工程概况
站场四街站～会展站区间线路起点位于郑州市航空港区中牟县三官庙，向东敷设至会展站，在里程K66＋729.823～K66＋820.069处穿越南水北调中线总干渠及姬庄南沟（倒虹吸）。盾构区间与南水北调干渠的交角为91°43′，与干渠结构底的净距为14.713ｍ。单线穿越南水北调中线总干渠的长度为91ｍ。区间采用盾构法施工，采用两台日本奥村生产的直径为6140ｍｍ盾构机分左右线穿越南水北调总干渠。穿越南水北调干渠工程属于Ⅰ级风险源，为确保盾构穿越过程和后续的渠道安全，本次施工拟采用克泥效工法。
穿越处南水北调主干渠的断面型式为半挖半填渠段，挖深约为7.5ｍ，填高约1.2m，渠道设计底宽21.0m，渠深约8.9m，边坡坡度1：2.5。干渠两侧马道宽5ｍ，马道以下全断面采用混凝土板衬砌，渠坡现浇混凝土板厚10cm，渠底厚8cm。岸边从内到外依次布置有防护堤、草皮护坡、横向排水沟、防护林带、截流沟和防护围栏。
地铁穿越南水北调中线总干渠平面位置图
(1) 穿越段地质状况
盾构穿越南水北调总干渠段区间拱顶上方土层主要为⑥１粉质黏土、⑤７粉质黏土、④１黏质粉土、④２粉砂、①１粉土填土等，盾构机穿越段主要穿越地层为⑥１粉质黏土、⑥４细砂、⑦１粉质黏土。
地质剖面图
(2) 水文地质状况
场地位置地下水主要接受侧向径流及越流补给，以侧向径流、人工开采方式排泄。根据初勘报告，有一层地下水，为潜水（二），水位埋深8.0～15.2m左右，标高104.02～136.42m，观测时间2016年4月，该层水赋存于水位以下的冲洪积层中。潜水（二）对混凝土结构具有微腐蚀性，对钢筋混凝土结构中钢筋在长期浸水条件下具微腐蚀性。
试验段数据分析
(1) 准备阶段
1）穿越南水北调干渠前，在YK66＋871.864～YK66+917.864（856环～931环）设立75环试验段。
2）在穿越前组织维保人员对盾构机设备进行检修，确保盾构机及附属设备故障率低，保证均匀、连续施工，尽量减少对土层的扰动，以达到最小沉降。
3）施工期间，安排监测人员及时对隧道掘进影响范围的地表进行监测，保证盾构监测数据及时、准确。
4）编制专项应急预案，并按照方案提前准备应急物资，并进行演练。
(2)数据分析
1）按拟定的参数进行试验段施工过程中，盾构机平稳推进，设备各项数据显示正常，监测数值在设计误差范围内，未出现异常情况，试验段结束后统计每环数据，确定最佳参数范围。
2）同步注浆：管片外径6000mm，刀盘外径为6170mm，理论注浆量为Ｋ×π×（Ｄ－ｄ）×Ｌ／４＝3.6～4.8m３。式中：Ｋ为注浆率（150％～200％）；Ｄ为盾构机的切削外径；ｄ为管片外径。试验段同步注浆量在设计范围内，满足要求。
3）出渣量：刀盘外径为6170mm，理论实方出渣量为πr2×1.5m＝44.8m3，松方系数为1.2，理论出渣量为53.8ｍ３，试验段出渣量统计为５０～５３ｍ３，满足要求。
4）盾构机姿态：按照前期施工参数值进行控制，试验段结束后，对成型管片轴线、高程偏差进行测量，并与设计值进行对比，最终将盾构机姿态控制参数确定为±２０ｍｍ范围内，满足要求。
5）周边地表沉降值、变形速率：试验段监测数据最大沉降值－６ｍｍ，变形速率１．６ｍｍ／ｄ，满足设计图纸规定的周边地表沉降值范围＋５ｍｍ、－１５ｍｍ，变形速率范围±２ｍｍ／ｄ的要求。
(3) 工作参数确定
通过试验段的数据分析，制定合理的掘进、注浆参数等指导后序穿越期间盾构施工。确定的具体参数为：土仓压力１.０～１.６ｂａｒ（１ｂａｒ＝０．１ＭＰａ）；掘进速度５０～６０ｍｍ／ｍｉｎ，盾构机平稳推进；总推力８０００～１０５００ｋＮ；同步注浆３.０～４.０m３／环，适当增加浆液稠度，初凝时间缩短，为设计量的１.５～２.０倍；同步注浆压力３.６～４.８ｂａｒ，为设计量的１５０％～２００％；二次注浆压力３.５～５ｂａｒ；刀盘扭矩２２００～３３００ｋＮ•ｍ；出渣量，５０～５３m３／环，严格控制出渣量；盾构机姿态，±２０ｍｍ，垂直方向，考虑管片上浮和土体沉降；克泥效Ａ液／Ｂ液＝２５０ｋｇ／３０ｋｇ，按照配合比进行混合注入；周边地表沉降值（设计值）＋５ｍｍ、－１５ｍｍ；周边地表变形速率（设计值）±２ｍｍ／ｄ。
沉降数值模拟
根据河南省南水北调干渠分局提供的设计图纸，施工中严格按照此指标进行控制，不允许出现结构沉降变形超标情况。
南水北调干渠及姬庄南沟结构变形控制标准值
依据地质条件、试验段盾构掘进参数，采用大型有限元数值计算程序迈达斯ＧＴＳ－ＮＴ对盾构穿越施工时南水北调干渠和姬庄排水倒虹吸结构的变形进行三维数值模拟。综合考虑南水北调干渠与盾构区间空间交叉，选取模型的范围为竖向８８.８ｍ，横向２８０ｍ。
具体分析如下：最不利工况为南水北调干渠内设防水位时，盾构区间单线隧道通过后干渠结构底沉降为６.３２ｍｍ，姬庄南沟的沉降为５.９３ｍｍ；区间双线隧道通过后干渠结构的最终沉降为１１.２６ｍｍ，姬庄南沟的沉降为９.９９ｍｍ，满足规定的沉降要求，试验段掘进参数可行。
区间施工过程南水北调干渠渠底沉降技术
关键施工技术
(1) 克泥效工法
克泥效是由合成钙基黏土矿物、纤维素衍生剂、胶体稳定剂和分散剂构成。
克泥效配比及性能
克泥效工法是将高浓度的泥水材料与塑强调整剂（即水玻璃）两种液体分别以配管压送到指定位置，再将此两种液体以适当比例混合成高黏度塑性胶化体后，再通过盾构径向孔向盾体外注入的一种新型工法。混合后的流动塑性胶化体不易受水稀释，且其黏性也不随时间而变化。
孔隙处注入克泥效示意图
由盾构机的径向孔向盾构机的盾体外注入克泥效，经１１点钟和１点钟位置的径向孔轮流注入，及时填充开挖直径和盾体之间的空隙，注入率为１３０％～１４０％，同时控制注入压力和注入量；地面同步监测地面的沉降，及时调整。
在穿越前１０环，开始做克泥效工法穿越，统计克泥效注入后各项掘进数据。穿越风险源结束后，克泥效继续注入５环。
克泥效工法的优点：
1)填充盾体与开挖面间隙，确保同步注浆不会在注入量大时窜浆进入土仓，影响正常挖掘。
2)渗透进土体，在开挖面形成泥膜，保护浆液质量不被水稀释，减少同步注浆在地层中的流失率，减少同步注浆用量。
3)有效的抑制土体水分流失，特别适用于穿越河渠、地下水控制较严地段。
4)资源投入少、施工干扰少、质量宜控制、无环境污染等。
(2) 加强同步与二次注浆
1) 同步注浆
盾构隧道穿越段同步注浆采取注浆压力与注浆量的双控指标衡量注浆效果，结合监测数据变化，及时调整同步注浆量与压力，以保证同步注浆饱满，不会出现隆起或沉降。
水泥浆、水玻璃双液浆试验成果表明，双液浆的凝结时间呈以下规律：①水玻璃模数较大时，二氧化硅含量高，凝结时间短；水玻璃模数较小时，二氧化硅含量低，凝结时间相对较长。②其他条件相同时，随水泥浆浓度的增加，凝结时间缩短。③其他条件相同时，水玻璃浓度为３０～５０°Ｂｅ′时，水玻璃浓度减小，凝结时间短。
水泥浆∶水玻璃（体积比）＝１∶１，凝结时间较短，此配合比适用于盾构机掘进时地下水较丰富的地层。
双液浆优化后配比
盾构施工中，横断面地面沉降曲线对隧道中线呈对称分布。盾构即将到达时，地层会有微量波动；盾构通过横断面期间，沉降速率明显变快，此阶段为沉降主要阶段；当盾构离开监测断面后，沉降速率变慢，注浆作用下沉降会有所减小并趋于稳定。因在盾构通过时，沉降最明显，应根据地面沉降数据及时加大或减小注浆量，对注浆参数进行调整。
2) 二次补强注浆
在盾构穿越段范围内，管片新增注浆孔４个，共１０个二次注浆孔，采取盾构管片外全断面深孔注浆的方式，对周边地层进行注浆填充。
3) 管片加强措施
管片环采用错缝拼装形式，站场四街站～会展站区间标准段采用Ｉ型管片；考虑到干渠的重要性，并且结合管片配筋计算，综合分析确定管片采用Ⅱ型加强型管片。管片之间增设环向遇水膨胀橡胶片，有效控制渗水现象。
4) 其他措施
监测加强
盾构隧道穿越干渠时，委托有资质单位进行全过程监测工作，渠底变形沉降量控制在１５ｍｍ以内，隆起量控制在５ｍｍ以内，根据检测数据及时对施工参数进行调整。
掘进姿态控制
在盾构机进入南水北调干渠前，做到勤测勤纠，尽量将盾构机的姿态调整至最佳，注意不要向上抬头，严禁超量纠偏、蛇行摆动，严格控制盾构的轴线和纠偏量，保证管片间不会产生较大错台进而导致出现接缝处漏水等现象。
后续措施
盾构穿越后根据监测情况持续进行跟踪注浆，确保干渠结构变形控制在允许范围内。若出现干渠沉降值过大，超出预警值，采用深孔径向注浆，利用隧道管片预留的注浆孔，向外钻２.０～３.５ｍ深，注入水玻璃和氯化钙溶液浆，注浆范围为隧道外１.０～２.０ｍ，注浆压力为０.３ＭＰａ，并监控测量实际数据，适时调整注浆压力和注浆量。
变形控制效果
盾构穿越后第30ｄ监测数据显示，各项监测值均在控制值以内。变形值富余量较大，而后续变形量较小，满足后期变形需求，达到了预期效果。
主要项目监测数据
结束语
郑州市城郊线二期工程站场四街站～会展站区间穿越南水北调中线总干渠施工过程中，通过试验段确定盾构机各项掘进参数，采用克泥效工法等过程控制措施，周边地表沉降、沉降速率、干渠沉降、管片竖向位移、管片净空收敛等均满足规范要求。该施工技术满足穿越南水北调干渠的沉降规定要求，为今后地铁建设盾构穿越湖、河道、周边环境复杂类似工程提供方案支持。