工程概况
内大南校区站～锡林公园站区间长度1149 m，管片外径为6200 mm，采用盾构法施工。区间出内大南校区站后，沿锡林郭勒南路前行，以 R=800 的半径转弯避过小黑河大桥，下穿小黑河， 穿河区段河面总宽度为 130 m，水深为 0.8～1.5m，区间线间距12～14 m。区间最大纵坡 20‰，区间最小覆土10.2 m，最大覆土 17.2 m。
盾构选型
根据施工需求， 本标段选用铁建重工生产的土压平衡盾构机，刀盘根据呼市地铁指定标段地质条件针对设计，复合式结构，刀盘开口率为 37%，有利于渣土的流动及防止中心泥饼的产生。刀盘布置了齿型鱼尾中心刀1把，正面齿刀布置 23把，边缘双齿刀布置8把，齿刀布置间距 90 mm，高度为 175mm， 另配置了 48 把切刀、8对边缘刮刀、1把超挖刀以及29把贝壳刀。刀盘面板上配有泡沫、膨润土、水注入管路，可有效调节粗砂至泥土不同地层情况下的流塑性， 确保开挖舱内的土压力可调以及螺旋输送机的土压力调节性；刀盘前布置有6 路渣土改良的注入孔， 便于掘进期间根据地层变化及时调整渣土改良方式。
盾构掘进参数控制
为了能更真实准确地掌握盾构机在掘进穿越小黑河时的各项掘进参数， 在盾构机到达小黑河岸边之前设置模拟穿越小黑河试验段，即 150～250 环。试验段地质与小黑河下方地质类似，因此模拟推进施工过程中加密监测点，通过试验段的掘进施工，收集整理施工中各项施工参数，并进行分析总结，模拟通过小黑河时产生的沉降值， 从而确定盾构机通过小黑河期间的掘进参数。
（1）土压力计算
盾构穿越小黑河洞顶埋深 12～13 m （隧道拱顶到河底距离 12 m），穿越地层主要为圆砾、砾砂、中粗砂。试验段掘进拟定参数如下： ①掘进速度控制在 50～80 mm/min，在快速通过河底的原则下匀速推进。②推力控制在 1100～1 500 t。 ③盘转速控制在 1.1～1.6 rpm。 ④掘进模式采用土压平衡模式掘进，土仓上部压力控制在 110～130 kPa，基于盾体埋深、出土量、掘进速度等实际情况进行调整。
土压计算如下：洞顶埋深取 13 m（隧顶埋深，刀盘中心埋深 16.3 m），土压平衡的计算主要考虑主动土压力 P1、水压力 P2、调节压力 P3。 ①主动土压力 P1 按式（1）计算： P1=Ph×tan2（45°-θ/2）-2ctan（45°-θ/2） （1） 式中：Ph-深度 h 处的地层自重应力，kPa；θ-地层的内摩擦角，°；c-土的粘聚力，kPa。 按照砾砂层考虑，即 c=43.5 kPa，θ=15.7°，覆土深度 h 按照 13 m 考虑，则土的密度取 1.91 g/cm3，Ph=19.1 kN/m3×13 m=248.3 kPa，则 P1=74.8 kPa。 ②水压力 P2 按式（2）计算： P2=q×λh（2） 式中：q-渗透系数；λ-水的容重，kN/m3；h-地下水位的高度，m。结合地质条件，砾砂的渗透系数取 0.3，刀盘水位埋深为 7m，λ=10 kN/m3，则 P2=21 kPa。 ③调节压力 P3： 富水圆砾地层掘进期间压力易损失， 故考虑 10～20 kPa的调节压力作为调整值来修正施工土压力。通过以上计算， 可以得出施工时的土压力理论设定值应为 P1＋P2＋P3=106～116 kPa。
（2） 同步注浆量计算
注浆量 Q 按式（3）计算： Q=V•λ（3） 式中：V-盾构施工引起的空隙，m3；λ-渗透系数， 取 150%～200%。 根据公式计算得 Q=5.4～7.1 m3，即注浆量为 5.4～7.1 m3/环。
（3） 出土量计算
每环出土量按式（4）计算： V=K×π×D2×L/4（4） 式中：K-土体松散系数，取决于土质、盾构掘进参数、土体改良情况等，本工程结合地勘报告“综合松散系数”K 取 1.2；D-盾构开挖直径，取 6.44 m；L-掘进长度，取 1.5 m。 根据公式计算得：V=58.6 m3。 出土量管理是盾构掘进的重中之重， 是保证控制地层损失、防止超挖最直接、最有效的手段。对出土量的体积和重量的验证是检验出土量理论计算的最有效手段， 出土量必须将理论计算与实际情况进行对比验证， 施工过程中通过收集的数据对出土量的控制数据进行优化调整。
（4） 渣土改良试验
通过试验段掘进分析，该地层适用于土压平衡模式推进，渣土改良过程，单独用泡沫剂，压力难以保持，易出现超挖现象，加大泡沫剂用量和同步注浆量后情况有所改善，但偶尔仍有超挖现象， 采用泡沫剂+膨润土组合方式进行渣土改良后，状况得到明显改善。每环推进将要完成时向刀盘面、土舱内和螺旋输送机内注入膨润土， 并增加对螺旋输送机内注入的膨润土，以利于螺旋输送机形成土塞效应，防止喷涌。
（5） 掘进参数确定
通过 100 环的试验段掘进数据统计、分析，在富水圆砾地层掘进中，如果提高土压，扭矩上升过快，掘进速度下降，出现严重超挖；如降低土压，保持扭矩和速度，欠压推进将会造成更大的沉降，并在地下含水丰富的情况下出现喷涌，盾构参数不可控，如不及时解决会出现恶性循环，尤其在穿河期间十分危险。根据推进前理论计算，试验段掘进过程中进行监测数据采集，综合刀盘扭矩、转速、推进速度、出土量、盾构姿态控制等各方面数据对比， 先后进行了 6 种推进模式的试验，最终总结出适合穿河期间盾构掘进参数，该种推进模式下，无超挖、喷涌现象，推进速度快速、平稳，期间盾构姿态良好。
（6） 二次注浆控制
该地层下盾构推进，二次注浆尤其重要，如管片与土体间空隙未及时填补，36 h 左右就会反映到地面上，因此需及时进行二次注浆，并控制压力及用量。注浆压力过大，管片周围土层将会被浆液扰动而造成后期地层沉降及隧道本身的沉降，并易造成跑浆；而注浆压力过小，浆液填充速度过慢，填充不充足， 会使地表变形增大。本工程采用二次注浆压力为 0.2～0.3 MPa，每环用量为 0.3～0.5 m3。
（7） 盾尾油脂压注
穿河期间采用性能较好的盾尾油脂， 通过加大每环盾尾油脂压注量来防止浆液通过盾尾渗漏，确保盾尾四周间隙均匀。过河期间每环用量≥100 kg/环，每条油脂管路压力≥3 500 kPa。
结束语
（1）富水圆砾地层土压平衡盾构施工，采用泡沫剂+膨润土进行渣土改良可有效控制喷涌现象， 但施工前需做好配比试验，同时根据具体地层情况调整主辅转换时间节点；
（2）富水圆砾地层土压平衡盾构施工，盾构掘进期间土压力难以保持稳定，易掉压，实际推进压力较计算压力提高 10kPa，可有效预防掌子面坍塌；
（3）出土量控制必须以渣土体积控制为主，重量复核为辅。盾构施工中，严格保证土仓内满土状态及渣土和易性是土量管理的重要方面。对每环掘进所排出的渣土样本进行分析，判断地质情况，实时掌握地质变化情况，及时调整掘进参数，预防超挖。