摘　要　结合我国地铁隧道施工的重要工法———盾构法,以沈阳地铁1号线小什字街站———滂江街站区间为例,通过对全断面砂砾地层中长距离盾构法施工土体改良技术的分析,为相关工程提供借鉴和参考。

关键词　城市轨道交通　全断面砂砾地层　盾构法施工　土体改良技术　长距离

 

     沈阳地铁1号线小什字街站—滂江街站盾构区间隧道,坐落于沈阳市大东区沈海立交桥南端,大致呈东西走向,东起滂江街站西端头井,西至小什字街站。穿行过中捷厂后沿珠林路、小东路之下。区间隧道穿越铁路、高压杆塔及密集的地下管网区域,此盾构区间起始里程为DK18+863.51~DK20+388.550,盾构区间左线长1 526.548m、右线长1 525.04m,隧道单线长度为3 051.588m。

      区间平面线形由直线和曲线组成,曲线半径分别为350、450、600、700m,线间距为13m,线路纵向呈(九)形坡,最大纵坡25‰。区间最大埋深23.753m,最小埋深15.82m。

      盾构掘进地层为 _-4砾砂、 _-4-5圆砾、 _-5圆砾、 _-5-3中-粗砂,所含颗粒最大粒径约为400mm,且大于20mm的砾石约为40%。

      本区间地下水类型为第四系孔隙水。水温14~15℃,稳定水位埋深6.20~8.2m,含水层渗透系数分别为73.6、57.9、50、40m/d。

 

      由于在沈阳地区是首次采用盾构法施工,根据提供的地质勘查报告资料来看,砾石含量高达40%(原状土的筛分试验大于20 mm),为地下水极为丰富的全断面砂砾地层,且力争在1 526 m内不开仓换刀,这在国内尚未有成功的经验。因此,为保证盾构机单线掘进过程中不换刀具及连续向外顺畅排土,必须通过加泥系统对盾构刀盘前方工作面进行土体改良。

      为了达到渣土的顺利排放及保护刀盘、刀具的目的,通过多种添加剂的试验筛选,最终确定选用钠基的膨润土泥浆作为土体改良剂。

      根据现场的原状砂土(见图1),通过掺合一定量的水,使其尽量与原地层中的含水情况相接近,通过加入膨润土浆液来改良土体。

 

      表1中的现场模拟试验数据,为初始掘进时对土体改良浆液质量的控制提供了可靠的参考依据。实验效果见图2、图3。

 

 

      由实验分析可知:在地层中含水量在不超过17%(质量比)的前提下,加入比重为1.08的膨润土浆液,能起到改良土体的效果,且加入浆液的体积比为17%即可,并以此作为盾构机初始掘进时的加泥标准,即膨润土浆液的加入量为6m³/环,随着盾构机的向前推进再不断地总结和优化土体改良剂的配方,同时,在施工过程中对膨润土浆液质量进行严格的动态管理,以达到预期的控制目标。土体改良效果对比见图4和图5。

 

 

      膨润土浆液在经过12 h发酵后,润滑效果很好, 故所配制的膨润土浆液全部经过12 h以上的发酵处理。配有2个6m³拌制罐和3个20m³发酵池,完全能保证每天所需的膨润土浆液。

       根据改性膨润土浆在砂砾中的适应性试验,决定采用上述方法制作的膨润土浆进行注浆。注浆量为砂砾体积的20%时,砂砾塌落度达到15 cm。因此,推进过程中改性膨润土浆的注浆率至少为20%。

      盾构刀盘直径D₁=6.2m。在盾构推进过程中,采用连续注浆的方法。设盾构推进速度为v₁,注浆速度(用浆液液面下降速度表示)为v₂。考虑到在注浆过程中膨润土浆在砂砾中的渗透性以及浆液向四周的扩散性,设定注浆安全系数γ=1.0。

      实际注浆速度的计算为

      v′₂=(1+γ)v₂=1.3v₁

      因此,盾构在砂砾中推进时,将连续注浆的速度设定为盾构推进速度的1.3倍。

      在全断面砂砾地层中进行盾构施工,当泥浆加入率在一定范围内增大时,盾构的推进速度也随之增大,当注浆率在20%时,盾构机能获得较为理想的推进速度约为40mm/min,这也是在施工正常状态下的推进速度。

 

      从扭矩变化与加泥量关系(见表2)中得出结论:

 

 

      1)当加泥量小于6m³时,刀盘扭矩随着加泥量的增加而减小,当大于6m³时,加泥量对刀盘影响较小,故每环最佳加泥量在6m³左右时,既经济效果又好。

      2)盾构机最大扭矩为4 950 kN·m,掘进中最大扭矩为2600kN·m,占总扭矩的52%,远没有达到盾构机的最大扭矩值。

      从推力变化与加泥量关系(见表3)中得出结论:

      1)当加泥量小于6m³时,盾构推力随着加泥量的增加而减小,当大于6m³时,加泥量对推力影响较小,故每环最佳加泥量在6m³左右时,既经济效果又好。

      2)盾构机最大推力为34 320 kN,掘进中最大推力为14 500 kN,占总扭矩的42%,远没有达到最大盾构机推力值。

 

      实践证明,通过区间隧道的顺利贯通,从刀盘、刀具的磨损情况看(见图6、图7),在掘进施工控制过程中,此种比例的活性膨润土浆液能有效地改良盾构工作面土体,在掘进过程中还能有效地预防和控制喷涌现象,同时达到保护刀盘、刀具的目的,为全断面砂砾层中长距离盾构法施工提供了经验。