1 工程概况
天津地铁1号线东延3标奥体中心—会展中心盾构区间位于天津大道以东，北洋村以北，于庄子以西。线路出奥体中心站后向东南方向敷设，途经辛柴路、双洋渠、蓟山联络线后到达会展中心站。区间右线里程范围为右DK38+771.523～右DK40+117.479，长1345.956m；左线里程范围左DK38+776.995～左DK40+117.479，长链5.389m，长1351.345m，双线全长约2697.301m。隧道平面线形由直线、缓和曲线、曲线组成，曲线半径为2016m； 纵坡为"V"型坡，最大纵坡25‰，最小纵坡2‰，覆土厚度约10.62～18.46m。隧道内径5500mm；隧道外径6200mm；管片厚度为350mm，环宽1500mm，采用预制钢筋混凝土管片，错缝拼装。
隧道主要穿越的土层为⑥2粉质黏土、⑥6淤泥质粉质黏土、⑥3粉土、⑦2粉质黏土、⑦3粉土、⑧3粉土、⑧4粉砂、⑨3粉土、⑨4粉砂、⑨5细砂。区间左右线各存在1段长约750m（200～700环）隧道全断面主要为⑨4粉砂、⑨5细砂等砂性土层（详见图1）。⑨4粉砂、⑨5细砂层为承压水含水层，且具有相对较高的压缩模量及较大的内摩擦角，其地层物理力学特性详见表1。
图1区间隧道断面砂层段剖面图
表1地层物理力学特性表
2 施工难点分析
1）盾构在承压水层掘进时，由于承压水层水头压力高，在动水压力下易产生管涌、流砂、涌水，引起 螺旋机喷涌、出土困难、盾构超挖、姿态较难控制等现象，进而导致开挖面失稳、地面沉降及塌陷，给盾构施工带来严重安全隐患。
2）砂性地层具有相对较高的压缩模量及较大的内摩擦角，盾构在掘进过程中容易出现推力大、推进速度缓慢，进而引起刀盘、刀具的磨损。
3 施工措施
3.1 盾构机优化设计与改制
前期在地质条件勘察和施工要求的基础上，从盾构快速推进着手，对盾构机刀盘刀具、壳体、推进、注浆等各方面考虑，并结合以往施工经验对施工工况进行分析，确定合适的盾构机机型，确保盾构推进效率提高。
3.1.1 刀盘优化设计
从刀盘的刀具布置来适应该工程砂性土层的特性，具体措施如下：
1）针对砂土内摩擦角大的特性，为了让经刀盘切削下来并进行改良的土体顺利进入土舱，特将刀盘的开口率从原先的28%调整至40%，采用辐条式+面板式的结合形式，有效地增大土体进入量，减小盾构掘进时的阻力，如图2所示。
2）盾构刀盘配备中心刀、刮刀、仿形刀、贝壳刀、先行刀和周边刀；同时盾构配备人行闸，施工人员可进入土仓对不明物体进行探摸，然后实施后续措施。
3）在刀盘中心及边缘进行硬化处理并堆焊耐磨材料、在刀盘外圈设有保护刀具，在刀盘面板上增焊耐磨层以提高刀盘耐磨性能。
（1）调整前 （2）调整后
图2 刀盘开口率调整
3.1.2 壳体设计
为了减少盾构壳体与周边砂土的摩擦力，特将盾构壳体设计成倒锥形（刀盘直径6400mm，盾尾外径6380mm），形成了越往盾尾方向摩擦力越小的受力模式，极大地减少了盾构的推进力。
3.1.3 螺旋机出土装置改制
为防止盾构机在全断面粉土、粉砂承压水层中掘进时螺旋机产生喷涌现象，螺旋输送机配备3道闸门（2道液压闸门，1道人工闸门）。但是根据以往工程经验在高承压水砂层中掘进时由于推进完成后在关闭闸门时会将砂土挤进螺旋机闸门凹槽内，长久使用后造成自动闸门凹槽内积满砂土，导致2道自动闸门无法关死现象。每当盾构停推较长时间，螺旋机便会产生喷涌情况，给施工带来很大风险。在发生喷涌现象后仅能依靠手动闸门防止螺旋机喷涌，手动闸门作为应急措施，其材质单薄，频繁使用可能导致闸门部件损坏，存在很大安全隐患，因此对螺旋机进行相应的优化。
具体优化方案为启用第一闸门上端口2处清洗孔，并在第二道液压闸门上端门板滑槽附近开设3个清洗孔，每个清洗孔安装1英寸球阀。随后从盾构机加泥加水螺杆泵接水管至螺闸门清洗孔，并在管路中增加单向阀防止泥沙倒灌，从而实现每环推进后便对闸门槽口进行清理，确保闸门关闭到位。
图3螺旋机出土装置优化图
3.2 土体改良措施
盾构由粉土层进入砂层时，刀盘扭矩提升较高，且严重影响推进速度，为此针对性选择土体改良措施。土体改良可以有效提高土仓内渣土的抗渗透能力，降低土舱内渣土以及隧道断面土体的内摩擦角，防止渣土粘附在刀盘上结成泥饼。经施工现场整体筹划比选，鉴于膨润土泥浆改良需设置复杂的拌浆、输送及过程质量控制措施，因此土体改良主要选择泡沫改良工艺。并通过室内实验、理论分析以及试验段推进，确定不同阶段改良添加剂配比及使用参数，详见表2：
表2土体改良剂使用参数
在采取合理有效的土体改良措施之后，掘进参数明显改善，刀盘扭矩降低约32%，在2500～3000kN•m；掘进速度也得到明显提升，提高了盾构掘进的整体速率；推力下降，降低了盾构掘进的机械负荷。
3.3 基本参数控制措施
1）在水土分算理论计算土压力（0.20MPa）的基础上相应提高0.005～0.01MPa，土压力设定值根据地表监测数据及隧道埋深及时调整。出土量不得大于49m3，防止超挖。
2）掘进过程掘进速度控制在30mm/min左右，控制总推力≤20000kN。
3）富水砂层的承重能力较低，加上盾构机在掘进过程中的震动，姿态较易往下沉。因此在地层中盾构机的姿态易保持向上，控制在+5mm。
4）保持连续掘进，减少盾构机停顿时间。
3.4 同步注浆控制措施
3.4.1 浆液选择
由于一般惰性浆液在固结时有游离水的出现，有体积收缩现象，在地铁振动荷载或地震荷载作用下底部浆液容易产生振动液化，从而影响到隧道的稳定性，对列车的正常运营带来危害。为了提高浆液的力学性能和抗液化性，本工程采用新型惰性浆液，其性能及配比见表3、表4。
表3 浆液基本性能指标
表4 同步注浆材料初步配比表（kg/m3）
3.4.2 同步注浆施工控制
在砂层推进过程中注浆极易往外扩散，需根据注浆压力（0.3～0.4MPa）和地面情况,及时调整注浆量(为建筑间隙的150%～200%)。盾构推进时从盾尾圆周上的4个点对称均匀注浆，考虑到水土压力的差别和防止管片大幅度下沉和浮起的需要，各点的注浆压力将不同，并保持合适的压差，以达到最佳效果。在最初的压力设定时，下部每孔的压力比上部每孔的压力略大0.05～0.1MPa，确保脱出盾尾的管片背后的空隙能填满，这不仅可降低后期地面的沉降，也对可减少管片渗漏水现象。
4 施工效果
通过采取以上施工措施，盾构在穿越富水砂层过程中，地表沉降控制良好。一般脱出盾构10d后沉降数据开始稳定，稳定累计沉降值均控制在-15mm之内，满足设计规范（-30～10mm）要求。
5 结语
天津1号线东延3标奥体中心站—会展中心站区间盾构穿越富水砂层时，采取盾构机改制技术、施工参数优化、土体改良技术以及采用新型惰性浆液作为同步注浆浆液材料等个措施。最终，该区间隧道顺利贯通，且地表沉降以及隧道质量均控制在设计范围内，证明了以上措施是可以顺利解决盾构穿越富水砂层地层的，可为后续盾构穿越富水砂层提供一定的技术支持。
摘自《上海隧道》