1工程概况郑州市轨道交通5号线工程土建施工10标段，沿线建设3个地下车站、4个地下盾构区间。本场地勘探揭露50 m深度范围内地层主要为人工填土、第四系上更新统（Q3）粉质黏土、黏质粉土、粉细砂以及第四系中更新统（Q2）粉质黏土、粉土等土层。航海东路下方为重点建设内容，本标段主要穿越该处，道路的车流量较大，既有建（构）筑物规模可观，盾构施工期间存在扰动性影响，加大地面沉降的发生概率，以何种方式有效防治成为本标段的重难点施工内容。2盾构施工中的地面沉降成因分析因盾构施工而引发的地面沉降具有阶段性具体有：（1）初期沉降。随盾构作业的推进，前方滑裂面因失稳而发生沉降，伴有较明显的挤压变形现象，导致大范围的应力释放，最终出现固结沉降。（2）开挖面沉隆。随盾构作业时间的延长，土体应力状态较前期发生显著变化，土体应力释放量较大，土层出现塑性变形。（3）盾构通过期间的沉降。从空间关系角度分析，盾构外壳与土层接触部分构成滑动面，该处存在较强的剪切应力，在其作用下使地表变形。（4）盾构通过后的沉降。建筑空隙为重要的成因，除了管片与盾构外壳两部分所形成的空隙外，还包含由于盾构偏移隧道轴线产生的空隙。（5）盾构后期的沉降。此处主要指固结沉降现象，其反映的是地层沉降的时间效应，根据现有技术水平难以从根本上避免此类沉降。3盾构施工沉降的控制措施以沉降控制要求为工作导向，做好盾构机选型工作，确保其在运行参数、盾构姿态等方面均具有合理性，优化盾构施工方法，提高盾构施工期间的沉降控制水平。3.1盾构选型的基本要求本次盾构机选用机器类型以对地质条件的精确研究为基础，本工程采用土压平衡盾构机进行施工。该盾构刀盘针对本工程的地质条件进行了特殊设计，具有以下特征：可在气压下土仓内安全工作，便于土压平衡。刀盘开口可使土体顺利从切削面流向土仓，对于郑州地铁隧道路线的地质情况的复杂性、多变性和黏性这一点尤为重要，可直接将土压传到土压传感器，易进入切削面除去障碍物和钻探进行土壤处理。刀盘可双向旋转用于防止机器的自身转动。盾构刀盘切削开挖面的土体，再在土仓内搅拌，保持一定的土压力，密封土仓壁中设置土压力传感器。根据土压力的大小控制螺旋运输机的转速（即改变排土量），维持土仓内的恒定的土压力值，平衡开挖面的土体侧压力，以达到控制地面沉降的目的。3.2地面初期沉降的控制盾构施工初期仅存在微量的沉降现象，在推进压力的作用下，渗透性不足的软黏地层极易出现此方面的问题。实测资料表明，开挖面前方约10 m处的土层已经存在附加应力，随施工的推进，至前方5 m时该应力值约为0.02 MPa。为控制初期沉降，较为关键的举措在于调整盾构施工的状态，使其具有连续性与均衡性，缩短中途停机时间。3.3开挖面沉降的控制通过对土仓压力的设定与动态化调整，达到控制开挖面沉降量的效果。经过计算后确定土仓平衡土压力控制标准，动态调整螺旋机出土量、推力、贯入量等参数，以达到维持土仓压力稳定性的效果。3.3.1土仓压力的计算方法以现场地质条件和埋深情况为立足点，引入全覆土重理念，由此展开有关于理论土压力的计算。遇黏性地层时则采取按土体湿容重水土合算静止土压力的方式，兼顾地面附加应力值。土仓压力计算：P=Kγh+K （1）式中：P——理论土压力（kPa）；K——静止侧压力系数；γ——湿容重（kg/m3）；h——隧道埋深（m）。鉴于现场施工环境复杂度高、不可预见因素多的特点，为全面确保施工效果，在得到理论土压力后，宜在该值的基础上增加10~20 kPa。3.3.2土压的动态化控制掘进阶段严格控制螺旋输送机的工作状态，保证其出土具有均衡性，减小土压的波动范围。拼装阶段以施工进度为准，在每环停止掘进前均应创建相对较高的土压值，若因时间的延长出现土压下降的情况，则采取间歇推进憋土稳压等方法，经过加压后使土压维持稳定。3.3.3贯入量的控制加强对贯入量的控制，削弱开挖面土体所受到的扰动性影响，避免地层沉降现象。粉质黏土地质条件特殊，在贯入量过大的条件下易产生泥饼，根据现场情况和土压平衡盾构机的工作特性，认为贯入量以20~50 mm/r较合适，再进一步考虑推进速度，最终将该值设为25 mm/r。3.3.4盾构掘进参数的控制掘进期间的参数项目较多，彼此间需维持相对均衡的状态，不可发生大幅度波动，以保证土压具有合理性。以工程实际情况为准初步设定参数，密切关注实际施工情况，对其采取合理的优化措施。参数项目及具体值如表1所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.02.069.T001表1盾构掘进参数统计统计推力/kN掘进速度/（mm/min）刀盘转速/（r/mm）螺机转速/（r/mm）平均1 300421.77.5Max16 300562.315Min11 000151.33.33.3.5盾构姿态的控制（1）滚动纠偏。采用使盾构刀盘反转的方法纠正滚动偏差。允许滚动偏差≤1.5° ，当超过1.5° 时盾构机报警，盾构机通过切换刀盘旋转方向进行反转纠偏。（2）竖直方向纠偏。控制盾构机方向的主要因素是千斤顶的单侧推力，与盾构机姿态变化量间的关系比较离散，靠操作人员的经验控制。当盾构机出现下俯时，加大下端千斤顶的推力；当盾构机出现上仰时，加大上端千斤顶的推力进行纠偏。（3）水平方向纠偏。与竖直方向纠偏的原理一致，左偏时加大左侧千斤顶的推力纠偏，右偏时加大右侧千斤顶的推力纠偏。（4）特殊地层下的姿态控制。盾构通过复合地层（即作业面土体的抗压强度等力学性能指标存在很大差异的地层）时，根据掌子面的地质情况对液压推进油缸进行分区操作。3.3.6渣土改良考虑到粉质黏土施工环境较为特殊，对其采取改良措施，减少泥饼的形成量。土仓渣土应同时满足较高流塑性、较低透水性的要求，土仓内的土压应均匀分布至各处，维持均衡状态，使螺旋机可顺畅出土。粉质黏土的改良选用优质泡沫材料，其与水的比例稳定在1%~3%区间内。粉质黏土含量增加时，同步加大泡沫剂的用量，遇硬塑或可塑状地层施工条件时，需要向刀盘中心处单独注水。3.4盾构通过时的沉降控制盾构通过期间的沉降持续时间较短，极易在短时间内发生大范围的沉降。对此，应改进盾构筒体的直径，尽可能保证盾构首尾直径具有一致性[1]。盾构施工期间协调好各项要素的关系，实现连续的盾构掘进，加强对盾构姿态的控制，避免不必要的纠偏行为。3.5盾构通过后的沉降控制盾构通过后的控制为地面沉降控制全流程中的重点内容，原因在于此阶段的沉降几乎达到施工全程总沉降的40%~45%[2]。同步注浆是较为关键的控制方法，做好此方面的工作可减小盾尾空隙区域的地层变形现象，提高隧道的抗渗水平，管片衬砌可维持相对稳定的状态。同步注浆应用效果与浆液性能具有密切的关联，以惰性浆液较为合适，其凝结时间相对较长，可享受到更加充足的同步注浆压力，在此条件下在极短时间内向后续的多环传压和补压，补强注浆效果显著，可以减少多环隧道土体所产生的时效沉降量。根据同步注浆的施工需求，可按照粉煤灰∶膨润土∶消石灰∶砂∶水=300∶80∶80∶1 100∶350（按重量计）的方式配制。惰性浆液在实际应用中存在不足之处，稳定管片所需的时间相对较长，期间土层围岩等外部产生的作用力较为显著，易发生管片上浮、错台等质量问题。惰性浆液在控制地层沉降方面具有较好的应用效果，对提高隧道施工质量其产生的作用甚微。3.6固结沉降的控制以盾构通过后长期地面监测信息为立足点，采取合适的后期固结沉降控制措施。管片上存在预留注浆孔，可以通过该处组织注浆作业，达到抑制沉降持续发展的效果。从粉质黏土整个沉降周期的角度来看，后期沉降具有持续时间长且难以避免的特点，但仅占到总沉降量的5%左右。4地面沉降的观测方法及结果分析4.1监测点的布设按垂直基坑的方向依次布设地面沉降监测点，剖面间距取30~40 m，按从内向外、先密后疏的方式有序布设。根据现场实际条件，将地表沉降点的断面间距设为30 m，在布设测点时其横向间距设为3~8 m，且前期高密度布置、后续疏松布置。地表处存在较特殊的区域，该处不宜直接布设测点，宜应用到间接测点。4.2监测结果分析汇总沉降监测结果，具体内容如表2所示。10.3969/j.issn.2096-1936.2021.02.069.T002表2沉降监测统计表阶段统计测点1测点2测点3累计平均-0.190.03-2.67-2.84Max1.271.17-0.530.28Min-1.97-1.24-7.45-8.86mm根据表2可知，不同测点所得到的沉降量上下限值各异，其中最大为8.86 mm。对比许可变形范围，各点的沉降值均可控制在该区间内，表明盾构周边地表无异常的变形和沉降现象，总体施工状况良好，可满足要求。5结语城市轨道交通对缓解城市交通压力具有重要作用，其中地铁隧道为关键施工内容，受现场地质环境、周边建（构）筑物、施工作业方法等方面的影响，易发生地面沉降现象。文章通过对地面沉降成因的分析，提出具体的处治措施，以提高地铁隧道盾构施工水平。