地下空间下穿建(构)筑物扰动机制与控制技术

雷升祥， 黄双林

(1. 中国铁建股份有限公司， 北京 100855； 2. 中铁第一勘察设计院集团有限公司， 陕西 西安 710043)

0 引言

近十年来，我国铁路及城市轨道交通工程发展十分迅猛。截至2020年底，全国铁路营业里程达14.63万km(其中高速铁路为3.79万km)，城市轨道交通(不含港澳台)运营里程7 545.5 km。交通网络的加密及城市地下基础设施建设规模的扩大，使得下穿运营线、建筑物的工程显著增加，仅2018—2020年，全国各类下穿运营线工程千余项，下穿类型涵盖高速铁路、普速铁路、市域铁路、城市轨道交通、建筑群等；下穿工法包括顶进(管)法、矿山法、管幕法、盾构法等[1]。随着空间立体开发的快速增长、通道连接数量激增及开发方式的多样化，下穿工程数量大、类型多的特点更加明显，随之而来的是安全风险不断增加，施工变形控制难度不断加大，尤其是下穿高铁路基、盾构区间、建筑群。目前，国内外关于地下工程下穿技术的研究多针对具体工程，如刘金祥[2]针对北京某项目大直径泥水盾构近距离下穿既有运营地铁站的施工进行介绍、分析和研究，总结得出了大直径盾构近距离下穿建(构)筑物的施工关键技术；夏群山[3]通过对某高速铁路框构桥在地铁施工前进行检测分析，评价地铁盾构法下穿既有高速铁路框构桥的安全影响性；钱新等[4]针对北京地铁黄村站—义和庄站盾构区间，对地层沉降机理、注浆措施及对沉降的控制效果进行了研究和分析；姚先力[5]针对以色列地铁粉砂地层盾构连续穿越河道和铁路施工技术，综合采用深层旋喷桩加固技术、建(构)筑物自动化监测系统、盾构切削钢筋混凝土桩基试验、盾构掘进施工沉降控制施工技术,顺利实现2台盾构安全穿越河道、铁路、桩基等危险区域。调研表明，目前缺乏系统研究地下空间下穿建(构)筑物的扰动控制机制与处置技术的相关文献。

本文以既有工程、地层、下穿工程3个主体为对象，分析下穿过程的原平衡、扰动与再平衡，试图通过扰动量化分析来研究控制的机制、方法与目标。本文提出稳定机制分析以及针对既有结构、地层介质、支护结构等方面强化控制的思路，以期为进一步加深地下空间下穿安全控制技术的研究提供借鉴。

1 下穿既有结构类型及技术挑战

1.1 下穿既有结构类型

下穿的建(构)筑物主要可划分为以下类型：

1)下穿建筑群。城区修建地下工程，下穿地面建筑群不可避免，轨道交通、市政道路下穿地面高楼、地下商城等较为常见。下穿建筑群示意见图1。

2)下穿隧道。地下空间下穿铁路、公路、城市轨道交通隧道等。下穿既有隧道示意见图2。

3)下穿桥梁。隧道一般从桥墩之间的地下空间下穿，下穿对桥梁的影响主要表现为地层变形或地表沉降造成桥梁桩基础的位移[6]。下穿桥梁示意见图3。

4)下穿铁路/公路/高铁路基。隧道从路基下方下穿，根据下穿路基的距离，划分为下穿复合地基(下部穿过、无破坏)和穿越复合地基(内部穿过、有破坏)。下穿路基示意见图4。

图1 下穿建筑群示意图

图2 下穿既有隧道示意图

图3 下穿桥梁示意图

图4 下穿路基示意图

1.2 地下空间下穿面临的主要技术挑战

1)既有建筑(运营线)安全。下穿工程会给既有建筑、运营线带来安全风险，尤其是下穿高铁路基、盾构区间、城市建筑群，施工变形控制难度大。

2)下穿结构的安全与疲劳。近距离下穿时，下穿结构在上部动载作用下，存在长期疲劳破坏问题，从而影响结构安全。

3)沉降控制。下穿工程会形成一定范围的沉降槽，导致地面沉降、地层变形，影响上部结构安全，需通过微扰动控制技术对沉降进行有效控制。

4)地下水位场变化及地层固结。下穿工程会导致地下水位的变化，严重时会产生地表沉陷，对既有工程及周边环境产生不利影响，需要采取必要的地层固结措施。

5)涌水、涌沙。在地下水丰富的沙质松软地层下穿时，容易发生涌水、涌沙事故，易对上部工程及周边环境造成重大影响。

2 地下空间下穿建(构)筑物扰动-控制分析

地下空间下穿是一个“原有(始)平衡状态—扰动状态—动态再平衡状态”(简称“原平衡—扰动—再平衡”)的动态过程，包括了既有工程、地层、下穿工程3个主体，对下穿过程扰动的分析可从这个动态过程着手。

2.1 下穿过程分析

2.1.1 原平衡

既有工程原有的平衡状态是下穿工程研究的基础，需要从既有结构应力状态、周边土体应力状态及平衡扰动边界3个方面考虑。假设既有结构任意一点的应力值为σ既-原，影响范围(原施工影响)内地层任意一点的应力值为σ土-原，地层的影响范围值为H1。在既有工程使用的过程中，如果结构保持相对稳定状态，则应力值σ既-原小于极限值，σ既-原，设计值-σ既-原则为应力富裕值。

2.1.2 扰动

下穿工程开挖引起地层扰动，传递至既有工程对既有结构的应力、变形产生影响。假设扰动后既有结构任意一点的应力值为σ既-扰，扰动引起既有结构任意一点的位移值为a既-扰，影响范围内地层任意一点的应力值为σ土-扰，开挖对地层的影响范围值为H2。在开挖过程中，σ既-扰-σ既-原为下穿引起的既有结构应力增加值，σ土-扰-σ土-原为下穿引起的地层应力增加值。扰动的过程就是σ既-扰、σ土-扰动态变化的过程，也是安全控制中应该关注的重点。

2.1.3 再平衡

开挖及支护完成后，下穿结构任意一点应力值为σ穿-平衡，下穿结构任意一点的位移值为a穿-平衡；影响范围内地层任意一点的应力值为σ土-平衡，地层任意一点的位移值为a土-平衡；既有结构任意一点的应力值为σ既-平衡，既有结构任意一点的位移值为a既-平衡。在下穿工程施工完成后，如果最大应力值、变形值均小于极限值，则结构保持稳定状态，即实现了再平衡。

对于建筑群、桥梁、隧道、路基等不同类型下穿的既有结构，扰动-平衡的敏感点与控制点各有不同。对于建筑群，明挖基础直接影响上部建筑物的稳定，而桩基础因地层约束及桩基的稳定性，即使是最不利的桩基托换，上部结构的影响相对容易控制；桥梁下穿一般从两桥墩穿过，相对桩基位置属于侧穿，下穿扰动首先关注桩周边土体扰动对桩的影响，并由此分析对桥台、桥墩及梁体的不利影响；隧道的结构与基础一体性更强，下穿的影响不仅是基础的扰动，衬砌结构的敏感度也较高，但与地面建筑物相比，隧道受周边围岩约束这一特性使得扰动与平衡更加复杂；而下穿路基结构，由于其本身承担变形的能力差，下部地基变形影响更为明显，因而下穿的难度更大。

2.2 控制因素分析

2.2.1 原有平衡状态的可知性

既有工程一般使用了一段时间，周边土体在建造和使用过程中会受到不同程度的扰动，结构也存在自身难以避免的缺陷及使用中的损伤，因而摸清既有工程原平衡状态的相关参数比较困难。原平衡状态确实很重要，是安全下穿的基础条件。首先，可以通过数值模拟分析获取结构及周边土体的应力状态，关键是确定结构的力学模型并获得接近实际的荷载值；其次，获取结构物的承载能力，可以检查结构的破损、混凝土质量现状、强度，通过强度折减法获得接近实际的承载状况。

既有工程状态分析是一个综合性判别的过程，采用数值模拟应适当与实测数据结合后调整参数，以取得接近实际的荷载值。在实际工程中，建筑群、桥梁的既有技术状况可通过一定的手段获取并进行评价，但隧道、路基的原有状态难以量化分析，可以结合现场试验、调查、探查进行综合分析。

2.2.2 扰动分析可量化性

地下空间下穿是一个对既有工程扰动的过程，原有的结构稳定性、地层稳定性受到一定程度的影响甚至破坏，关键是如何量化下穿工程对既有结构物的影响。下穿的扰动一般是通过地层这个介质进行传递，但地层的厚度、物理力学特性、地下水情况等决定了地层对扰动的消解能力，也决定了扰动的大小及速度。地下空间的施工首先造成周边土体的变形、既有结构沉降及结构应力变化，其中最容易测量的是结构物沉降。就下穿工程掌子面与既有结构位置关系而言，可分为下穿前沉降、下穿中沉降及下穿后沉降3个阶段，如果采用盾构法施工，距下穿工程一定距离还可能存在隆起现象。综上所述，可以通过监测开挖土体的变形、既有结构的沉降及关键部位结构应力变化来量化分析扰动影响。

隧道下穿铁路路基时，在施工扰动与列车动载耦合作用下，变形加速向地表传递，最终导致地面沉降变形。图5为不同地层损失率条件下隧道下穿路基工程沉降影响曲线。图6反映了地面动载情况下盾构到达前、正穿、通过后引起既有路基沉降的分布特征。变形可划分为前沉降、刀盘挤压变形、盾体空隙沉降、盾尾空隙沉降、后沉降5个阶段，运营列车动载对总沉降量的影响占10%左右。变形特征表现为③、④阶段变形速率快，变形量大，占总沉降量的70%以上；时间特性表现为变形随时间增加的特征明显，盾体及盾尾空隙应以最快速度填充；空间特性反映出小净距、大跨度与动荷载的耦合效应明显[7-8]。

图5 隧道下穿路基工程沉降曲线

图6 盾构隧道下穿过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扰动影响的基础上，有针对性地采取措施以确保地层与结构的稳定，这是下穿工程的重中之重。围绕下穿工程3个主体，可以从既有结构加固与保护、地层预加固、下穿工程支护3个层次进行稳定性控制。再平衡是一个动态和渐进的过程，不同的开挖位置、施工内容、施工工序都会产生不同的影响，需要把握最大影响与既有结构承载能力、正常使用之间的关系，把扰动造成的不利影响控制在安全范围内，并在工程完成后形成一个长期稳定的状态。扰动的监控量测将伴随再平衡全过程，并为工程措施的采用提供指导与依据。因此，要实现再平衡的可控性，需要从3个层面把控： 1)下穿工程的稳定性，即无论是施工过程还是建成以后，下穿工程始终保持在稳定状态，这是实现再平衡的基础；2)下穿工程与既有结构间地层的稳定性，即下穿工程的实施不会导致其影响范围地层的失稳，这是再平衡的关键；3)下穿工程实施过程及建成后，对既有结构扰动引起的应力调整、变形增加均未超过其承载能力及正常使用要求，既有结构始终是安全、稳定的。综上，只有实现这3方面的安全可控，下穿工程才能实现真正的再平衡。

2.3 控制分析

在一个由“既有结构+地层介质+下穿工程”构成的下穿体系中，控制的目标就是下穿过程及建成后3个主体的稳定，即：

max{σ既-扰，σ既-平衡，a既-扰}<{σ既-控制值，a既-控制值};

max{σ土-扰，σ土-平衡，a土-扰}<{σ土-控制值，a土-控制值};

max{σ穿-扰，σ穿-平衡，a穿-扰}<{σ穿-控制值，a穿-控制值}。

以上只是一个通用公式表述，在实际工程中，结合安全风险分析，应力值、位移值考虑风险程度相对较高的部位、工序，即最接近极限应力值或位移(变形)值的部位、工序。围绕3个主体的稳定，地下空间下穿工程控制可从以下几个方面着手。

2.3.1 既有结构强化

既有结构自身的技术状况是下穿工程安全控制的重要因素，在现场条件允许的情况下，可以强化既有结构的承载能力或承受变形的能力，采取永久或临时措施，如既有结构的加固、临时支撑、施工过程顶升等。

2.3.2 地层介质强化

地层稳定对于下穿结构安全控制的作用首先取决于净距大小及H1、H2值，即在地层影响范围内，是否具有一定的地层厚度条件来限制结构失稳的发生，当条件具备时可采取地层加固的手段，通过提升地层的承载能力来减小下穿工程的扰动。一般情况下，当净距大于1倍的开挖宽度时，地层的加固能够发挥更好的支撑作用。

2.3.3 支护结构强化

分析下穿扰动引起既有结构沉降变形特征，可以分别采取超前预支护、下穿支护及穿后支护的措施，减小下穿工程周边土体变形及引发的既有结构位移。

2.3.4 动态管控强化

地下空间下穿工程的安全管控是动态的，需要根据工程实际确定控制指标、控制方法、预警机制及应急措施。对于复杂、高风险的下穿工程，需要选择多指标、高频次的监控，可采用可视化、自动化、智能化的监控手段。

3 地下空间下穿工法及控制技术

3.1 工法选择

下穿工法选择十分重要，对工程实施的安全性、经济性及可实施性有重要影响[9]。下穿工法的选择应考虑经济成本、施工工期等因素，这里仅从技术的角度，考虑地质条件、覆跨比、周边环境及沉降控制要求等因素，给出工法选择的基本原则及建议。

3.1.1 地质条件

地质条件是地下下穿工法选择的基础，选择何种工法主要取决于地层的稳定性。对于软弱地层如松软土层、富水的岩石风化层或破碎围岩等，首先选择盾构或顶管法。如果受限于场地、断面形式等条件不能采用，需采用地层加固技术、管幕技术等保证安全的前提下，采用矿山法开挖。

3.1.2 覆跨比

在同种地质条件下，覆跨比大小决定了下穿工程自稳可控的能力。对于覆盖厚度较大(一般大于1.5～2倍洞径)的下穿工程，常规的加固或超前措施就能保证上部结构的安全；而对于覆盖厚度较小(一般1倍洞径左右)的下穿工程，需要采用高压旋喷、袖阀管注浆等地层加固措施及大管棚等超前支护，以保证上部结构的沉降与变形控制要求；对于超浅埋深(一般0.5倍洞径左右)的下穿工程，如果矿山法施工则需要采取强有力的超前支护与加固手段，如采用管幕法。

3.1.3 周边环境

周边环境的敏感程度决定了下穿工程沉降与变形控制标准。下穿工程往往处于极其复杂的周边环境中，风险因素耦合作用明显，需要综合考虑下穿工程产生的不利影响。一般情况下，敏感的周边环境不允许地表采取加固措施，或对地层加固过程中产生的影响有较严格的限值。因此，采用盾构或顶管工法、辅助洞内水平加固措施，是复杂环境中下穿工程的优先选择。

3.1.4 沉降控制要求

不同类型、不同技术状态及不同运营条件的工程对于沉降控制要求不同，这也对工法的选择提出了要求。沉降控制要求一般取决于结构稳定、运营线安全及地层稳定，并以其中最为严格的要求作为控制值。每种工法对于沉降控制的能力有一定的限度，其中，盾构、顶管等机械开挖的沉降控制能力强，而矿山法的沉降控制能力较弱。对于小净距下穿、运营线沉降要求苛刻的工程需采用MJS加固技术、管幕技术等。

综合分析以上影响因素，结合笔者的工程经验，给出了下穿工法建议，见表1。

表1 下穿工法建议表

3.2 控制技术

结合地下空间下穿控制机制分析，围绕强化既有结构、强化地层介质、强化支护结构，可以采用加固及托换技术、地层改良固结技术、隔离和支护技术。

3.2.1 强化既有结构——加固及托换技术

既有结构的加固对于确保其安全至关重要，尤其对于存在病害现象、沉降控制严格的建(构)筑物，应根据运营安全的要求采取有效加固措施。既有结构的加固通常包括提高结构抗沉降(变形)能力、加固地层提升地基承载能力、托换基础控制下部施工影响等。

某盾构隧道下穿高速公路大桥，交叉角度约为55°，交叉处隧道结构埋深48.7 m。高速公路为双向8车道，交叉处高速公路为桥梁，上部结构为预应力混凝土连续箱梁，下部结构为单桩单柱墩。盾构隧道顶部距高速既有旧桥桩基竖向最小距离为17.5 m，既有新桥桩基竖向最小距离为9.7 m。

为了保证既有桥梁沉降满足控制要求，对影响范围内的16个桥墩采取临时同步补偿顶升支架施工。临时支架基础采用φ800 mm钢管桩，桩长22 m；钢管桩上部设置钢筋混凝土条形基础承台，条形基础预埋钢板与钢管支撑连接，钢管支撑采用φ900 mm厚14 mm的钢管；钢管支撑上部连接3榀I40b的工字钢，工字钢上部设置6个200 t的机械锁千斤顶，千斤顶上部设置1道6.5 m×0.4 m的横梁，用于支撑箱梁。当桥梁沉降监测值达到报警值时，启动补偿顶升。施工中对盾构下穿施工期间的桥梁技术状况进行专项监测，监测最大桥梁沉降1.3 mm，保证了桥梁及道路的安全。既有桥梁同步顶升示意见图7。

(a) 实物图 (b) 纵断面图

3.2.2 强化地层介质——地层改良固结技术

对于上部沉降控制较严的下穿工程(如高速铁路路基)，无论是盾构下穿还是矿山法施工，一般不能满足高铁沉降控制要求，对路基、地基进行加固是必要选择。高铁作为国家Ⅰ级繁忙干线，不允许进入工程内部进行地面施工，只能采取场外水平加固措施。通常采用的加固方法有水平旋喷、WSS加固、袖阀管注浆、管幕工法等[7]。

MJS是一种能进行360°全方位(垂直、水平、倾斜)地基加固的施工工法，对于周边环境及地基扰动影响微小。MJS工法工作原理如图8所示。

图8 MJS工法工作原理

该工法设置强制排泥机构，可定量管理注浆与强制排泥的平衡，最大限度减少对地层的扰动，较好地控制沉降，避免隆起；可进行超深度地层改良(40 m以上)，并可任意选择改良体形状，同时能够进行水平、倾斜、垂直施工。

以盾构下穿某高铁路基为例，采用MJS水平旋喷桩对地层进行加固，采用“上-下-中”跳层、层内错桩的加固新方法，首先加固第1层(最上层)，随后加固第3层(拱棚层)，最后加固第2层(中间层)，左右线跳桩跳层地层加固，最大限度减少扰动，控制地层沉降。MJS加固剖面见图9。

图9 MJS加固剖面图 (单位： mm)

3.2.3 强化支护结构——隔离和支护技术

下穿工程采用大刚度的支护结构是提高沉降控制能力的重要手段，可以有效隔离下穿工程对既有结构影响作用的传递，长管棚、预切槽等超前支护措施都有应用。近十余年来采用的管幕技术、管拱一体化技术，“化大为小”预先形成大刚度支护结构，很好地控制了下穿工程沉降，适用于沉降控制极其严格的下穿工程。

3.2.3.1 管幕技术

管幕法是一种全新的暗挖工法，利用小型顶管机沿隧道结构线进行钢管顶进施工，形成1圈钢管幕，然后在钢管内分层、分段切割钢管并浇筑钢筋混凝土衬砌，在隧道开挖前形成稳定的钢筋混凝土结构，在此永久钢筋混凝土结构的支护下，进行暗挖结构土方大开挖，最终完成全部地下结构[10-11]。

目前国内采用管幕法的工程实例不多，已在沈阳新乐遗址站工程、港珠澳大桥拱北隧道成功应用。沈阳新乐遗址站工程下穿沈阳新乐遗址，车站主体结构型式为单拱钢筋混凝土结构，结构尺寸为26.2 m×18.9 m，工程采用管拱法施工，共顶进21根钢管。图10为沈阳新乐遗址站工程示意图。港珠澳大桥拱北隧道结构尺寸为22.2 m×23.8 m，工程采用“管幕+冻结法”施工，φ1 620 mm管幕37根，管幕平均长度257.9 m/根。由于要避开桩基，隧道采用曲线、叠层的形式下穿口岸，开挖面积426 m2，覆土4～5 m，覆跨比0.2，是世界上断面最大的公路隧道。图11为港珠澳大桥拱北隧道示意图。

图10 沈阳新乐遗址站工程

图11 港珠澳大桥拱北隧道 (单位: m)

3.2.3.2 管拱一体化技术

管拱结构一体化技术是一种新管幕法强化工法，形成的钢管幕及浇筑钢筋混凝土衬砌不仅是开挖前的支护结构，同是也是永久性的衬砌结构。

太原市迎泽大街下穿火车站通道建设工程采用了管拱一体化技术。本工程是迎泽大街东延的控制性工程，是太原市向东拓展的主通道之一。主要工程为2座1～15 m车行通道，工程结构全宽18.2 m，结构全高10.5 m。车行通道净宽为15 m，净高为4.5 m，采用单向4车道组合。通道总长度为463 m，其中管幕段总长210.1 m(南侧管幕段长107.6 m，北侧管幕段长102.5 m)。本工程南北通道各顶进20根φ2 m钢管，钢管间距165～235 mm。工程实施取得了良好的效果，很好地控制了上部火车站的沉降，确保了工程安全、顺利建成。太原市迎泽大街下穿火车站工程断面示意见图12。

图12 太原市迎泽大街下穿火车站工程断面图 (单位： mm)

4 结论与建议

地下空间下穿是一个“原平衡—扰动—再平衡”的动态过程，包括了既有工程、地层、下穿工程3个主体，其中原有平衡状态可知性、扰动分析可量化性、再平衡可控性的分析是下穿机制研究的重点，安全控制需要系统构建“既有结构+地层介质+下穿工程”体系，以下穿过程及建成后3主体的稳定性为控制的目标，可以从既有结构的强化、地层介质强化、支护结构强化、动态管控强化等方面着手控制。

结合地下空间下穿控制机制分析，围绕强化既有结构、地层介质、支护结构，可以采用加固及托换、地层改良固结、隔离和支护技术等，达到提高既有结构承载或承受变形的能力、提高地层强度减小下穿工程扰动、强化支护约束控制土体变形与结构位移的目标。

从长远看，下穿工程将一直面临既有结构的沉降与变形控制难、既有结构的保护与加固要求高、变形机制与结构受力转换复杂、“新结构+既有结构+地层+周边环境”的多因素耦合作用影响大、施工空间与手段受限、监测的精度与分析反馈的要求高等难题。未来可从以下几个方面进行地下空间下穿技术的提升：

1)全要素探测。通过大孔距CT成像、高光谱特征成像、大深度探地雷达等技术，对既有结构及工程环境形成透明化。

2)数字建造。BIM搭建、VR大场景协同设计、碰撞检测、虚拟拼装、3D打印，形成BIM+VR+仿真分析智能设计，实现数据贯通。

3)小净距微扰动控制技术。从创新规划设计理念、理论机制、结构体系、施工方法、施工装备等方面，提升下穿微扰动控制技术水平。

4)智能监控与智慧运维。构建智能感知、分析与决策的一体化平台，实现施工过程自动化安全监控及运维健康检测与评估。