地下空間下穿建(構)筑物擾動機制與控制技術

雷升祥， 黃雙林

(1. 中國鐵建股份有限公司， 北京 100855； 2. 中鐵第一勘察設計院集團有限公司， 陜西 西安 710043)

0 引言

近十年來，我國鐵路及城市軌道交通工程發展十分迅猛。截至2020年底，全國鐵路營業里程達14.63萬km(其中高速鐵路為3.79萬km)，城市軌道交通(不含港澳臺)運營里程7 545.5 km。交通網絡的加密及城市地下基礎設施建設規模的擴大，使得下穿運營線、建筑物的工程顯著增加，僅2018—2020年，全國各類下穿運營線工程千余項，下穿類型涵蓋高速鐵路、普速鐵路、市域鐵路、城市軌道交通、建筑群等；下穿工法包括頂進(管)法、礦山法、管幕法、盾構法等[1]。隨著空間立體開發的快速增長、通道連接數量激增及開發方式的多樣化，下穿工程數量大、類型多的特點更加明顯，隨之而來的是安全風險不斷增加，施工變形控制難度不斷加大，尤其是下穿高鐵路基、盾構區間、建筑群。目前，國內外關于地下工程下穿技術的研究多針對具體工程，如劉金祥[2]針對北京某項目大直徑泥水盾構近距離下穿既有運營地鐵站的施工進行介紹、分析和研究，總結得出了大直徑盾構近距離下穿建(構)筑物的施工關鍵技術；夏群山[3]通過對某高速鐵路框構橋在地鐵施工前進行檢測分析，評價地鐵盾構法下穿既有高速鐵路框構橋的安全影響性；錢新等[4]針對北京地鐵黃村站—義和莊站盾構區間，對地層沉降機理、注漿措施及對沉降的控制效果進行了研究和分析；姚先力[5]針對以色列地鐵粉砂地層盾構連續穿越河道和鐵路施工技術，綜合采用深層旋噴樁加固技術、建(構)筑物自動化監測系統、盾構切削鋼筋混凝土樁基試驗、盾構掘進施工沉降控制施工技術,順利實現2臺盾構安全穿越河道、鐵路、樁基等危險區域。調研表明，目前缺乏系統研究地下空間下穿建(構)筑物的擾動控制機制與處置技術的相關文獻。

本文以既有工程、地層、下穿工程3個主體為對象，分析下穿過程的原平衡、擾動與再平衡，試圖通過擾動量化分析來研究控制的機制、方法與目標。本文提出穩定機制分析以及針對既有結構、地層介質、支護結構等方面強化控制的思路，以期為進一步加深地下空間下穿安全控制技術的研究提供借鑒。

1 下穿既有結構類型及技術挑戰

1.1 下穿既有結構類型

下穿的建(構)筑物主要可劃分為以下類型：

1)下穿建筑群。城區修建地下工程，下穿地面建筑群不可避免，軌道交通、市政道路下穿地面高樓、地下商城等較為常見。下穿建筑群示意見圖1。

2)下穿隧道。地下空間下穿鐵路、公路、城市軌道交通隧道等。下穿既有隧道示意見圖2。

3)下穿橋梁。隧道一般從橋墩之間的地下空間下穿，下穿對橋梁的影響主要表現為地層變形或地表沉降造成橋梁樁基礎的位移[6]。下穿橋梁示意見圖3。

4)下穿鐵路/公路/高鐵路基。隧道從路基下方下穿，根據下穿路基的距離，劃分為下穿復合地基(下部穿過、無破壞)和穿越復合地基(內部穿過、有破壞)。下穿路基示意見圖4。

圖1 下穿建筑群示意圖

圖2 下穿既有隧道示意圖

圖3 下穿橋梁示意圖

圖4 下穿路基示意圖

1.2 地下空間下穿面臨的主要技術挑戰

1)既有建筑(運營線)安全。下穿工程會給既有建筑、運營線帶來安全風險，尤其是下穿高鐵路基、盾構區間、城市建筑群，施工變形控制難度大。

2)下穿結構的安全與疲勞。近距離下穿時，下穿結構在上部動載作用下，存在長期疲勞破壞問題，從而影響結構安全。

3)沉降控制。下穿工程會形成一定范圍的沉降槽，導致地面沉降、地層變形，影響上部結構安全，需通過微擾動控制技術對沉降進行有效控制。

4)地下水位場變化及地層固結。下穿工程會導致地下水位的變化，嚴重時會產生地表沉陷，對既有工程及周邊環境產生不利影響，需要采取必要的地層固結措施。

5)涌水、涌沙。在地下水豐富的沙質松軟地層下穿時，容易發生涌水、涌沙事故，易對上部工程及周邊環境造成重大影響。

2 地下空間下穿建(構)筑物擾動-控制分析

地下空間下穿是一個“原有(始)平衡狀態—擾動狀態—動態再平衡狀態”(簡稱“原平衡—擾動—再平衡”)的動態過程，包括了既有工程、地層、下穿工程3個主體，對下穿過程擾動的分析可從這個動態過程著手。

2.1 下穿過程分析

2.1.1 原平衡

既有工程原有的平衡狀態是下穿工程研究的基礎，需要從既有結構應力狀態、周邊土體應力狀態及平衡擾動邊界3個方面考慮。假設既有結構任意一點的應力值為σ既-原，影響范圍(原施工影響)內地層任意一點的應力值為σ土-原，地層的影響范圍值為H1。在既有工程使用的過程中，如果結構保持相對穩定狀態，則應力值σ既-原小于極限值，σ既-原，設計值-σ既-原則為應力富裕值。

2.1.2 擾動

下穿工程開挖引起地層擾動，傳遞至既有工程對既有結構的應力、變形產生影響。假設擾動后既有結構任意一點的應力值為σ既-擾，擾動引起既有結構任意一點的位移值為a既-擾，影響范圍內地層任意一點的應力值為σ土-擾，開挖對地層的影響范圍值為H2。在開挖過程中，σ既-擾-σ既-原為下穿引起的既有結構應力增加值，σ土-擾-σ土-原為下穿引起的地層應力增加值。擾動的過程就是σ既-擾、σ土-擾動態變化的過程，也是安全控制中應該關注的重點。

2.1.3 再平衡

開挖及支護完成后，下穿結構任意一點應力值為σ穿-平衡，下穿結構任意一點的位移值為a穿-平衡；影響范圍內地層任意一點的應力值為σ土-平衡，地層任意一點的位移值為a土-平衡；既有結構任意一點的應力值為σ既-平衡，既有結構任意一點的位移值為a既-平衡。在下穿工程施工完成后，如果最大應力值、變形值均小于極限值，則結構保持穩定狀態，即實現了再平衡。

對于建筑群、橋梁、隧道、路基等不同類型下穿的既有結構，擾動-平衡的敏感點與控制點各有不同。對于建筑群，明挖基礎直接影響上部建筑物的穩定，而樁基礎因地層約束及樁基的穩定性，即使是最不利的樁基托換，上部結構的影響相對容易控制；橋梁下穿一般從兩橋墩穿過，相對樁基位置屬于側穿，下穿擾動首先關注樁周邊土體擾動對樁的影響，并由此分析對橋臺、橋墩及梁體的不利影響；隧道的結構與基礎一體性更強，下穿的影響不僅是基礎的擾動，襯砌結構的敏感度也較高，但與地面建筑物相比，隧道受周邊圍巖約束這一特性使得擾動與平衡更加復雜；而下穿路基結構，由于其本身承擔變形的能力差，下部地基變形影響更為明顯，因而下穿的難度更大。

2.2 控制因素分析

2.2.1 原有平衡狀態的可知性

既有工程一般使用了一段時間，周邊土體在建造和使用過程中會受到不同程度的擾動，結構也存在自身難以避免的缺陷及使用中的損傷，因而摸清既有工程原平衡狀態的相關參數比較困難。原平衡狀態確實很重要，是安全下穿的基礎條件。首先，可以通過數值模擬分析獲取結構及周邊土體的應力狀態，關鍵是確定結構的力學模型并獲得接近實際的荷載值；其次，獲取結構物的承載能力，可以檢查結構的破損、混凝土質量現狀、強度，通過強度折減法獲得接近實際的承載狀況。

既有工程狀態分析是一個綜合性判別的過程，采用數值模擬應適當與實測數據結合后調整參數，以取得接近實際的荷載值。在實際工程中，建筑群、橋梁的既有技術狀況可通過一定的手段獲取并進行評價，但隧道、路基的原有狀態難以量化分析，可以結合現場試驗、調查、探查進行綜合分析。

2.2.2 擾動分析可量化性

地下空間下穿是一個對既有工程擾動的過程，原有的結構穩定性、地層穩定性受到一定程度的影響甚至破壞，關鍵是如何量化下穿工程對既有結構物的影響。下穿的擾動一般是通過地層這個介質進行傳遞，但地層的厚度、物理力學特性、地下水情況等決定了地層對擾動的消解能力，也決定了擾動的大小及速度。地下空間的施工首先造成周邊土體的變形、既有結構沉降及結構應力變化，其中最容易測量的是結構物沉降。就下穿工程掌子面與既有結構位置關系而言，可分為下穿前沉降、下穿中沉降及下穿后沉降3個階段，如果采用盾構法施工，距下穿工程一定距離還可能存在隆起現象。綜上所述，可以通過監測開挖土體的變形、既有結構的沉降及關鍵部位結構應力變化來量化分析擾動影響。

隧道下穿鐵路路基時，在施工擾動與列車動載耦合作用下，變形加速向地表傳遞，最終導致地面沉降變形。圖5為不同地層損失率條件下隧道下穿路基工程沉降影響曲線。圖6反映了地面動載情況下盾構到達前、正穿、通過后引起既有路基沉降的分布特征。變形可劃分為前沉降、刀盤擠壓變形、盾體空隙沉降、盾尾空隙沉降、后沉降5個階段，運營列車動載對總沉降量的影響占10%左右。變形特征表現為③、④階段變形速率快，變形量大，占總沉降量的70%以上；時間特性表現為變形隨時間增加的特征明顯，盾體及盾尾空隙應以最快速度填充；空間特性反映出小凈距、大跨度與動荷載的耦合效應明顯[7-8]。

圖5 隧道下穿路基工程沉降曲線

圖6 盾構隧道下穿過程引起的既有路基沉降分布特征

2.2.3 再平衡的可控性

在研究分析原有平衡及擾動影響的基礎上，有針對性地采取措施以確保地層與結構的穩定，這是下穿工程的重中之重。圍繞下穿工程3個主體，可以從既有結構加固與保護、地層預加固、下穿工程支護3個層次進行穩定性控制。再平衡是一個動態和漸進的過程，不同的開挖位置、施工內容、施工工序都會產生不同的影響，需要把握最大影響與既有結構承載能力、正常使用之間的關系，把擾動造成的不利影響控制在安全范圍內，并在工程完成后形成一個長期穩定的狀態。擾動的監控量測將伴隨再平衡全過程，并為工程措施的采用提供指導與依據。因此，要實現再平衡的可控性，需要從3個層面把控： 1)下穿工程的穩定性，即無論是施工過程還是建成以后，下穿工程始終保持在穩定狀態，這是實現再平衡的基礎；2)下穿工程與既有結構間地層的穩定性，即下穿工程的實施不會導致其影響范圍地層的失穩，這是再平衡的關鍵；3)下穿工程實施過程及建成后，對既有結構擾動引起的應力調整、變形增加均未超過其承載能力及正常使用要求，既有結構始終是安全、穩定的。綜上，只有實現這3方面的安全可控，下穿工程才能實現真正的再平衡。

2.3 控制分析

在一個由“既有結構+地層介質+下穿工程”構成的下穿體系中，控制的目標就是下穿過程及建成后3個主體的穩定，即：

max{σ既-擾，σ既-平衡，a既-擾}<{σ既-控制值，a既-控制值};

max{σ土-擾，σ土-平衡，a土-擾}<{σ土-控制值，a土-控制值};

max{σ穿-擾，σ穿-平衡，a穿-擾}<{σ穿-控制值，a穿-控制值}。

以上只是一個通用公式表述，在實際工程中，結合安全風險分析，應力值、位移值考慮風險程度相對較高的部位、工序，即最接近極限應力值或位移(變形)值的部位、工序。圍繞3個主體的穩定，地下空間下穿工程控制可從以下幾個方面著手。

2.3.1 既有結構強化

既有結構自身的技術狀況是下穿工程安全控制的重要因素，在現場條件允許的情況下，可以強化既有結構的承載能力或承受變形的能力，采取永久或臨時措施，如既有結構的加固、臨時支撐、施工過程頂升等。

2.3.2 地層介質強化

地層穩定對于下穿結構安全控制的作用首先取決于凈距大小及H1、H2值，即在地層影響范圍內，是否具有一定的地層厚度條件來限制結構失穩的發生，當條件具備時可采取地層加固的手段，通過提升地層的承載能力來減小下穿工程的擾動。一般情況下，當凈距大于1倍的開挖寬度時，地層的加固能夠發揮更好的支撐作用。

2.3.3 支護結構強化

分析下穿擾動引起既有結構沉降變形特征，可以分別采取超前預支護、下穿支護及穿后支護的措施，減小下穿工程周邊土體變形及引發的既有結構位移。

2.3.4 動態管控強化

地下空間下穿工程的安全管控是動態的，需要根據工程實際確定控制指標、控制方法、預警機制及應急措施。對于復雜、高風險的下穿工程，需要選擇多指標、高頻次的監控，可采用可視化、自動化、智能化的監控手段。

3 地下空間下穿工法及控制技術

3.1 工法選擇

下穿工法選擇十分重要，對工程實施的安全性、經濟性及可實施性有重要影響[9]。下穿工法的選擇應考慮經濟成本、施工工期等因素，這里僅從技術的角度，考慮地質條件、覆跨比、周邊環境及沉降控制要求等因素，給出工法選擇的基本原則及建議。

3.1.1 地質條件

地質條件是地下下穿工法選擇的基礎，選擇何種工法主要取決于地層的穩定性。對于軟弱地層如松軟土層、富水的巖石風化層或破碎圍巖等，首先選擇盾構或頂管法。如果受限于場地、斷面形式等條件不能采用，需采用地層加固技術、管幕技術等保證安全的前提下，采用礦山法開挖。

3.1.2 覆跨比

在同種地質條件下，覆跨比大小決定了下穿工程自穩可控的能力。對于覆蓋厚度較大(一般大于1.5～2倍洞徑)的下穿工程，常規的加固或超前措施就能保證上部結構的安全；而對于覆蓋厚度較小(一般1倍洞徑左右)的下穿工程，需要采用高壓旋噴、袖閥管注漿等地層加固措施及大管棚等超前支護，以保證上部結構的沉降與變形控制要求；對于超淺埋深(一般0.5倍洞徑左右)的下穿工程，如果礦山法施工則需要采取強有力的超前支護與加固手段，如采用管幕法。

3.1.3 周邊環境

周邊環境的敏感程度決定了下穿工程沉降與變形控制標準。下穿工程往往處于極其復雜的周邊環境中，風險因素耦合作用明顯，需要綜合考慮下穿工程產生的不利影響。一般情況下，敏感的周邊環境不允許地表采取加固措施，或對地層加固過程中產生的影響有較嚴格的限值。因此，采用盾構或頂管工法、輔助洞內水平加固措施，是復雜環境中下穿工程的優先選擇。

3.1.4 沉降控制要求

不同類型、不同技術狀態及不同運營條件的工程對于沉降控制要求不同，這也對工法的選擇提出了要求。沉降控制要求一般取決于結構穩定、運營線安全及地層穩定，并以其中最為嚴格的要求作為控制值。每種工法對于沉降控制的能力有一定的限度，其中，盾構、頂管等機械開挖的沉降控制能力強，而礦山法的沉降控制能力較弱。對于小凈距下穿、運營線沉降要求苛刻的工程需采用MJS加固技術、管幕技術等。

綜合分析以上影響因素，結合筆者的工程經驗，給出了下穿工法建議，見表1。

表1 下穿工法建議表

3.2 控制技術

結合地下空間下穿控制機制分析，圍繞強化既有結構、強化地層介質、強化支護結構，可以采用加固及托換技術、地層改良固結技術、隔離和支護技術。

3.2.1 強化既有結構——加固及托換技術

既有結構的加固對于確保其安全至關重要，尤其對于存在病害現象、沉降控制嚴格的建(構)筑物，應根據運營安全的要求采取有效加固措施。既有結構的加固通常包括提高結構抗沉降(變形)能力、加固地層提升地基承載能力、托換基礎控制下部施工影響等。

某盾構隧道下穿高速公路大橋，交叉角度約為55°，交叉處隧道結構埋深48.7 m。高速公路為雙向8車道，交叉處高速公路為橋梁，上部結構為預應力混凝土連續箱梁，下部結構為單樁單柱墩。盾構隧道頂部距高速既有舊橋樁基豎向最小距離為17.5 m，既有新橋樁基豎向最小距離為9.7 m。

為了保證既有橋梁沉降滿足控制要求，對影響范圍內的16個橋墩采取臨時同步補償頂升支架施工。臨時支架基礎采用φ800 mm鋼管樁，樁長22 m；鋼管樁上部設置鋼筋混凝土條形基礎承臺，條形基礎預埋鋼板與鋼管支撐連接，鋼管支撐采用φ900 mm厚14 mm的鋼管；鋼管支撐上部連接3榀I40b的工字鋼，工字鋼上部設置6個200 t的機械鎖千斤頂，千斤頂上部設置1道6.5 m×0.4 m的橫梁，用于支撐箱梁。當橋梁沉降監測值達到報警值時，啟動補償頂升。施工中對盾構下穿施工期間的橋梁技術狀況進行專項監測，監測最大橋梁沉降1.3 mm，保證了橋梁及道路的安全。既有橋梁同步頂升示意見圖7。

(a) 實物圖 (b) 縱斷面圖

3.2.2 強化地層介質——地層改良固結技術

對于上部沉降控制較嚴的下穿工程(如高速鐵路路基)，無論是盾構下穿還是礦山法施工，一般不能滿足高鐵沉降控制要求，對路基、地基進行加固是必要選擇。高鐵作為國家Ⅰ級繁忙干線，不允許進入工程內部進行地面施工，只能采取場外水平加固措施。通常采用的加固方法有水平旋噴、WSS加固、袖閥管注漿、管幕工法等[7]。

MJS是一種能進行360°全方位(垂直、水平、傾斜)地基加固的施工工法，對于周邊環境及地基擾動影響微小。MJS工法工作原理如圖8所示。

圖8 MJS工法工作原理

該工法設置強制排泥機構，可定量管理注漿與強制排泥的平衡，最大限度減少對地層的擾動，較好地控制沉降，避免隆起；可進行超深度地層改良(40 m以上)，并可任意選擇改良體形狀，同時能夠進行水平、傾斜、垂直施工。

以盾構下穿某高鐵路基為例，采用MJS水平旋噴樁對地層進行加固，采用“上-下-中”跳層、層內錯樁的加固新方法，首先加固第1層(最上層)，隨后加固第3層(拱棚層)，最后加固第2層(中間層)，左右線跳樁跳層地層加固，最大限度減少擾動，控制地層沉降。MJS加固剖面見圖9。

圖9 MJS加固剖面圖 (單位： mm)

3.2.3 強化支護結構——隔離和支護技術

下穿工程采用大剛度的支護結構是提高沉降控制能力的重要手段，可以有效隔離下穿工程對既有結構影響作用的傳遞，長管棚、預切槽等超前支護措施都有應用。近十余年來采用的管幕技術、管拱一體化技術，“化大為小”預先形成大剛度支護結構，很好地控制了下穿工程沉降，適用于沉降控制極其嚴格的下穿工程。

3.2.3.1 管幕技術

管幕法是一種全新的暗挖工法，利用小型頂管機沿隧道結構線進行鋼管頂進施工，形成1圈鋼管幕，然后在鋼管內分層、分段切割鋼管并澆筑鋼筋混凝土襯砌，在隧道開挖前形成穩定的鋼筋混凝土結構，在此永久鋼筋混凝土結構的支護下，進行暗挖結構土方大開挖，最終完成全部地下結構[10-11]。

目前國內采用管幕法的工程實例不多，已在沈陽新樂遺址站工程、港珠澳大橋拱北隧道成功應用。沈陽新樂遺址站工程下穿沈陽新樂遺址，車站主體結構型式為單拱鋼筋混凝土結構，結構尺寸為26.2 m×18.9 m，工程采用管拱法施工，共頂進21根鋼管。圖10為沈陽新樂遺址站工程示意圖。港珠澳大橋拱北隧道結構尺寸為22.2 m×23.8 m，工程采用“管幕+凍結法”施工，φ1 620 mm管幕37根，管幕平均長度257.9 m/根。由于要避開樁基，隧道采用曲線、疊層的形式下穿口岸，開挖面積426 m2，覆土4～5 m，覆跨比0.2，是世界上斷面最大的公路隧道。圖11為港珠澳大橋拱北隧道示意圖。

圖10 沈陽新樂遺址站工程

圖11 港珠澳大橋拱北隧道 (單位: m)

3.2.3.2 管拱一體化技術

管拱結構一體化技術是一種新管幕法強化工法，形成的鋼管幕及澆筑鋼筋混凝土襯砌不僅是開挖前的支護結構，同是也是永久性的襯砌結構。

太原市迎澤大街下穿火車站通道建設工程采用了管拱一體化技術。本工程是迎澤大街東延的控制性工程，是太原市向東拓展的主通道之一。主要工程為2座1～15 m車行通道，工程結構全寬18.2 m，結構全高10.5 m。車行通道凈寬為15 m，凈高為4.5 m，采用單向4車道組合。通道總長度為463 m，其中管幕段總長210.1 m(南側管幕段長107.6 m，北側管幕段長102.5 m)。本工程南北通道各頂進20根φ2 m鋼管，鋼管間距165～235 mm。工程實施取得了良好的效果，很好地控制了上部火車站的沉降，確保了工程安全、順利建成。太原市迎澤大街下穿火車站工程斷面示意見圖12。

圖12 太原市迎澤大街下穿火車站工程斷面圖 (單位： mm)

4 結論與建議

地下空間下穿是一個“原平衡—擾動—再平衡”的動態過程，包括了既有工程、地層、下穿工程3個主體，其中原有平衡狀態可知性、擾動分析可量化性、再平衡可控性的分析是下穿機制研究的重點，安全控制需要系統構建“既有結構+地層介質+下穿工程”體系，以下穿過程及建成后3主體的穩定性為控制的目標，可以從既有結構的強化、地層介質強化、支護結構強化、動態管控強化等方面著手控制。

結合地下空間下穿控制機制分析，圍繞強化既有結構、地層介質、支護結構，可以采用加固及托換、地層改良固結、隔離和支護技術等，達到提高既有結構承載或承受變形的能力、提高地層強度減小下穿工程擾動、強化支護約束控制土體變形與結構位移的目標。

從長遠看，下穿工程將一直面臨既有結構的沉降與變形控制難、既有結構的保護與加固要求高、變形機制與結構受力轉換復雜、“新結構+既有結構+地層+周邊環境”的多因素耦合作用影響大、施工空間與手段受限、監測的精度與分析反饋的要求高等難題。未來可從以下幾個方面進行地下空間下穿技術的提升：

1)全要素探測。通過大孔距CT成像、高光譜特征成像、大深度探地雷達等技術，對既有結構及工程環境形成透明化。

2)數字建造。BIM搭建、VR大場景協同設計、碰撞檢測、虛擬拼裝、3D打印，形成BIM+VR+仿真分析智能設計，實現數據貫通。

3)小凈距微擾動控制技術。從創新規劃設計理念、理論機制、結構體系、施工方法、施工裝備等方面，提升下穿微擾動控制技術水平。

4)智能監控與智慧運維。構建智能感知、分析與決策的一體化平臺，實現施工過程自動化安全監控及運維健康檢測與評估。