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摘要：本文通过对郑州轨道交通5号线工程的盾构技术进行系统地研究、总结，就郑州东部地区典型砂层的工程性状进行了简要分析并对盾构近距离下穿高铁既有线及无基础民房“零沉降”施工技术进行探究，为以后类似盾构施工提供了初步参考。
关键字：典型砂层盾构近距离下穿“零沉降”
1.引言
在典型砂层采用盾构施工，地面沉降控制无疑是一项艰巨而困难的工作，从国内外文献中关于盾构下穿既有线的沉降控制技术没有形成成熟的技术方案。尽管我国有些专家学者对“零沉降”施工技术有了一些初步的研究，但研究内容仍然停留在对施工方案的优化，没有针对盾构下穿既有线“零沉降”施工进行专门的研究，尤其是针对盾构连续下穿多条既有线及一级风险源技术的研究少之又少。因此，对盾构下穿既有线“零沉降”施工技术研究具有重要意义。因此，通过对郑州轨道5号线土建07标所在郑州东部地区典型砂层的综合施工技术研究，在关键技术上取得较大成果，为今后实际工程的设计、施工提供理论参考与技术支持具有重要的意义。
2.工程实例
2.1工程概况
郑州轨道交通5号线工程为环线，起止于西站街站，线路全长约40.23km，设站32座，其中换乘站15座。土建07标段，包括2个地下明挖车站、2个盾构区间，位于郑州市经济开发区内，如下图2-1所示。根据岩土的时代成因及地层岩性特征，结合工程实际特性，在地勘探过程中揭露深度范围内地层岩性的主要组成部分：粉砂、细砂、人工填土、粉土、及质粘土等，本场地地下水主要为孔隙潜水和承压水，勘察期间测得第一层地下水稳定水位埋深为13.9～15.2m，高程为80.17～81.49m；第二层地下水为承压水，含水层厚度为1.20～10.50m，承压水埋深为22.20～36.70m，含水层上方隔水层为粘质粉土层，隔水层厚度为0.90～2.80m左右。
图2-1地理位置卫星示意图
3.分析与研究
3.1区间施工对京广高铁和陇海铁路影响模拟和原因分析
（1）数值模拟
在对盾构隧道通过陇海铁路时，利用采用FLAC3D软件完成三维数值模拟分析。以郑经区间盾构隧道与陇海铁路之间的空间位置关系，作为建立三维有限元计算模型的有效前提。以地层范围隧道结构外左右两侧范围为核心，进行数值模拟过程中取3倍左右洞径，确保模型X的模拟范围为80m；区间隧道结构底板下方取约5倍左右洞径，即模型Z向范围为60m。假设围岩所采用的材料为理想弹塑性材料，并在使用过程中服从Mohr-Coulomb屈服准则，在进行单元类型划分过程中以8节点六面体三维实体单元，及4节点四面体三维实体单元为主，根据计算后得出结果，一共划分了38052个实体单元。宰对围岩和铁路路基进行模拟时，全部采用实体单元模拟的方式，便于计算中对弹性材料的属性更加明晰。在对盾构隧道管片进行单元模拟时，主要采用FLAC3D内置的Shell结构。数值模型计算时，可以以下边界条件为计算标准：平面X=-40及X=40对X方向的位移有所限制；平面Y=0及Y=87对Y方向的位移有所限制；平面Z=-60限制其Z方向的位移。
在隧道开挖过程中容易引起地层扰动，从而变回导致盾构隧道纵向所在区域正上方的土层在一定范围内发生了变化。若是在开挖过程中将左线盾构隧道贯通，那根据底层沉降速度及压力计算，地层最大竖向沉降约将会达到6mm。若时开挖过程中直接将双线盾构隧道贯通，根据计算地层最大竖向沉降将会达到8mm。
盾构隧道开挖导致地表和盾构隧道上方铁路路基出现严重沉降现象，在整个盾构隧道完成全部开挖工作之后，地表便会随之形成“V”形的沉降槽。地层最大沉降及水平位移均位于隧道周边，最大沉降位置位于两线盾构隧道的对称面处。
图3-1模型建立及数值分析
（2）沉降原因及处理措施
1）发生沉降的原因
由于在施工过程中出现的地层损失，加之施工对于土体原本结构的扰动，以及地下水在施工过程中的逐渐流失所导致的土体固结现象，都会引发隧道施工的地表沉降现象。
①隧道开挖的过程中周围土体弥补地层损失，便会出现因地层移动现象，所引起的地表沉降问题，造成地层损失。
②隧道开挖导致土体结构改变、出现地下水流失现象，以至于水土失去原始平衡，然后周围土体内部孔隙便会随着水压力的变化而变化，最终出现因地层排水固结所引起的地表沉降现象，同时土体变化极大程度的影响着地表变化，出现沉降也是一种必然现象。
以盾构机对地层的扰动情况进行分析，地表的沉降会经历盾构到达前、盾构通过过程中、盾构通过后这三个阶段性的沉降，在盾构通过过程中发生的沉降还可将其划分为两类：刀盘通过时沉降；盾体通过时沉降，盾构通过后的沉降可将其划分为两类：管片脱出盾尾后沉降；后续沉降，如图3-2所示。
图3-2盾构掘进沉降机理
2）处理措施
①刀盘到达前沉降现象的控制措施
在设置土压力时让其能够达到或略微超过被动土压力值，降低刀盘通过阶段土体沉降现象，并根据实际情况开展试验段分析，可发现若将土压力设置在Ep+0.01MPa内，地表则会直接隆起0.2~0.5mm。
②盾体通过阶段沉降现象的控制措施
盾体多数为为锥形设计，随着刀盘到盾尾盾体的直径会逐渐减小，所以刀盘完成切削，锥形盾体通过时，盾体四周会出现一段空腔，若实际施工地区处于自稳性较差的地层，则盾体周边土体会呈现出收敛状态，从而引起地表沉降现象。在本工程实际施工中，为避免该种现象，便在盾体周边注入粘稠度在45s以上的膨润土。
③盾构机通过后沉降控制措施
盾尾与管片脱离之后，土体发生沉降的原因主要是由于和管片之间的距离过大，达到13cm左右，因此在掘进过程中，必须要根据盾尾脱离管片的速度采用注浆管缩减管片与土体之间的实际距离，避免盾尾与管片脱离后出现土体坍塌的现象。因此必须要做好注浆工作，有效防止沉降。
3.2盾构超近距离深孔注浆技术
常规的二次注浆一般在管片脱出盾尾5环开始进行，对同步注浆未填充部分、体积收缩、流失部分进行补充注浆。盾构施工最大沉降发生在盾构掘进管片与盾尾分离过程中，因为同步注浆不饱满、收缩、流失等原因造成的沉降，尽管通过在后方第5环管片进行二次注浆，但在掘进和拼装此5环管片过程中仍旧会发生沉降，引发的地层变形，对既有结构物会造成不同程度的有害影响，如造成地面建（构）筑物沉降超标、地下管线错位等危害，常规的二次注浆方法不能有效解决沉降这一难题。
为确保下穿风险源安全，实现“零”沉降施工，彻底解决沉降问题，保证盾构连续、高效施工，本工程提供了一种盾构超近距离深孔注浆技术，能够解决盾构法隧道施工过程中通过普通二次注浆无法完全控制地表沉降的难题。
（1）深孔注浆装置
深孔注浆装置包括深孔注浆管、与深孔注浆管连接的注浆头、与注浆头连接的球阀，所述球阀和深孔注浆管路之间设有连接器，深孔注浆管路与注浆泵连接。
注浆头和深孔注浆管之间设置单向阀，防止浆液倒流。注浆头和球阀、注浆头和管片之间通过螺纹连接。深孔注浆管为高压耐磨橡胶管，深孔注浆管依次穿入球阀、注浆头、单向阀和管片，并深入管片外部1.15m。连接器为三通，深孔注浆管路由水泥浆管路和水玻璃管路组成，水泥浆管路和水玻璃管路在三通处汇合。
图3-3深孔注浆装置
（2）超近距离深孔注浆技术
根据模拟数据分析，盾构施工最大沉降发生在管片与盾尾分离过程中，超近距离深孔注浆技术在普通二次注浆的基础上发扬和改进，该方法实施位置紧邻盾尾，注浆时间与同步注浆同时作用，随着盾构机与管片的分离，建筑空隙将被填充，由于深孔注浆作用在建筑空隙的上部地层中，有效防止地层松弛、应力释放产生的地层变形。
盾构机向前推进、盾尾与拼装的管片之间出现建筑空隙，建筑空隙通过同步注浆孔注入浆液填充；建筑空隙达13cm，对上部地层产生应力释放和变形，通过盾尾处设置深孔注浆装置，实施超近距离深孔注浆技术，深孔注浆作用是稳定与加固隧道四周的土体，防止地层松弛产生变形。上述同步注浆与超近距离深孔注浆同一时间实施，共同作用，在盾构向前掘进过程中，更为强调及时性，瞬时解决了沉降问题，切断了地层变形向上传递，从根源上控制沉降。
1）深孔注浆技术参数
①浆液配比
下穿高铁、陇海铁路、无基础民房均属于重大风险源，为减少地表沉降，深孔注浆选择速凝型浆液，本工程选择水泥－水玻璃双液浆，水泥单液浆配比取水灰比1∶1。
表3-2双液浆配比及浆液主要性质表
②注浆压力的控制
若使在注浆过程中的压力过大，责会直接导致管片周围土层被浆液扰动，在后期使用过程中地表和隧道也会随着时间的推移出现沉降，且还会出现跑浆的现象，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。深孔注浆压力控制在0.3～0.5MPa。
③注浆量的控制
注浆量的控制需要根据勘察人员对地质及注浆记录情况进行分析，并结合实际监测的情况，控制注浆压力与注浆量，注浆压力小于0.5MPa，注浆量不超过2m3。
2）防盾构击穿措施
由于深孔注浆与同步注浆同时作用，作用于盾尾刷位置压力增大，容易将盾尾刷击穿，这是本技术应用的制约因素，本工法提出了盾尾刷的防止击穿措施，避免了在注浆时盾尾刷被击穿。
①确定深孔注浆管的长度，选用长度为1.5m、管径为1寸的深孔注浆管伸入地层1.15m，避免直接接触盾尾刷，注浆过程中地层对传递给盾尾刷的压力起到减缓作用，此方法更接近建筑空隙，做到超近距离深孔注浆施工。
②确定注浆时间，超近距离深孔注浆时间选择在盾构掘进过程中，与同步注浆同时施工，随着盾构机与管片的分离，建筑空隙将被填充，由于深孔注浆作用在建筑空隙的上部地层中，对防止地层松弛、应力释放产生的地层变形有更好的作用。
③确定注浆压力，盾尾刷的极限耐压为0.8MPa，同步注浆和深孔注浆综合压力需小于0.6MPa，盾构掘进过程中加强对同步注浆装置的压力检测，确保压力小于0.6MPa，同时加大盾尾刷处的盾尾油脂的注入量，监测盾尾油脂的压力值，保证盾尾油脂压力值大于注浆压力值。
3.3盾构掘进参数控制及标准化施工
必须要对盾构正面平衡压力进行严格的控制。尤其是在盾构机过砂层过程中时，以下两种方式能够确保土仓压力值一直处于平衡状态：首先，需要保持推进速度不便，然后调节螺旋输送器的转速或闸门开度（螺旋输送器转速减小均能达到增大土仓压力的效果），控制施工过程中的出土量，确保土仓压力处于密封状况；其次，保持螺旋输送器的转速或闸门开度不变，同时增加盾构机千斤顶的总推力，让推进速度能够不断的提高，从而让密封土仓压力实现提升。
出土量必须要进行严格的控制。出土量出土可适当欠挖，确保土体的密实程度，避免出现地层变形过大的现象。参考郑州其他线路类似地层掘进经验，每环的出土量都会控制在39～41m3（松散系数1.05～1.08）。
管片与盾体的脱离过程必须要进行同步注浆控制。砂土渗透性强且含水量大，实际注浆量需要在合理的范围内大于理论计算量，才能确保注浆质量。在选用浆液时，必须要选用砂浆初凝速度快，强度高的硬性浆液，提升管片周围土体的固结速度，避免地面沉降超限。地层含水量大，可以在浆液中适当添加膨润土20kg/m3，达到良好的止水作用。同时还要根据地面实施监测数据，针对注浆不合格的位置及时采用二次补强补浆。
控制好盾构机的姿态。盾构区间洞身主要细中砂层，局部含有粉细砂层，在这些地层中掘进时，盾构机体可能会出现上抬、下俯或左右偏斜，因此，掘进时要特别注意对盾构机姿态的控制，防止盾构机发生偏移，并做到及时纠偏。
加强监测工作。及时反馈监测信息加强地面的沉降、洞内的管片上浮、旋转、收敛等监测，及时根据监测数据调整相应掘进参数，严格执行盾构施工质量标准化管理“1234”工作法，以保证盾构掘进施工安全及成型隧道质量。通过试验总结出盾构机各方面参数如下表所示：
图4-1路基沉降阶段变化图
盾构施工中沉降控制技术是盾构施工的关键技术，本工程以郑经区间盾构施工工程为依托，通过采取有效的沉降控制措施，取得了良好的效果，累计最大沉降不到1mm，基本实现了通过下穿铁路“零”沉降，能有效的为类似盾构法施工工况控制沉降提供参考。
参考文献
［1］王学沛,盾构下穿京广高铁及陇海铁路沉降控制技术研究[J].工程建设与设计，2017，（18）:50-53
［2］陈长文,苏州地铁盾构穿越金鸡湖施工技术[J].铁道勘测与设计，2012，（5）:77-81