利用盾构螺旋机双闸门开度差防喷涌施工技术

利用盾构螺旋机双闸门开度差防喷涌施工技术丁二威1, 2, 骆介华2, 刘少凯3, 黄江华2, 吴　勇2, 4,杨祥祥5 , 任　辉1, 程绍恭1, 2, 赵云辉1, 2(1.浙江华东测绘与工程安全技术公司，2.中电建华东勘测设计研究院，3.合肥轨道交通集团，4.浙江智慧轨道交通工程技术研究中心,5.中建八局轨道交通建设公司)

摘 要:为解决盾构在富水砂性土、砂卵石以及上软下硬复合地层因高承压富水而引发螺旋机喷涌问题，基于泥水通过闸口时流速与截面的关系、流速与截面成反比的原理，提出一种螺旋机双闸门开度差扩大排渣截面分级降压的施工技术。该施工技术可保证盾构掘进过程中螺旋机排渣的连续性，避免因排渣喷涌引起土舱积舱、失压导致刀盘磨损、地面塌陷等风险。该施工技术已在南宁地铁2 号线明秀路站—秀厢站区间砂卵石富水地层得到应用，并取得良好效果，实现了盾构在该地层中的快速、连续掘进，降低了对地层的扰动，有效控制了地表沉降。双闸门开度差分级降压技术在高效性、经济性、操作性、安全性、实用性等方面具备明显优势。

关键词: 盾构施工；开度差；喷涌控制；积舱；双闸门；分级降压；受力特征

0引言

城市轨道交通建设风险及难度受地质因素影响较大，其中以砂性土、砂卵石、上软下硬复合地层为代表的高承压富水地层，是施工事故发生的重灾区、频发区。主要表现为地面塌陷、螺旋机喷涌等，塌陷的诱发因素主要为螺旋机喷涌控制不当导致超挖引起，根据文献[1]统计的55例盾构施工事故案例，其中地面塌陷及螺旋机喷涌事故过半。解决这一难题对盾构施工具有重大意义，而问题的突破点即如何解决螺旋机喷涌。

针对盾构螺旋机喷涌的防治措施，工程界有众多学者开展了研究，在相关领域取得了不少的成果，并运用于实际工程中，取得了一些效果。文献[2]提出研发防喷涌装置结合出渣控制措施，减少喷涌现象；文献[3]采用膨润土及泡沫剂改良砂卵石渣土和易性及渗透性措施与防喷涌；文献[4]采取降水井降压结合螺旋机改造控制螺旋机喷涌；文献[5]采用了“泡沫+高分子聚合物”进行渣土改良控制螺旋机喷涌；文献[6]探讨采用双螺旋输送机控制喷涌的施工技术，文献[7]采用钠膨润土、CMC、聚丙烯酰胺等作为渣土改良剂控制螺旋机喷涌；文献[8]利用泡沫、膨润土混合剂改良砂卵石渣土流动性控制喷涌等。

工程界在盾构预防喷涌方面已经积累了很多经验，研究了相关对策,主要是从渣土和设备改良两方面进行预防，但仍存在一定的局限性。通过外加剂进行改良措施方面：1)改良剂属于消耗品，在推进的过程中要持续加入，经济投入大。2)改良剂需要一定的时间与渣土进行充分混合，经过化学反应或物理改良才能够达到改良效果,这需要足够的时间进行充分搅拌才能实现；然而在盾构连续施工过程中，改良剂未充分混合即被排出。3)渣土改良剂改良效果是在实验室条件下完成的，是在常压、无流动状态下容器中实现的理想效果；但在盾构施工中排渣是一种循环、动态、连续性作业，且注入的添加剂从高压向低压螺旋机排渣口区域快速排出，这就降低了其改良效果。从改良设备角度考虑，螺旋机喷涌仅在特殊地层中才会发生，为了预防区间局部地层可能发生的喷涌风险，对排渣系统进行大修大改，不仅增加了设备成本，还不利于设备的维修保养。从经济和效率上看，不利于技术的推广，也很少被施工单位采纳，具有一定的局限性。

从螺旋机双闸门开度差分级降压预防螺机喷涌方面，鲜有学者研究。目前市场上绝大部分盾构已经采用双闸门系统，为利用双闸门控制螺旋机喷涌提供了条件。本文基于泥水通过闸口时的流速与截面的关系、流速与截面成反比的原理，提出采用螺旋机双闸门开度差扩大排渣截面分级降压措施解决盾构在高承压富水地层控制喷涌方法。根据高承压富水地质岩性特征，分析盾构在该地层施工风险产生的原因，以及如何通过控制双闸门系统解决施工风险。在实际工程应用中证实这种控制喷漏方法的有效性，为解决螺旋机喷涌风险提供了新的路径。

1螺旋机喷涌机制分析

富水地层中地下水流动性强，导致砂性土中粗颗粒间的黏性土成分被水体带走，粗中砂地层中缺少了细小颗粒的填充，导致该地层黏结力低、土质松散、自稳性差、孔隙率高、内摩擦大、透水性强等不良特征。尤其在地下水丰富的南方地区进行地下工程施工，会受到很大的影响。

排渣过程中，渣土在地下水的裹挟下，向低压点流动，这样盾构刀盘开口处和土舱、螺旋机会形成地下压力释放的喷涌通道。通道一旦形成，排渣时土舱压力急速降低，盾构前端的开挖面失去压力平衡，将导致土体坍塌，最终引发地表沉降。

1.1盾构在高承压富水地层中螺旋机喷涌机制分析

良好的塑流性、合适的黏稠度、较低的内摩擦力、低透水性等是渣土改良的基本特征，而高承压富水地层渣土完全不具备上述4 个特征，这是造成渣土难以改良以及螺旋机喷涌的主要原因。

盾构在施工过程中，由刀盘旋转切削下来的土体充满土舱和螺旋机壳体内的大部分空间。当渣土为透水性较好的砂性土或碎石时，水和渣土无法有效结合，土舱压力通过水体传递至螺旋机出口处，将在排渣时即发生喷水、喷渣、涌土，称作喷涌现象。喷涌的发生不但影响正常施工排土和土压控制，严重时将导致刀盘周围的土体严重流失，造成地面沉降、塌陷事故。

地层高孔隙率特征为渣土喷涌提供了涌道，在高水头压力的作用下，盘内的水体裹挟渣土从螺旋机排渣口处喷涌而出。盾构施工中土舱保压措施以及地层高水头压力是喷涌发生的前提条件。盾构在砂土、卵石层、碎石层中，由于没有足够的黏性土，或者少量的黏性土在喷涌过程中流失，进入土舱内的固结物质则不能糅合在一起。在土舱内形成“土是土,水是水”的状态，完全失去了流塑性、黏稠度及低透水性。此时进入密封舱的水流量大于渣土量，这样螺旋机就变成了具有一定压力的液体流通管道，打开螺旋机闸门排渣时，刀盘周围的土体及地下水将快速充满土舱形成新的压力，若控制不当或螺旋机闸门被石块卡住时，将导致螺旋机持续喷涌，地铁建设工程中出现的喷涌情况，基本都属此类情况。

1.2螺旋机喷涌引起的工程风险

1.2.1　盾构超挖风险

盾构施工中的超挖现象，实际上是开挖面坍塌所致，保持刀盘前方掌子面稳定是盾构施工中最重要的控制措施之一。特别是当盾构在高承压水地质条件下开挖时，刀盘扰动引起周围地层土体向土舱内涌入，导致正面土体压力平衡难度加大、稳定性降低,甚至失稳。

因此分析地层渗流及稳定性的影响，显得十分必要。超挖风险与地层稳定性有着直接关系，高承压水地层渣土颗粒间黏结力小、地层稳定性较差。推进速度越小，刀盘转矩越大，总推力越大，刀盘对地层的扰动越大，则超挖风险越高。

1.2.2　刀具磨损风险

刀盘转矩过大、总推力过大对刀具的影响也非常明显。在粗中砂地层中，如果土舱出现积舱，增加了土舱内渣土的密实性，即加大了刀盘转矩，同时又延长了盾构掘进时间，对刀具的磨耗影响较大。当刀具磨损较严重时，则需要进行刀具更换。而粗中砂地层自稳性较差，在该地层中进行换刀作业风险很大，因此更换刀具时需要采取辅助措施；同时，大推力、高转矩导致渣温过高，存在刀盘烧结风险。

2传统防喷涌措施及缺点

螺旋机喷涌现象与高承压水富水地层岩土特征有着密切的关系，若能够利用螺旋机双闸门自身构造,使之能够获得防止喷涌的控制能力，则不失为一种捷径。针对粗中砂地层盾构施工的喷涌风险，目前已有的预防措施有：1)采用双螺旋系统控制喷涌；2)加入高分子聚合物改良渣土流塑性；3)注入膨润土改良渣土黏稠性等。

2.1双螺旋机防喷涌措施

双螺旋机防喷涌设置是通过2台螺旋输送机串联，土舱内的渣土先进入一级螺旋输送机再进入到二级螺旋输送机，通过控制2 台螺旋输送机不同的排渣量预防喷涌。一般控制二级螺旋输送机排渣量小于一级螺旋输送机，渣土在二级螺旋输送机内形成“土塞效应”以减小出渣压力的方式来控制螺旋机的喷涌风险。该措施从工作原理上来看，具有可行性，但其缺点也很明显。排渣系统较为复杂，需要对其进行大量的改造，成本高；占用拼装区域空间，影响工人作业；且操作复杂，降低盾构施工效率。

2.2 高分子聚合物防喷涌

通过高分子聚合物与土舱内的水发生化学反应，使渣土具有良好的塑流性及低透水性，达到预防喷涌的目的。该措施需要高分子聚合物与土舱内的渣土充分搅拌，并需要一定的化学反应时间，但在盾构掘进过程中，很难有足够的反应时间使渣土达到理想状态；另一方面，高分子聚合物属于消耗品，需要连续添加入土舱，经济成本高。

2.3膨润土防喷涌

通过膨润土与渣土充分搅拌，使渣土具有良好的塑流性及低透水性，达到预防螺旋机喷涌目的。但注入到刀盘内的膨润土自身很难具备预防喷涌效果，再被地下水稀释，进一步降低了预防喷涌效果。从对施工单位采取膨润土预防喷涌措施跟踪调查来看，大部分膨润土措施以失败告终，该措施投入量大、效果不佳、成本高，且影响施工效率。

3螺旋机双闸门开度差分级降压机制3.1螺旋机双闸门开度差分级降压的工作原理

螺旋机双闸门系统是通过调整内外闸门的开度差方式控制双闸门排渣截面，降低排渣压力及流速，以达到预防喷涌的目的。

从目前的市场来看，绝大部分盾构均采用双闸门系统，其本来的目的是螺旋机出现喷涌时，预防其中一道闸门出现故障无法有效关闭，而在这里可以利用双闸门系统控制出渣喷涌。

图1为螺旋机结构示意图，能够看到排渣口为双闸门系统。图2为出渣口减压降速工作原理图,双闸门系统在排渣时，渣土首先以v1 的流速以及p1 的压力通过内闸门进入到2 道闸门之间的部位，此时流速降为v3，渣压为p2，最后在通过外闸门以v2 的速度排出。

根据在同一时间内渣土通过内闸门流量Q1、外闸门流量Q2以及内外闸门之间流量Q3相等，表示为Q1 =Q3 =Q2，即：

式中: K1 为内闸门的开口量；K2 为外闸门的开口量；v1 为渣土通过内闸门的流速；v2 为渣土通过外闸门的流速；v3 为渣土通过内外闸门之间的流速；L为内外闸门的间距；D为内外闸门的宽度。

从上式可以得知，要使出渣流速不断降低，就必须保证K1 <L<K2，才能分级扩大排渣截面，实现逐级降速降压的效果。但控制排渣过程中需要注意：

1)外闸门不能完全打开，否则渣土直接从内闸门喷出来，起不到扩大截面降低喷涌的效果。

2)当K2 <K1 时，此时内外闸门之间的渣土压力与内闸门内部渣土压力相等，即外闸门开口度小于内闸门开口度，起不到减压减速的效果。

3)渣土从内外闸门之间通过，再从外闸门排出，没有形成截面扩大的通道，因此从外闸门排渣流速受v3 影响较大，所以控制v3 的流速是关键。

4)根据v1 ×K1 =v3 ×L可知，K1 与L的比值越小，则v3 越小，而L是定值，因此控制v3 的关键就是控制K1的大小。在排渣过程中，预防喷涌只需合理调整内闸门的开口量即可，缓慢调整K1 直至v3 达到可控的流速。

5)当v3 处于可控状态，排渣过程中不再出现喷涌现象，避免渣土飞溅以及清渣工作量。

通过上述的措施之后，渣土喷涌风险可得到有效解决，而且不需要向土舱内添加特殊的外加剂，无需对盾构进行改造，只需利用现有的双闸门降低喷涌风险，操作上简单可行，再通过相应的措施，即可保证盾构快速、连续掘进。

3.2积舱、超挖风险预防措施

当螺旋机出渣喷涌得到有效控制后，即具备了连续出渣的条件，此时可以通过旋转螺杆不断地将土舱内渣土排出，最终达到新旧渣土循环更替的平衡状态，掌子面土体可顺利进入土舱内，避免了积舱风险的发生。螺旋机在连续旋转排渣的过程中，形成的“土塞效应”对渣土自身也起到良好的降压效果，可以进一步提高内闸门的开口度，增大排渣量，提高推进速度。

解决了积舱问题，盾构的总推力及刀盘转矩将得到有效控制，推进速度得到较大的提升，盾构对地层的扰动时间明显缩短，超挖风险将得到有效控制。根据施工经验，盾构在粗中砂地层中掘进，当速度小于40 mm/min 时，排渣量明显增大，超挖风险大，地表沉降明显；当速度大于60 mm/min 时，超挖的风险将得到明显改善，地表沉降速率及沉降量变化很小，即刀盘超挖风险将得到有效地控制。

3.3螺旋机双闸门开度差分级降压防喷涌优点

根据螺旋机双闸门开度差分级降压预防螺机喷涌的机制分析来看，与常规防喷涌措施相比,双闸门开度差分级降压预防喷涌具有以下优点：

1)排渣为双闸门系统不需要对现有设备进行改造，排渣为单闸门系统只需要加装1 道闸门，改造简单。

2)不需要添加特殊的外加剂对渣土进行改良，仅通过调整双闸门的开度差即可实现预防螺旋机喷涌。

3)操作简便、措施简洁，有利于措施的实施和推广，无需增加额外成本，防喷涌效果显著。

4)可以实现螺旋机连续排渣，避免土舱积舱，有效降低总推力、刀盘转矩，提高推进速度，降低刀盘磨损风险，保证盾构在高承压富水粗中砂地层中快速、连续推进，降低地面塌陷风险。

5)采用螺旋机双闸门分级降压防喷涌措施，可有效提升掘进速度，降低总推力及刀盘转矩，减弱了对地层的扰动，扩大了土压平衡盾构地层的适用范围。

4双闸门开度差分级降压应用实例

南宁地铁2号线秀厢站—秀厢路站区间长度约为1030 m，该区间盾构穿越地层70%以上为粗中砂、砂卵石地层，具有透水性强，级配差，扰动后易失稳等不良地质特征。其纵断面如图3所示。

由于上一个盾构区间穿越砂卵石地层未采用双闸门开度差预防螺旋机喷涌措施，仅穿越粗中砂及砂卵石地层约200 m，接收时刀具已磨损严重，推进过程中刀盘转矩持续保持在4000 kN·m 以上，总推力在17000 kN以上，速度在30 mm/min以下，各项参数均不合理，导致地表沉降超限频频发生，刀具磨损严重。项目部在参考上一个区间施工的基础上，计划在该区间换刀5 次。

该区间采用了双闸门开度差分级降压原理控制螺旋机喷涌措施，取得了良好的效果，实施方案如下：

1)将外闸门打开至总开度的(参考值) 40%～55%，否则渣土会通过内闸门直接喷涌而出，起不到阻挡降压的效果，但也不宜过小；

2)缓慢调整内闸门开度，通过观察排渣流速，保证内外闸门开度差处于合理状态，避免喷涌，内闸门打开顺序要迟于外闸门，否则将呈现喷涌现象；

3)在消除排渣喷涌隐患后，可以实现螺旋机螺杆持续作业，保证土舱内渣土良性循环替换，避免积舱风险，同时提升渣土“土塞效应”，降低喷涌压力，可适当提高内闸门开度，以实现盾构的快速推进；

4)当推进完成后，首先关闭内闸门，外闸门可以维持打开状态,后续掘进仅操作内闸门即可，操作简洁，效果明显。

当上述措施得到落实，内闸门打开至10～15 cm，盾构掘进各项参数表现出预期效果，刀盘转矩降至3000 kN·m 左右，总推力为9000 kN左右，推进速度可达80 mm/min，土舱压力维持在0.15 MPa左右。此时，盾构各项掘进参数处于良好状态。不仅有效降低了对地层的扰动，同时对刀具耗损影响明显减弱。双闸门开度差分级降压措施在该区间应对螺旋机喷涌方面起到了理想效果。

5结论与建议

1)螺旋机双闸门开度差操控技术可防止盾构施工喷涌，解决了盾构在高承压水地层施工难题。在实际运用中，需要进一步完善双闸门开度差的数值确定估算方法，根据地层综合因数不断调整控制数值，以扩大土压平衡盾构对地层的适应性。

2)高承压水地层一般以粗颗粒砂性土为主，即便原始地层含有黏性土，也会在盾构施工中流失掉，使螺旋机出土时容易发生喷涌。一般在满足注浆量的基础上，此类地层应以快速推进为宜，减少刀盘对地层扰动，是避免超挖风险的有效措施之一。

3)利用双闸门开度差控制喷涌技术措施，通过实际操作，可以减少添加特殊外加剂对渣土进行改良处理，即可消除喷涌风险。盾构在砂卵石土层中总会有粗颗粒及石块进入螺旋机，甚至会导致盾构螺旋机闸门无法正常关闭，出现石块卡住出土闸门的情况，导致持续喷涌现象。针对石块卡闸门现象,需将闸门适当打开一些，石块排出后即可有效关闭，可以继续保持盾构正常推进。

4)保持土压平衡是施工中的重要控制技术。在密封土舱的土压与开挖面的土压保持平衡的状态下，盾构向前推进的同时，启动螺旋输送机排土，使排土量等于开挖量，即可使开挖面的地层始终保持稳定。排土量一般通过调节螺旋输送机的转速和出土闸门的开度予以控制。

本文摘编自《隧道建设(中英文)》, 第43卷 增刊1, 2023年7月，参考文献略。

第一作者简介：丁二威(1985—)，男,江苏宿迁人，2011年毕业于兰州交通大学博文学院，土木工程专业，本科，工程师，现从事城市轨道交通工程风险咨询管理与研究工作。E-mail： 582954702@qq.com。

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