富水地层土压平衡盾构机防喷涌控制技术_杨永涛.pdf

：富水地层土压平衡盾构机防喷涌控制技术杨永涛（中铁十一局集团有限公司，武汉 ）摘要：针对富水地层的施工难题和防喷涌问题，提出了一种基于水力压裂的土压力平衡盾构机防喷涌控制技术。该技术通过在掘进面设导墙、底部设导槽等措施实现对土压力的有效控制；同时利用循环泵将盾构掘进过程中产生的泥浆输送至导槽内，再由导槽内的泥浆泵送到盾构始发井中。当发生涌漏时，可通过导槽上的注浆孔进行封堵，排出导管外溢液体，避免出现大范围渗漏事故。关键词：富水地层；平衡盾构机；防喷涌控制 （，）：，：；收稿日期：作者简介：杨永涛（），工程师 ：随着城市地下空间开发利用的日益增加，对于地铁隧道施工建设中防喷涌技术提出了更高要求。在实际工程施工过程中，由于地表沉降和地下水位下降导致的涌水突泥现象严重影响到了整个隧道结构的稳定性，因此需要采用合理有效的措施来进行预防处理。目前国内外防喷涌技术主要有以下几种形式：第一是通过设置临时挡墙或者其他柔性围堰来实现对涌水体的有效拦截；第二是利用混凝土喷射泵将水输送到指定位置后，再通过泵送系统向管片内注浆，从而达到对喷涌水流的阻隔作用；第三是通过在盾尾安装高压射流器等方式来降低盾尾周围的压力，使得涌水能及时排出。但是上述三类方法都存在着一定缺陷，如对盾构机的安全性能造成不利影响、无法保证掘进速度以及掘进效率低下等，而且这类方法也不能完全避免喷涌问题发生。盾构机喷涌问题的研究现状在进行盾构隧道开挖时，由于受到施工环境和施工条件的影响会使得喷射混凝土材料发生变化。当盾构挖掘至一定深度后，其内部的温度也逐渐升高、湿度增加，这就导致了喷射物料与周围环境之间存在着很大差异性，进而引发了喷射压力的变化。同时，随着时间的不断推移，掘进速度逐渐加快，且掘进面积逐渐增大。因此，对盾构机内部的温度场分布情况以及温度应力场的变化规律等方面都有较高要求，如果不能及时发现这一问题将会直接造成整个盾构机在实际应用中出现故障。另外一方面，在进行掘进作业的过程中建材世界 年第 卷第期还可能因盾构机自身原因而引起喷射物料的不均匀分布，从而形成较大的空隙，最终导致喷射物料进入到盾构机内部，并进一步诱发出喷射压力的波动，严重时会产生“井喷”现象。富水地层盾构掘进过程中涌水机理富水地层盾构机掘进过程中涌水机理在盾构施工时，由于受到上覆岩层的影响，会产生一定程度的地表沉降和地下水位下降等现象。因此，为保证掘进安全，需要对掘进速度进行严格把控，以免出现涌水问题。当涌出压力与围岩压力差达到某一临界值时，即可认为是涌出压力差引起的涌出水流量增加。而涌出压力差越大、涌出时间越长，则说明涌出水量越大。同时，涌出压力差还能够使得隧道周围的土体应力场发生变化，进而导致其内部孔隙水压力升高：另外随着涌出压力值不断增大，且持续时间越久，则表明涌出水量逐渐减小直至消失。根据现场试验可知：当涌出最大值大于 后，隧洞内的涌水量基本不再有明显增加趋势。当涌出最大值小于 后，涌水量开始有所回升，但是仍然处于一个较低水平。当涌出最大值超过 后，涌水量又出现了明显的下降态势。盾构掘进过程中涌水与停推时间的关系在盾构始发前、后分别对开挖面进行监测。当开挖面上覆岩土体达到饱和状态时（即压力为 ），当压力降到 左右时，涌水量开始出现上升趋势，此时涌水量最大值约占总涌水量的；当压力降到 时，涌水量基本不再变化，此后随着盾构掘进速度逐渐增大，涌水量趋于稳定，但仍有少量涌出。这主要是由于掘进初期，掘进空间狭小且土质松软，加之掘进设备和管片刚度较低，导致涌水量较大。而当进入到掘进后期，受施工环境影响，涌水突涨严重，甚至形成大暴雨，造成地面积水，从而使得涌水量急剧下降。因此，论文认为，涌水量的大小会受到掘进速度、地表沉降以及周围地质条件等因素综合影响，并最终决定了掘进过程中涌水发生情况及规律，其具体分析如表所示。表掘进过程中涌水发生情况及规律表序号盾构掘进速度（）注浆流量值（）盾构掘进过程中涌水与地表沉降的关系在盾构施工时，当遇到地下水位较高时，由于地下含水层压力较大，会导致井筒周围出现明显的隆起现象。此时，若不采取相应措施进行处理，则可能引发地面沉降问题。因此，为了保证隧道工程施工质量和安全性，必须要做好防喷涌工作。通过对涌水量以及渗流场分析可知，地下含水介质主要是松散岩土体、砂岩及泥质粉砂层等，其孔隙率相对较低且渗透系数较小；同时，受地形条件的限制，盾构机在穿越含水层时会受到一定程度上的阻力作用，从而使得掘进效率降低，进而造成涌水量增加。富水地层盾构掘进过程中涌水量预测涌水量预测方法在对涌水量进行分析时，需要先对涌水量进行预估。首先根据现场地质条件和施工经验建立一个合理的涌水量计算模型；然后利用该模型对模型进行参数优化处理，使其满足实际工程要求；模拟软件可以将上述步骤进行有效结合，从而得到较为准确可靠的结果。此外还要注意以下问题：在进行数值模拟前，应该充分了解当地水文地质情况、地下水位埋深等因素，以便更好地掌握涌水量的大小以及分布规律。涌水量预测结果与地下水防治建议在施工期内，隧道洞内涌水能满足 地铁工程地质勘察规范（）类围护结构设计规范的要求。但由于很多施工区域存在大量的暗河、渗沟等不良地质现象，导致地表水无法及时排出，造成地面沉降严重，因此需要对其采取有效措施进行治理。具体方法为：）采用双液注浆加固技术对洞内涌水井实施封堵；）通过监测数据和现场实测资料分析，对施工段区间有较多的溶洞且分布范围较大，并且部分区域地势相对较为平坦，不利于地下排水设施建设的，应加强隧底排水系统的完善工作；）当盾构机掘进至距洞口约 时，涌出水量开始逐渐增大，当涌水量达到最大值时约达 。此时，若继续推进掘进，则会使得盾构机在过高或过低的环境压力下均不能正常运转。所以应当停止进尺，将掘进速度降到最低，同时在洞外建材世界 年第 卷第期设置围堰以防止涌水进入隧道内部。另外，由于地表水渗入到隧道后，会导致隧道出现一定程度上的变形、沉降现象。因此可以利用盾构机掘进前先向周围开挖出一定宽度的临时排水沟来减少盾尾积水，然后再缓慢向前掘进，从而提高掘进效率。全断面帷幕注浆技术盾构同步注浆技术在工程中采用“双液”法进行超前加固处理后再进行洞内开挖。为了保证施工安全和进度要求，需要提前对隧道围岩进行全面检查和分析，根据实际情况制定相应的施工方案；并且要做好相关准备工作，包括施工前的地质勘察报告、施工过程中所需的各种材料以及设备等。盾构同步注浆系统在掘进过程中，对于每个环向和纵向的管片都需要进行注浆作业。由于工程施工范围较大、地质条件复杂等原因，因此采用了双液法进行超前预注，并且为了保证注浆效果，必须要将注浆压力保持在合理的数值内。根据以往经验可知，在注浆压力达到一定值后，可以通过调整注浆泵的转速来提高注浆效率；而当注浆压力低于设定值时，则应该及时停止注浆工作。但是在实际操作过程中发现，如果注浆压力过高或者过低，那么就会导致浆液无法正常排出，从而影响整个施工工期，同时还会增加施工成本。所以论文提出了一种新型的注浆方法 同步注浆法。该方法是指先利用锚杆把隧洞两端的岩体固定好之后，再向隧洞内部灌注适量浆液，然后再按照设计要求逐渐降低桩顶的注浆压力，直至浆液全部排空后才可继续下一步的操作。盾构同步注浆施工工艺）在始发端和接收端各设置一个掘进工作面，并对每个工作面的进尺进行统计。根据现场实际情况确定每台设备的最大开挖长度及间距；同时，将掘进参数与设计参数相比较。当某一工作面的实际开挖长度超过该段巷道内的最大允许距离时，应立即停止掘进作业，并采取相应措施防止超挖量继续扩大。）当开挖至预定位置时，启动掘进设备开始进行同步注浆作业。首先通过遥控器发出指令信号给伺服电机，使其驱动液压泵以恒定速度向地下推进，直至达到设定的深度后停止钻进，然后再启动钻杆继续向前推进。）在整个同步注浆过程中应始终保持压力稳定，即注浆压力应保持在 之间。若注浆压力过小或过大则会导致桩体发生离析现象，从而影响后续工序；反之则会造成浆液无法顺利注入。）待浆液完全凝固后可根据实际情况调整注浆参数，一般采用 的水泥砂浆作为初期支护材料来保证浆料的密实性。）待注浆完成 后方可开展下一循环工作。工程应用工程在掘进至号隧道下方约处时发生了大变形，导致上部结构出现严重的失稳破坏现象。为了防止该区域内涌入大量水体、泥石流等地质灾害问题，施工人员采用“超前小导管注浆侧壁加固”的方式进行处理措施，并且对隧洞周边地表沉降情况和底鼓位移状况进行监测分析。由于前方存在较大断层，因此在开挖过程中会导致上部结构产生一定的变形，同时还会伴随着一些局部隆起，这会使得下部结构受到影响而出现位移量增大，甚至可能引发坍塌事故；另一方面也有可能导致边墙及拱顶出现裂缝，进而威胁到整个围岩稳定性与安全性。防喷涌效果分析）在正常情况下，当喷射压力大于临界压力时会出现喷射流。此时的喷射流是由于水合物生成而形成的，并且会随着压力的增大逐渐变大，最终导致管片上表面发生破裂、变形等现象发生；此外还会对管片造成一定程度的破坏。结果显示，随着喷射时间增加、压力升高和温度降低，各工况下的最大位移值均呈现先减小后趋于稳定的趋势，其中喷射压力为 工况变化最为明显。这是因为该条件下，喷射水流速度较小，因此射流强度也相对较低，从而使得喷射流在管片上部区域产生较大范围的破碎区。）在不同喷射压力工况下，管片中部位置均存在一个应力集中区，其值约为，但与其他个工况相比，该处的最大应力水平要更高一些。这是由于在该处，喷射水流冲击到了管片表面，致使其受到破坏，进而引起了局部应力集中。同时，在相同喷射压力作用下，不同喷射距离工况之间的最大应力差异不显著。）在相同喷射压（下转第 页）建材世界 年第 卷第期等提出使用小波分析方法对动力荷载作用下结构损伤位置进行识别；殷栎淮等提出基于智能钢筋网络的结构健康检测，可以识别混凝土中的裂缝位置从而进一步确定结构的具体损伤位置。在此项目中，由于钢结构设计的冗余较高，具有较高的强度储备空间，故采用较为简单的识别方式，将其设置为构件最大应力达到构件屈服强度 时即开始预警，在构件最大应力达到构件屈服强度 时认定为构件出现损伤。根据近半年来的监测数据可以看出，该结构健康状态良好，在监测的关键构件位置并未出现结构损伤。可视化处理将前期准备工作中建立的 与 模型导出到 软件中建立结构的 模型，可以将监测数据对应绑定到安装了传感器的构件上。当监测数据出现异常，构件应力发出预警时，可以直接在 模型中标识出来，方便管理人员对其进行定位。结语根据前期构件应力监测数据，该结构的钢结构杆件的应力水平处于受控状态，即结构主要受力构件的应力水平远远小于结构材料的极限应力；根据结构结点沉降位移和水平位移监测数据，该结构未发现明显位移，处于安全可控状态。综上所述，该结构的各项指标正常，处于安全可靠状态。参考文献张启伟大型桥梁健康监测概念与监测系统设计同济大学学报（自然科学版），（）：，：，刘斌大跨度空间网格结构健康监测中传感器优化布置方法研究青岛：青岛理工大学，刘峰青岛胶东国际机场健康监测系统设计与数据缺失修复数值模拟计算分析青岛：青岛理工大学，李宏男，李东升 土木工程结构安全性评估、健康监测及诊断述评 地震工程与工程振动，（）：，（）：杨秀龙，高永刚，展广治，等小波分析在桥梁健康检测中的应用研究低温建筑技术，（）：殷栎淮，吴凡基于智能钢筋网络的结构健康监测低温建筑技术，（）：（上接第 页）力作用下，当喷射角度增大时，管片中部位置处均会形成一个较为稳定且连续的应力集中区，并随着喷射角度增加而逐渐减小；此外还发现，当喷射方向与井壁平行或垂直时，管片中部都不会出现喷涌现象。然而，若喷射方向与井壁呈一定夹角时，则可能会出现喷涌现象。总结与展望通过对富水层段的研究分析，提出了一些新的技术措施和建议。在富水地层中采用“掘进支护注浆加固”联合施工方法可以有效地防止涌砂问题发生并提高隧道安全性；同时也可避免因喷涌引起的地面沉降等不良后果。但是论文仅针对某一段富水砂岩地层进行了工程应用实践，其防控效果还有待进一步验证。参考文献刘琦 富水砂层地铁施工的土压平衡式盾构机喷涌控制