掘進(jìn)埋深超過14 m后，采用常規(guī)土壓掘進(jìn)模式出現(xiàn)噴涌現(xiàn)象，埋深增大噴涌加劇。

為解決噴涌問題，在調(diào)研國內(nèi)外土壓平衡盾構(gòu)防噴涌措施的基礎(chǔ)上，中鐵二十一局集團(tuán)成立了《富水大粒徑砂卵石地層土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)關(guān)鍵技術(shù)研究》科研項(xiàng)目，著重分析了“加氣排水”防噴涌技術(shù)。研究成果對(duì)盾構(gòu)施工有重要意義，具有較高的推廣價(jià)值。

2 模型構(gòu)建及噴涌發(fā)生機(jī)理

砂層、粉細(xì)砂層、砂卵石地層以及其組成的復(fù)合地層中，盾構(gòu)機(jī)噴涌與天然地基的流土破壞機(jī)理類似，都是由于滲流力作用引起土體顆粒懸浮和移動(dòng)［9］，因此可借鑒地基發(fā)生滲流破壞的機(jī)理來分析噴涌發(fā)生的原因。

2.1 土壓平衡盾構(gòu)艙內(nèi)壓力傳遞模型

假設(shè)盾構(gòu)掘進(jìn)采用欠壓掘進(jìn)，盾體周邊無明顯裂隙水大流量補(bǔ)給，盾構(gòu)機(jī)內(nèi)的滲流水體符合達(dá)西定理，模型如圖1所示。其中，H1為原始地層水頭高度；H2為開挖面附近水頭高度；H3為螺旋排土器出口測(cè)壓水頭。

圖1 水體輸送模型

在原始地層、壓力艙和排土器各取一微小斷面，單位時(shí)間內(nèi)通過這三個(gè)微斷面的滲流量分別設(shè)為Q1、Q2和Q3。

經(jīng)過原始地層斷面Ⅰ的地下水流量為：

式中，K1為原始地層的滲透系數(shù)；dh為水頭通過微斷面的水頭損失；dx為微斷面的長度；A1為掘進(jìn)期間可能的影響面積。

同理，經(jīng)過斷面Ⅱ的地下水流量為：

式中，K2為切削后渣土的滲透系數(shù)；A2為壓力艙截面面積。

經(jīng)過斷面Ⅲ的地下水流量為：

式中，A3為螺旋排土器截面面積；θ為螺旋排土器與水平面的夾角。

在掘進(jìn)影響區(qū)邊界處，水頭高度為H1，即x＝0處，則：

在開挖面處，水頭高度為H2，即x＝L1處，則：

在螺旋排土器出口，水頭高度為H3，即x＝L1＋L2＋L3cos θ處，則：

由式（1）與式（4）可得到開挖面的水頭表達(dá)式：

由式（2）與式（5）可得到開挖面的水頭表達(dá)式：

由式（3）與式（6）可得到開挖面的水頭表達(dá)式：

在正常欠壓掘進(jìn)狀態(tài)下，由式（7）、式（8）可以得出壓力艙頂壓力水頭H2和水流量Q之間的關(guān)系式：

假定某一時(shí)間點(diǎn)地層滲流不影響艙內(nèi)滲流，根據(jù)流量守恒原則，流經(jīng)斷面Ⅱ和斷面Ⅲ的水體流量相等，即Q2＝Q3＝Q。由式（8）、式（9）可以得出螺旋排土器出口處的壓力水頭H3和水流量Q之間的關(guān)系式：

2.2 噴涌機(jī)理

由建立的水壓變化模型式（11）可以得出判斷：H3與螺旋排土器出口高度相等時(shí)不會(huì)出現(xiàn)噴涌；H3大于螺旋排土器出口高度時(shí)，可能出現(xiàn)出土速率不可控、輕微噴涌甚至劇烈噴涌現(xiàn)象；壓力艙頂壓力水頭H2越大，H3越大；切削后的渣土滲透系數(shù)K2越大，H3越大；流水量Q越大表象為噴涌加劇，但隨流水量Q加大H3逐漸減小。

由式（1）、式（10）可以得出判斷：原始地層滲透系數(shù)K1、切削后的渣土滲透系數(shù)K2越大，H2越大；原始地層滲透系數(shù)K1越大，原始地層流水量Q1越大，可能造成的噴涌總流量越大。

3 加氣排水防噴涌機(jī)理和應(yīng)用

3.1 加氣排水機(jī)理

（1）流水總量與噴涌的關(guān)系

根據(jù)噴涌機(jī)理分析，噴涌趨勢(shì)取決于H3螺旋出土口水頭高度，H3隨切削面水頭高度H2增大而增大，H2通常表現(xiàn)為土艙1號(hào)土壓傳感器土壓。假定地層補(bǔ)給水為零，由式（11）可以得出結(jié)論，盾構(gòu)機(jī)出現(xiàn)短時(shí)間噴涌后H3與螺旋排土器高度逐漸趨于相等，停止噴涌。

假定掘進(jìn)時(shí)間為 Δt，由式（1）、式（2）可知噴涌總流量為：

由式（12）可知：如果可以實(shí)現(xiàn)控制土艙內(nèi)流水總量，即便出現(xiàn)短時(shí)間噴涌，但總體依然可以達(dá)到控制噴涌的目的。

（2）地層相態(tài)與盾構(gòu)掘進(jìn)狀態(tài)的關(guān)系

通常將盾構(gòu)機(jī)周邊的地層看成“固相”和“液相”的組合體，盾構(gòu)機(jī)壓力艙內(nèi)的渣土看成“固相”、“液相”和“氣相”的組合體。如果壓力艙內(nèi)渣土含水率超過18%，則噴涌幾率升高；渣土含水率低于12%，渣土流動(dòng)性變差。在富水地層中，如果用渣土孔隙中賦存大量的空氣或泡沫代替水，那么既可以保證渣土的流動(dòng)性，又可以降低噴涌風(fēng)險(xiǎn)［10－11］。

（3）加氣排水控制地層流水量機(jī)理

通常情況下，若“固相”中存在間隙，“氣相”和“液相”會(huì)馬上進(jìn)入，“氣相”壓力足夠時(shí)可以逼退“液相”進(jìn)而占據(jù)間隙空間［12］。雖然氣相流動(dòng)速度快，但“氣相”占據(jù)空間后即便被“液相”逼退也會(huì)存在一定時(shí)間，其逼退速率與地層的滲透系數(shù)成正比。

根據(jù)以上論據(jù)，可以考慮在盾構(gòu)停機(jī)階段首先從盾體上方加注惰性漿，填充掘進(jìn)時(shí)出現(xiàn)的空腔以及降低盾構(gòu)周邊土滲透系數(shù)，然后在壓力艙內(nèi)注入高壓氣體逼退壓力艙內(nèi)以及盾體周邊一定范圍內(nèi)的地下水，保證“液相”恢復(fù)時(shí)間大于掘進(jìn)時(shí)間即可實(shí)現(xiàn)防噴涌效果。

3.2 加氣排水應(yīng)用工藝

3.2.1 加氣排水工藝流程

圖2為土壓平衡盾構(gòu)“加氣排水”掘進(jìn)施工工藝。具體為：盾構(gòu)施工前，首先保持停機(jī)狀態(tài)，對(duì)盾構(gòu)上方土體加注惰性漿以加固土體，減小土體的滲透系數(shù)；注漿完成后打開壓力艙空氣轉(zhuǎn)換接頭向艙內(nèi)加注高壓空氣后開始掘進(jìn)施工。惰性漿一般由細(xì)砂、膨潤土、粉煤灰、水拌和而成，通過盾構(gòu)機(jī)自帶同步注漿管路轉(zhuǎn)換至中盾接口，在中盾頂部加注。惰性漿注漿壓力一般比停機(jī)后土艙1號(hào)傳感器壓力提高0.2～0.4 bar。惰性漿配比根據(jù)地層滲透系數(shù)調(diào)整黏粒含量，地層滲透系數(shù)越大，黏粒含量越高。惰性漿注入完成后方可打開加氣閥門，否則漿液會(huì)從加氣管路回流。加氣時(shí)間必須經(jīng)試驗(yàn)確定，并嚴(yán)格按規(guī)定時(shí)間加氣，否則加氣效果不能滿足掘進(jìn)要求。

圖2 土壓平衡盾構(gòu)加氣排水掘進(jìn)施工流程

3.2.2 加氣排水壓力控制

加氣過程中通過測(cè)試盾構(gòu)機(jī)土壓傳感器變化來確定壓力基準(zhǔn)。通過大量試驗(yàn)，基于1號(hào)土壓傳感器壓力觀測(cè)值增加0.3～0.5 bar設(shè)定為控制土壓，同時(shí)監(jiān)測(cè)地表沉降變形，以控制加氣量，當(dāng)加氣量過大時(shí)可以在盾體上方再次加注惰性漿。

3.2.3 加氣排水掘進(jìn)控制

恢復(fù)掘進(jìn)階段，因盾體周圍地層加注惰性漿的作用，掘進(jìn)開始階段土艙內(nèi)需要加大排量降低扭矩、推力，提高掘進(jìn)速度。這一階段要設(shè)置皮帶傳輸與掘進(jìn)參數(shù)相匹配。進(jìn)入正常掘進(jìn)階段后需要調(diào)配好泡沫注入量以保證掘進(jìn)艙壓，利用掘進(jìn)艙壓來增加“液相”恢復(fù)時(shí)間。

3.2.4 加氣排水模式優(yōu)點(diǎn)分析

（1）環(huán)保。國內(nèi)外大多防噴涌技術(shù)通過采用加注高分子聚合物改變粘度從而降低土體滲透系數(shù)，選用合適比列的聚合物可以達(dá)到防噴涌的效果。但高分子聚合物的使用必然會(huì)對(duì)周邊土體造成一定程度的水環(huán)境影響，而加氣排水采用的惰性漿配比中的水、細(xì)砂、膨潤土、粉煤灰，對(duì)水環(huán)境影響很小。

（2）穩(wěn)定性好。采用渣土降低滲透系數(shù)的防噴涌模式必然存在改良效果不穩(wěn)定的問題，從而導(dǎo)致防噴涌效果不理想。加氣排水模式只要選定加注惰性漿參數(shù)，選定加氣壓力、時(shí)間、排氣量，嚴(yán)格按操作規(guī)程執(zhí)行就可以得到穩(wěn)定的防噴涌效果，周邊環(huán)境及地下水對(duì)本工法干擾很小。

（3）降低刀盤刀具磨損。噴涌必然造成渣土細(xì)顆粒流失，采用加氣排水模式補(bǔ)充了渣土的細(xì)顆粒含量，從而降低了渣土對(duì)刀盤、刀具的磨損。

（4）保證同步注漿效果。注入惰性漿必然形成一個(gè)包圍盾體的惰性漿環(huán)，惰性漿環(huán)的存在可有效阻擋盾尾同步注漿向刀盤方向的流失，從而保證了注漿效果。

（5）提高掘進(jìn)效率明顯。加氣排水作業(yè)時(shí)間均在盾構(gòu)掘進(jìn)完成后實(shí)施，對(duì)掘進(jìn)總用時(shí)影響很小，并且由于控制了噴涌的發(fā)生，節(jié)約了大量由于噴涌造成的清渣時(shí)間，施工效率明顯提高。

（6）成本低廉。加氣排水模式下額外投入費(fèi)用主要是惰性漿材料成本、空壓機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)電費(fèi)、設(shè)備折舊等，節(jié)約了大量投入。

（7）操作簡單。加氣排水模式主要操作是盾體上方加注惰性漿、打開轉(zhuǎn)換閥門向壓力艙注入空氣，操作比較簡單。

4 加氣排水掘進(jìn)方法風(fēng)險(xiǎn)分析

采用土壓平衡盾構(gòu)“加氣排水”掘進(jìn)施工時(shí)，地層會(huì)出現(xiàn)“固相”和“液相”的組合體與“固相”、“液相”和“氣相”的組合體轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換過程中有可能會(huì)造成地層局部區(qū)域細(xì)顆粒流失。圖3為“加氣排水”掘進(jìn)完成后的地質(zhì)雷達(dá)掃描圖像?？梢钥闯觥凹託馀潘本蜻M(jìn)完成后，上覆地層出現(xiàn)疏松、空腔等缺陷，此時(shí)采用同步注漿、盾體上方加注惰性漿不能消除該缺陷。

圖3 “加氣排水”掘進(jìn)完成后地層地質(zhì)雷達(dá)掃描圖像

為消除地層疏松、空腔等缺陷對(duì)盾構(gòu)區(qū)間上方地表產(chǎn)生影響，采用地質(zhì)雷達(dá)對(duì)盾構(gòu)區(qū)間區(qū)域進(jìn)行掃描，對(duì)缺陷區(qū)域?qū)嵤┤斯ぬ娇?，確認(rèn)缺陷位置后采用地表注漿或洞內(nèi)徑向注漿加固地層，最后再次采用雷達(dá)掃描驗(yàn)證注漿效果。

5 結(jié)論

本文依托蘭州地鐵1號(hào)線、2號(hào)線土壓平衡盾構(gòu)施工項(xiàng)目，通過分析土壓平衡盾構(gòu)艙內(nèi)壓力傳遞理論和加氣排水防噴涌機(jī)理，提出了土壓平衡盾構(gòu)“加氣排水”掘進(jìn)施工方法。應(yīng)用土壓控制和掘進(jìn)艙壓控制實(shí)現(xiàn)了“加氣排水”掘進(jìn)的過程控制；應(yīng)用地質(zhì)雷達(dá)掃描和注漿加固技術(shù)解決了地層疏松、空腔等缺陷。

土壓平衡盾構(gòu)“加氣排水”掘進(jìn)施工防噴涌技術(shù)擴(kuò)展應(yīng)用于成都地鐵5號(hào)線、6號(hào)線。經(jīng)工程實(shí)踐驗(yàn)證，該施工技術(shù)有效、施工方法成熟，豐富了土壓平衡盾構(gòu)掘進(jìn)防噴涌技術(shù)。實(shí)際使用過程中需根據(jù)工程地質(zhì)、水文地質(zhì)確定加注惰性漿配比、注入空氣氣壓和掘進(jìn)參數(shù)。