土压平衡盾构凭借其对地面影响小、高机械化等工程特点已经在地下工程中得到了广泛应用。但在高水压和高渗透系数的地层掘进过程中，地下水极易从螺旋输送机排土口涌出，形成喷涌灾害，严重影响盾构的正常掘进，甚至对地层产生剧烈的扰动[1]。
为了防止盾构发生喷涌，开挖下来的渣土应具适当的流动性、低渗透性、适当的压缩性、低黏附性和小的内摩擦角[2]。对渣土进行适当的改良可有效防治喷涌[3-7]，部分学者对改良剂的适用性进行了分析并提出了改良渣土的评价指标[8]。在渣土渗透系数方面，部分学者认为改良渣土的渗透系数需要能在10-3~10-4 cm/s以下保持至少90 min[2]，而根据广州、南京等施工经验，要完全抑制盾构喷涌，渗透系数则需要降低至（1~2）×10-5cm/s[9]。目前，改良渣土的渗透系数应具体调理至何种程度还有待进一步研究。
为了研究盾构喷涌的发生机理，朱伟等[10]研究了大量的盾构工程，其结果表明，盾构喷涌发生于螺旋输送机排土口处的水流量和水压力都较大的情况，并根据工程经验提出了喷涌发生时的水流量和水压力临界值。万泽恩[11]在朱伟等[10]研究的基础上，通过试验及现场监测研究了因渣土渗透性降低或土仓水压突然上升而导致的喷涌，进一步完善了朱伟等[10]提出的水流量和水压力临界值。合理确定螺旋输送机排土口的水流量和水压力对解决喷涌问题具有重要意义。
盾构模型试验以及数值模拟是分析喷涌发生机理较为有效的手段，一些学者通过模型试验[11-12]和CFD[13-14]研究了盾构内渣土的运移情况，其研究结果表明，在土舱压力恒定的情况下，螺旋输送机内孔隙水压力近似为线性变化，可将螺旋输送机内流动考虑为一维渗流。因此，理论上学者们可从一维角度分析螺旋输送机内渗流问题。朱伟等[10]假设土舱和螺旋输送机内流动为一维渗流，建立了土压平衡盾构的水压力递减模型。赵宗智等[15]从一维的角度考虑了盾构正面附加推力产生的超孔隙水压力并将其视为恒定水压力施加在开挖面，建立喷涌的预警指标。Zheng等[16]引入Ergun方程考虑了湍流的影响，通过有限差分解描述土舱内的二维流动。Yu等[17]推导了静水压力下的盾构二维渗流场，并计算了盾构发生喷涌时的临界渗透系数。但上述理论研究仅从静力的角度考虑盾构开挖面的水压力，大量监测数据表明，开挖面孔隙水压力存在周期性变化[18]，因此，现有理论得到的盾构渗流场仍存在一定的局限性。
为进一步研究喷涌的发生机理，利用分离变量法和叠加原理构建了考虑推进过程的土压平衡盾构二维渗流场模型。通过数值软件验证了解析解的正确性，并对参数进行了分析。利用解析解确定螺旋输送机排土口处水流量和水压力的关系，并在结合万泽恩[11]研究的基础上，计算了喷涌发生时的临界渗透系数，绘制了典型盾构在不同水压力下的的喷涌判别图，最后通过试验结果及工程实例对计算结果进行验证。
（1）正常掘进状态下的盾构推力波动频率与渣土固结系数比值近似为0.1~10 m-2，可对应于渗透系数10-3~10-5 cm/s，超孔隙水压力对渗流场的影响在比值ω/Cv等于1 m-2时达到最大，当比值小于0.01 m-2时可将盾构内渗流视为稳态渗流，当比值大于20 m-2后基本可以忽略超孔隙水压力的影响。
（2）典型尺寸下的盾构喷涌判别图表明，刀盘面中心处水压力小于20.4 m时的临界渗透系数大于1×10-4 cm/s，此时将渗透系数降低到10-5 cm/s的改良方式会提高施工成本。
（3）与工程实例和已有解析解的对比表明，本文方法适用性更广且喷涌判别结果与实际情况有较好的一致性，可为渣土改良提供一种评价指标。
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