盾构法施工喷涌防治技术

齐保卫，马 琳，韩洋洋，赵江涛，李 坤

(中铁工程装备集团技术服务有限公司，河南 郑州 450000)

盾构以其安全、进度快、环保等优点，已成为引水、铁路、公路等隧道施工的首选[1]。由于土压平衡盾构自身工作原理的限制，其在穿越湖泊、河流等富水地层时，土体中黏性颗粒少、松散无黏聚力，渣土难以在土仓内形成流塑状，喷涌现象极易发生，不但影响正常施工，同时易造成管片衬砌垮塌、隧道结构失稳，威胁施工人员的安全，损失难以估量[2]。

为防止土压平衡盾构在施工时发生大规模喷涌，目前对喷涌防治技术进行了研究，主要有渣土改良、螺旋输送机改造、双螺机设计等方法。叶晨立[3]针对福州地铁区间段高水压、高渗透砂性地层，采用质量分数1∶10 的膨润土、质量分数5‰CMC 混合浆液，按照10∶2.5 配合质量分数3%聚丙烯酰胺溶液按100∶5 掺加比进行改良渣土，效果良好。张明聚[4]通过实践探索，采用了螺旋输送机改造、出碴控制和地面降水相结合的防喷涌措施。海瑞克等多家盾构制造商针对高压富水地层设计双螺旋输送机[5]，即在一级螺机后部设计二级螺机，但是根据以往在富水粉砂岩地层中螺旋输送机的降压能力，即使再设计一级螺旋对整个压力的下降作用也不够明显，并且成本较高。因此，急需探索一种适应性强、易实施、低成本、效果好的喷涌防治技术。

本文结合工程实例，通过渣土改良、优化施工工艺、优化出渣系统三个方面制定措施，并考虑施工成本、实施难易、治理效果等因素，研究盾构在高压富水地层掘进时喷涌防治技术，为其他地区类似地层施工提供指导。

1 工程概况

中铁某盾构应用于杭富城际铁路SGHF-8 标段，区间全长1754m，分布地层自上而下为：填筑土、含砾粉质黏土、含黏性土卵石、全风化粉砂岩、强风化粉砂岩、中等风化粉砂岩，基底主要坐落于含黏性土卵石层（图1）。

图1 工程概况

盾构于2019 年11 月掘进至466 环，地层由含黏性土卵石转变为31a-2 强风化粉砂质泥岩、31a-3 中等风化粉砂质泥岩，地层节理裂隙发育，岩体完整性差，该区间岩层最大渗透系数为40m/d，地下水压达2.5bar，场地周围地下水连通性好，水量充足且地下水压高。掘进过程中出现了严重喷涌，形成了每环“喷渣、清渣、再喷渣”的恶性循环，单班推进平均2 环，极大地影响了掘进速度。因此，亟需采取措施解决施工中出现严重的喷涌现象。

2 防喷涌试验研究

结合国内外的研究现状，从渣土改良、优化施工工艺、优化出渣系统3 个方面进行研究，具体思路如图2 所示。

图2 试验思路

2.1 渣土改良

2.1.1 克泥效工法

克泥效是是由合成纳基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成，呈粉末状，将高浓度的泥水材料与水玻璃两种液体按照20 ∶1的比例混合注入盾体四周，旨在形成泥膜，使渣土具有一定的可塑性，稳定开挖面，从而改善喷涌，控制土仓含水量[6]（图3）。

图3 克泥效工法

由于该地层富水性强、渗透性强、水量丰富且水压高，而克泥效工法受环境因素影响，依赖配合比，实际操作过程中实施难度大，未试验到合适的配合比，效果不理想。

2.1.2 “膨润土+泡沫”改良

膨润土作为常用的渣土改良剂，与水、泥、沙等细屑碎物质结合有一定的粘接性，泡沫中的活性剂分子可吸附在土颗粒表面，填充到土颗粒间空隙中，并在压力作用下稳定存在，起到降低渗透性、减小摩擦角的作用[7～8]。通过持续不断地注入高浓度膨润土，控制黏度在90～120Pa·s，泡沫选用高发泡率、低流量的模式，使单位时间内泡沫体积变大，更好地充填土仓，抑制地下水涌入刀盘，发泡率从10%提高至15%，流量从300L/min 减少至200L/min，实施前后喷涌未见明显改善。

2.2 优化施工工艺

2.2.1 释放地层水

通过合理布置放水孔，降低掘进过程开挖面的水压缓解喷涌。首先需判断喷涌水的来源方向，在管片左上方与右上方开孔，打开设备桥处中上、中下吊装孔，仅有少量水流出，判断涌水大多来自盾构前方。隧在刀盘位置每隔5 环打孔，其中1 个孔有水流出，放水一天后未见水量有减小趋势。打开人舱球阀、土仓隔板预留孔连接管路引流，但因地层含水量大，喷涌治理无明显效果。

2.2.2 增加止水环

在盾尾后方封堵水源，增加止水环，阻断管片背后汇水通道。在管片脱出盾尾3 环后的3 点、9 点位置和拱顶点注双液浆，形成“止水环”，防止后部地下水顺着管片外侧流入刀盘前部，每隔5～10 环做1 环“止水环”。实施后略微减少了土仓进水量，提高了掘进速度（单班推进平均1～3环，最高3 环），但喷涌现象未明显改善。

2.2.3 调整掘进参数

适当提高总推进力，做到快速掘进，从1 300～1 500t 提高到1 800～1 900t，加大对掌子面的压力，掘进速度有所提高，使单位时间进入土仓的渣土更多，从而减少外部进入土仓的水量。实施后发现推进速度提升导致螺旋机速度也随之提升，反而喷涌现象加重。

2.3 优化出渣系统

本工程盾构皮带为敞开式，通过优化皮带机结构，当出现喷涌现象时，喷涌出的渣石、水、泥浆可阻挡在皮带机半封闭区域内防止外溅，进而汇集到下端输送带上，经过输送带从半封闭区间后端运离半封闭区域。主要技术措施如下。

1）皮带机采用尾部半封闭式设计，增加封闭罩组件，利用倒锥形结构形式，将涌出的渣石、水、泥浆汇集到皮带机、螺机及设备桥形成半封闭区域，如图4 所示。封闭罩左右两侧通过聚氨酯软帘布与皮带机接料斗防护板连接，帘布使用压板进行整体连接，加强帘布安装的工艺性、密封性，延长帘布使用寿命，避免出现变形褶皱造成积渣，如图5 所示。

图4 封闭罩设计

图5 聚氨酯软帘布安装

2）基于原皮带机挡泥板密封形式不能有效实现密封效果，设计了1 种防溢密形式。防溢密封由1 道主密封和两道副密封组成，主密封螺栓固定孔为长槽型，当主密封下端磨损消耗后可松懈螺栓，调整主密封的位置，保证其下端与输料面贴合；副密封为头重、脚轻结构，通过自身重力及材质弹性保证与输送带贴合，以防止渣土外溢，如图6 所示。

图6 防溢裙边示意图

3）基于螺机喷涌时产生的冲击力，对输送机皮带产生压溃，造成皮带与挡泥板胶皮出现缝隙，喷涌的渣土外溢进入隧道内，造成喷涌严重，因此设计加密缓冲托辊组件，抵消喷涌时产生的冲击力，如图7 所示。

图7 加密托辊示意图

采取以上措施后，喷涌问题得到了有效治理，掘进速度明显提升4 倍，由之前的10mm/min 提高至40mm/min，有效降低喷涌对文明施工造成的影响，节省清理隧道内喷涌、停机时间，优化前后对比如图8 所示。

图8 实施前后效果对比

3 结语

针对盾构在杭富城际铁路高压富水地层区间掘进时的喷涌问题，在实施渣土改良、优化施工参数无果后，采取优化出渣系统喷涌防治技术，可有效减少喷涌量及喷涌次数，对喷涌现象具有显著的防治效果，施工效率大大提升，为后续土压平衡盾构在富水地层施工中喷涌防理提供了经验。