螺旋机喷涌分析及控制措施

主讲人：李昭晖SAFETYMANAGEMENTofUNDERGROUDENGINEERINGCONSTRUCTION地下工程施工安全管理盾构施工风险管理螺旋机喷涌分析及控制措施目录螺旋机喷涌与卡死事故案例螺旋机发生喷涌的机理螺旋机喷涌引起的危害1444234防止喷涌施工措施4一、螺旋机喷涌与卡死事故案例

北京地铁十四号线7标西铁营站～右安门外站区间，区间全长704.700m，覆土16m左右，下穿凉水河段覆土约9.3m，盾构穿越的主要为卵石⑦层。区间采用土压平衡盾构法施工。1.1区间隧道概况一、螺旋机喷涌与卡死事故案例在施工过程中，当盾构机掘进至241环位置，盾构机由于土体改良出现问题，大粒径碎石出现严重离析情况，并且出现一次比较严重的喷涌现象，导致螺旋机卡死。在解决螺旋机卡死过程中，盾构机停机达到9个小时，并且这期间进行过刀盘转动。当螺旋机恢复正常工作状态后，又一次出现大量喷涌，进而导致了河道内坍塌。坍塌位置正处在河道中心位置。

在对河道进行了开挖后发现，当盾构机进入河道的位置开始，这一段地层都出现了不同程度的塌陷，基本塌陷宽度3m，深度1m。1.2事故发生过程河床塌陷区29日围堰施工情况一、螺旋机喷涌与卡死事故案例1.2事故发生过程喷涌情况：出土口、皮带机、隧道内一、螺旋机喷涌与卡死事故案例1.2事故发生过程喷涌情况：土箱内二、螺旋机发生喷涌的机理一般隧道施工工程，盾构掘进的地层由上至下为素填土、粉质黏土、细砂、粗砂、砾砂及圆砾。当盾构机工作于砾砂地层，砾砂饱和，中密，渗透性较好时，属中等渗透性。其具有明显的触变性和流动性，在一定动水压力下，具有产生流土或管涌的可能，盾构开挖时易产生严重流砂。

本工程中，当盾构机工作于圆砾，饱和，中密，颗粒大小混杂，均匀性较差，最大直径达4～5cm。该层岩性成分较复杂，磨圆度较好，多为亚圆～圆形，渗透性好，水量极为丰富，为强透水层。在盾构施工时易发生涌水、突水，影响施工安全。围岩稳定性也比较差，容易坍塌、变形。二、螺旋机发生喷涌的机理土压平衡盾构开挖面稳定机理是：在停机时，刀盘切削下来的砂土充满土仓，使土仓内的土压力与外界水土压力相平衡。掘进过程中，用螺旋输送机来调整出土的速度和出土量，使进土与出土保持动态平衡，确保盾构掘进过程中开挖面的稳定。若开挖面存在高水压，且土层的渗透系数较大，会使开挖面内的渣土变稀，流动性变大。高压力的水体穿越土仓和螺旋输送器形成集中荷载，造成土仓内和螺旋机后闸门口的压力增高，刀盘扭矩增大，掘进速度减慢，当闸门打开时发生喷涌，土仓内压力减小，当关上闸门，地层中的水又很快会充满土仓内，土仓内的土压力又迅速上升之后，打开螺旋输送机后泥水喷出，导致盾构无法正常掘进。三、螺旋机喷涌引起的危害

首先，大量的泥水从螺旋机出渣口喷出，严重影响到连接桥区域内的施工环境，甚至影响到盾尾及整个台车工作范围。这样施工中就不可避免造成停机，必须清理渣土，而渣土清理采用人工清理，耗时长。三、螺旋机喷涌引起的危害其次，当盾构机停止掘进，关闭螺旋机出渣口闸门时，土仓内的泥水又迅速填满整个螺旋机，一旦重新开启闸门，将又会产生喷涌。这样就会形成恶性循环，掘进速度放缓，盾尾渣土清理时间很长，严重影响盾构施工进度。三、螺旋机喷涌引起的危害再次，由于在喷涌过程中无法有效控制实际出土量，使得盾构在推进过程中难以建立真正的土压平衡，容易出现地面沉陷。四、防止喷涌施工措施在岩层中掘进，遇上隧道下坡段，必须切断管片与围岩间隙汇集的地下水与开挖面的水力联系。管片处于岩层含水层中长度越长，管片背后储存的水力和压力就越大；因此，同步注浆效果必须达到完全填实衬砌空隙并可以阻水，避免土仓与管片背后形成水力通道。为保证注浆效果，过岩层段注浆以同步注浆和二次注浆相结合的方式进行。同步注浆采用水泥砂浆，二次补充注浆采用水泥-水玻璃双液浆，每隔5环灌注双液浆切断隧道后方水源。

1、及时切断部分水源：

四、防止喷涌施工措施2、改善渣土性能

当喷涌较大时，采用向土仓内添加聚合物，将渣土和地下水形成固态或者半固态以利于螺旋机出渣，减少喷涌。

高吸水性树脂类

由于高吸水性树脂吸水而不溶于水，可以吸收自身质量几百倍的地下水成为胶凝状态，如图所示。所以对防止高水压地基的喷涌有很好的效果。树脂填充砂土的颗粒空隙，提高土体的流动性。四、防止喷涌施工措施

（1）做好排污泵的储备，除现场配备的排污水泵外在仓库备用排污泵，发生水泵损坏时能及时更换，及时将盾尾积水排出保证管片拼装。3、增加排污能力，保证隧道正常施工（2）在下坡段隧道施工时如果盾尾积水无法及时排出，可在管片输送器后方增设防水堤（沙袋），减少隧道积水往管片拼装区域汇集，同时可增加水泵往防水堤后方排水保证管片正常拼装。四、防止喷涌施工措施

4、合理使用螺旋输送机的设计能力，防止水淹隧道的情况出现。

螺旋输送机共有两道闸门，第一道闸门在前体与土仓之间的中隔板附近，第二道闸门在出渣口。在掘进过程中如出现大量地下水时，应做以下处理：

（1）控制第二道闸门的开口度并观察皮带机是否能将渣土及地下水混合物运输至渣土斗，如不能采取第（2）步骤。

四、防止喷涌施工措施（2）关闭螺旋输送机的螺杆旋转，控制第二道闸门开口度排清水，同时盾尾排污泵开启往井口排水，待闸门处的水不带压力后开启螺杆选择进行出渣。如出现闸门处水压长期不能泄压并超出隧道排污能力的情况则进行（3）步骤。（3）如出渣口闸门水压长期带压并超出隧道排污能力，应关闭闸门，如第二道闸门不能将地下水完全封闭则将螺杆收缩并关闭第一道闸门，同时召开专家会讨论下一步施工方案。四、防止喷涌施工措施5、在后续拼装的管片外弧面加一圈泡沫条和棉被，阻断后方水源。四、防止喷涌施工措施

6.螺旋机防喷涌设计

6.1双螺旋输送器，顾名思义就是在单级螺旋输送器的基础上再增加一级螺旋输送器，每级螺旋输送器具备独立的驱动系统，既可联动控制也可每级独立操作。

目前，国内外土压平衡盾构机采用双螺旋输送器的连接形式主要有3种:对接、搭接、间断。四、防止喷涌施工措施

6.螺旋机防喷涌设计二级螺旋机（适用于地下水易喷涌的地层）

第1级螺旋输送器采用顶部端头轴向驱动，第2级采用底部端头轴向驱动，第1级与第2级之间采用球形连接，并设有分隔闸门。四、防止喷涌施工措施

6.螺旋机防喷涌设计盾构机配置双螺旋输送器由于受安装空间限制，1、2级螺旋输送器的直径最大只能达到700mm，不能像单级螺旋输送器一样直径可以达到900mm，所以双螺旋输送器通过渣块的最大粒径及输送能力均次于单级螺旋输送器。同时，由于第1级螺旋输送器驱动系统安装处于固定位置，所以不具有伸缩功能，在土仓中螺旋输送器的进土口不能安装闸门，在第1、第2级之间连接处安装第1道闸门，在第2级螺旋输送器出土口安装第2道闸门，其底部装有泄水闸阀，通过管道排入盾构机内的污水池。四、防止喷涌施工措施

6.螺旋机防喷涌设计操作使用

在掘进过程中，一旦发现螺旋输送器出土口有少量的泥浆、泥砂涌出并有喷涌发生的征兆时，可以调节2段螺旋输送器的转速，使第2级螺旋输送器转速小于第1级，这样由于第1级螺旋输送器输出的渣土多于第2级螺旋输送器输出的渣土，使渣土很快在2段螺旋输送器间积聚而形成土塞，从而可以有效地防止喷涌的发生。四、防止喷涌施工措施

6.螺旋机防喷涌设计

一旦发现出土口有大量的泥浆、泥砂喷出，则快速将双螺旋输送器停机，将双螺旋输送器的联动控制改为手动独立控制，关闭出土口闸门及第1、2级螺旋输器之间的闸门，通过第2级螺旋输送器底部卸水闸阀将第2级螺旋输送器内压力水排出，再打开第2级螺旋输送器的出土口闸门，排空螺旋器内的渣土后关闭该闸门，再打开第1、2级螺旋器之间的闸门，使土仓内积水进入螺旋器后关闭该闸门，依此循环开、关第2级螺旋输送器底部的卸水闸阀，以及第2级螺旋输送器出土口闸门，第1、2级螺旋输送器之间的闸门，即可制止发生喷涌，防止大量的泥浆、泥砂喷入隧道内，并提高土仓压力，使其大于掌子面压力20kPa，并快速掘进通过该区域。四、防止喷涌施工措施

6.螺旋机防喷涌设计保压泵渣装置就是为了解决