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(shè)計(jì)院集團(tuán)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(fā)展十分迅猛。截至2020年底，全國鐵路營業(yè)里程達(dá)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(tái))運(yùn)營里程7 545.5 km。交通網(wǎng)絡(luò)的加密及城市地下基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)規(guī)模的擴(kuò)大，使得下穿運(yùn)營線、建筑物的工程顯著增加，僅2018—2020年，全國各類下穿運(yùn)營線工程千余項(xiàng)，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(jìn)(管)法、礦山法、管幕法、盾構(gòu)法等[1]。隨著空間立體開發(fā)的快速增長、通道連接數(shù)量激增及開發(fā)方式的多樣化，下穿工程數(shù)量大、類型多的特點(diǎn)更加明顯，隨之而來的是安全風(fēng)險(xiǎn)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(gòu)區(qū)間、建筑群。目前，國內(nèi)外關(guān)于地下工程下穿技術(shù)的研究多針對(duì)具體工程，如劉金祥[2]針對(duì)北京某項(xiàng)目大直徑泥水盾構(gòu)近距離下穿既有運(yùn)營地鐵站的施工進(jìn)行介紹、分析和研究，總結(jié)得出了大直徑盾構(gòu)近距離下穿建(構(gòu))筑物的施工關(guān)鍵技術(shù)；夏群山[3]通過對(duì)某高速鐵路框構(gòu)橋在地鐵施工前進(jìn)行檢測分析，評(píng)價(jià)地鐵盾構(gòu)法下穿既有高速鐵路框構(gòu)橋的安全影響性；錢新等[4]針對(duì)北京地鐵黃村站—義和莊站盾構(gòu)區(qū)間，對(duì)地層沉降機(jī)理、注漿措施及對(duì)沉降的控制效果進(jìn)行了研究和分析；姚先力[5]針對(duì)以色列地鐵粉砂地層盾構(gòu)連續(xù)穿越河道和鐵路施工技術(shù)，綜合采用深層旋噴樁加固技術(shù)、建(構(gòu))筑物自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)、盾構(gòu)切削鋼筋混凝土樁基試驗(yàn)、盾構(gòu)掘進(jìn)施工沉降控制施工技術(shù),順利實(shí)現(xiàn)2臺(tái)盾構(gòu)安全穿越河道、鐵路、樁基等危險(xiǎn)區(qū)域。調(diào)研表明，目前缺乏系統(tǒng)研究地下空間下穿建(構(gòu))筑物的擾動(dòng)控制機(jī)制與處置技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)。

本文以既有工程、地層、下穿工程3個(gè)主體為對(duì)象，分析下穿過程的原平衡、擾動(dòng)與再平衡，試圖通過擾動(dòng)量化分析來研究控制的機(jī)制、方法與目標(biāo)。本文提出穩(wěn)定機(jī)制分析以及針對(duì)既有結(jié)構(gòu)、地層介質(zhì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)等方面強(qiáng)化控制的思路，以期為進(jìn)一步加深地下空間下穿安全控制技術(shù)的研究提供借鑒。

1 下穿既有結(jié)構(gòu)類型及技術(shù)挑戰(zhàn)

1.1 下穿既有結(jié)構(gòu)類型

下穿的建(構(gòu))筑物主要可劃分為以下類型：

1)下穿建筑群。城區(qū)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(duì)橋梁的影響主要表現(xiàn)為地層變形或地表沉降造成橋梁樁基礎(chǔ)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(jù)下穿路基的距離，劃分為下穿復(fù)合地基(下部穿過、無破壞)和穿越復(fù)合地基(內(nèi)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(shù)挑戰(zhàn)

1)既有建筑(運(yùn)營線)安全。下穿工程會(huì)給既有建筑、運(yùn)營線帶來安全風(fēng)險(xiǎn)，尤其是下穿高鐵路基、盾構(gòu)區(qū)間、城市建筑群，施工變形控制難度大。

2)下穿結(jié)構(gòu)的安全與疲勞。近距離下穿時(shí)，下穿結(jié)構(gòu)在上部動(dòng)載作用下，存在長期疲勞破壞問題，從而影響結(jié)構(gòu)安全。

3)沉降控制。下穿工程會(huì)形成一定范圍的沉降槽，導(dǎo)致地面沉降、地層變形，影響上部結(jié)構(gòu)安全，需通過微擾動(dòng)控制技術(shù)對(duì)沉降進(jìn)行有效控制。

4)地下水位場變化及地層固結(jié)。下穿工程會(huì)導(dǎo)致地下水位的變化，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生地表沉陷，對(duì)既有工程及周邊環(huán)境產(chǎn)生不利影響，需要采取必要的地層固結(jié)措施。

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

2 地下空間下穿建(構(gòu))筑物擾動(dòng)-控制分析

地下空間下穿是一個(gè)“原有(始)平衡狀態(tài)—擾動(dòng)狀態(tài)—?jiǎng)討B(tài)再平衡狀態(tài)”(簡稱“原平衡—擾動(dòng)—再平衡”)的動(dòng)態(tài)過程，包括了既有工程、地層、下穿工程3個(gè)主體，對(duì)下穿過程擾動(dòng)的分析可從這個(gè)動(dòng)態(tài)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(tài)是下穿工程研究的基礎(chǔ)，需要從既有結(jié)構(gòu)應(yīng)力狀態(tài)、周邊土體應(yīng)力狀態(tài)及平衡擾動(dòng)邊界3個(gè)方面考慮。假設(shè)既有結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)的應(yīng)力值為σ既-原，影響范圍(原施工影響)內(nèi)地層任意一點(diǎn)的應(yīng)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(jié)構(gòu)保持相對(duì)穩(wěn)定狀態(tài)，則應(yīng)力值σ既-原小于極限值，σ既-原，設(shè)計(jì)值-σ既-原則為應(yīng)力富裕值。

2.1.2 擾動(dòng)

下穿工程開挖引起地層擾動(dòng)，傳遞至既有工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形產(chǎn)生影響。假設(shè)擾動(dòng)后既有結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)的應(yīng)力值為σ既-擾，擾動(dòng)引起既有結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)的位移值為a既-擾，影響范圍內(nèi)地層任意一點(diǎn)的應(yīng)力值為σ土-擾，開挖對(duì)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(jié)構(gòu)應(yīng)力增加值，σ土-擾-σ土-原為下穿引起的地層應(yīng)力增加值。擾動(dòng)的過程就是σ既-擾、σ土-擾動(dòng)態(tài)變化的過程，也是安全控制中應(yīng)該關(guān)注的重點(diǎn)。

2.1.3 再平衡

開挖及支護(hù)完成后，下穿結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)應(yīng)力值為σ穿-平衡，下穿結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)的位移值為a穿-平衡；影響范圍內(nèi)地層任意一點(diǎn)的應(yīng)力值為σ土-平衡，地層任意一點(diǎn)的位移值為a土-平衡；既有結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)的應(yīng)力值為σ既-平衡，既有結(jié)構(gòu)任意一點(diǎn)的位移值為a既-平衡。在下穿工程施工完成后，如果最大應(yīng)力值、變形值均小于極限值，則結(jié)構(gòu)保持穩(wěn)定狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)了再平衡。

對(duì)于建筑群、橋梁、隧道、路基等不同類型下穿的既有結(jié)構(gòu)，擾動(dòng)-平衡的敏感點(diǎn)與控制點(diǎn)各有不同。對(duì)于建筑群，明挖基礎(chǔ)直接影響上部建筑物的穩(wěn)定，而樁基礎(chǔ)因地層約束及樁基的穩(wěn)定性，即使是最不利的樁基托換，上部結(jié)構(gòu)的影響相對(duì)容易控制；橋梁下穿一般從兩橋墩穿過，相對(duì)樁基位置屬于側(cè)穿，下穿擾動(dòng)首先關(guān)注樁周邊土體擾動(dòng)對(duì)樁的影響，并由此分析對(duì)橋臺(tái)、橋墩及梁體的不利影響；隧道的結(jié)構(gòu)與基礎(chǔ)一體性更強(qiáng)，下穿的影響不僅是基礎(chǔ)的擾動(dòng)，襯砌結(jié)構(gòu)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(dòng)與平衡更加復(fù)雜；而下穿路基結(jié)構(gòu)，由于其本身承擔(dān)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(tài)的可知性

既有工程一般使用了一段時(shí)間，周邊土體在建造和使用過程中會(huì)受到不同程度的擾動(dòng)，結(jié)構(gòu)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(tài)的相關(guān)參數(shù)比較困難。原平衡狀態(tài)確實(shí)很重要，是安全下穿的基礎(chǔ)條件。首先，可以通過數(shù)值模擬分析獲取結(jié)構(gòu)及周邊土體的應(yīng)力狀態(tài)，關(guān)鍵是確定結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型并獲得接近實(shí)際的荷載值；其次，獲取結(jié)構(gòu)物的承載能力，可以檢查結(jié)構(gòu)的破損、混凝土質(zhì)量現(xiàn)狀、強(qiáng)度，通過強(qiáng)度折減法獲得接近實(shí)際的承載狀況。

既有工程狀態(tài)分析是一個(gè)綜合性判別的過程，采用數(shù)值模擬應(yīng)適當(dāng)與實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)合后調(diào)整參數(shù)，以取得接近實(shí)際的荷載值。在實(shí)際工程中，建筑群、橋梁的既有技術(shù)狀況可通過一定的手段獲取并進(jìn)行評(píng)價(jià)，但隧道、路基的原有狀態(tài)難以量化分析，可以結(jié)合現(xiàn)場試驗(yàn)、調(diào)查、探查進(jìn)行綜合分析。

2.2.2 擾動(dòng)分析可量化性

地下空間下穿是一個(gè)對(duì)既有工程擾動(dòng)的過程，原有的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性、地層穩(wěn)定性受到一定程度的影響甚至破壞，關(guān)鍵是如何量化下穿工程對(duì)既有結(jié)構(gòu)物的影響。下穿的擾動(dòng)一般是通過地層這個(gè)介質(zhì)進(jìn)行傳遞，但地層的厚度、物理力學(xué)特性、地下水情況等決定了地層對(duì)擾動(dòng)的消解能力，也決定了擾動(dòng)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(jié)構(gòu)沉降及結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化，其中最容易測量的是結(jié)構(gòu)物沉降。就下穿工程掌子面與既有結(jié)構(gòu)位置關(guān)系而言，可分為下穿前沉降、下穿中沉降及下穿后沉降3個(gè)階段，如果采用盾構(gòu)法施工，距下穿工程一定距離還可能存在隆起現(xiàn)象。綜上所述，可以通過監(jiān)測開挖土體的變形、既有結(jié)構(gòu)的沉降及關(guān)鍵部位結(jié)構(gòu)應(yīng)力變化來量化分析擾動(dòng)影響。

隧道下穿鐵路路基時(shí)，在施工擾動(dòng)與列車動(dòng)載耦合作用下，變形加速向地表傳遞，最終導(dǎo)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(dòng)載情況下盾構(gòu)到達(dá)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(gè)階段，運(yùn)營列車動(dòng)載對(duì)總沉降量的影響占10%左右。變形特征表現(xiàn)為③、④階段變形速率快，變形量大，占總沉降量的70%以上；時(shí)間特性表現(xiàn)為變形隨時(shí)間增加的特征明顯，盾體及盾尾空隙應(yīng)以最快速度填充；空間特性反映出小凈距、大跨度與動(dòng)荷載的耦合效應(yīng)明顯[7-8]。

圖5 隧道下穿路基工程沉降曲線

圖6 盾構(gòu)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(dòng)影響的基礎(chǔ)上，有針對(duì)性地采取措施以確保地層與結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，這是下穿工程的重中之重。圍繞下穿工程3個(gè)主體，可以從既有結(jié)構(gòu)加固與保護(hù)、地層預(yù)加固、下穿工程支護(hù)3個(gè)層次進(jìn)行穩(wěn)定性控制。再平衡是一個(gè)動(dòng)態(tài)和漸進(jìn)的過程，不同的開挖位置、施工內(nèi)容、施工工序都會(huì)產(chǎn)生不同的影響，需要把握最大影響與既有結(jié)構(gòu)承載能力、正常使用之間的關(guān)系，把擾動(dòng)造成的不利影響控制在安全范圍內(nèi)，并在工程完成后形成一個(gè)長期穩(wěn)定的狀態(tài)。擾動(dòng)的監(jiān)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(dǎo)與依據(jù)。因此，要實(shí)現(xiàn)再平衡的可控性，需要從3個(gè)層面把控： 1)下穿工程的穩(wěn)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(wěn)定狀態(tài)，這是實(shí)現(xiàn)再平衡的基礎(chǔ)；2)下穿工程與既有結(jié)構(gòu)間地層的穩(wěn)定性，即下穿工程的實(shí)施不會(huì)導(dǎo)致其影響范圍地層的失穩(wěn)，這是再平衡的關(guān)鍵；3)下穿工程實(shí)施過程及建成后，對(duì)既有結(jié)構(gòu)擾動(dòng)引起的應(yīng)力調(diào)整、變形增加均未超過其承載能力及正常使用要求，既有結(jié)構(gòu)始終是安全、穩(wěn)定的。綜上，只有實(shí)現(xiàn)這3方面的安全可控，下穿工程才能實(shí)現(xiàn)真正的再平衡。

2.3 控制分析

在一個(gè)由“既有結(jié)構(gòu)+地層介質(zhì)+下穿工程”構(gòu)成的下穿體系中，控制的目標(biāo)就是下穿過程及建成后3個(gè)主體的穩(wěn)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(gè)通用公式表述，在實(shí)際工程中，結(jié)合安全風(fēng)險(xiǎn)分析，應(yīng)力值、位移值考慮風(fēng)險(xiǎn)程度相對(duì)較高的部位、工序，即最接近極限應(yīng)力值或位移(變形)值的部位、工序。圍繞3個(gè)主體的穩(wěn)定，地下空間下穿工程控制可從以下幾個(gè)方面著手。

2.3.1 既有結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

既有結(jié)構(gòu)自身的技術(shù)狀況是下穿工程安全控制的重要因素，在現(xiàn)場條件允許的情況下，可以強(qiáng)化既有結(jié)構(gòu)的承載能力或承受變形的能力，采取永久或臨時(shí)措施，如既有結(jié)構(gòu)的加固、臨時(shí)支撐、施工過程頂升等。

2.3.2 地層介質(zhì)強(qiáng)化

地層穩(wěn)定對(duì)于下穿結(jié)構(gòu)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(nèi)，是否具有一定的地層厚度條件來限制結(jié)構(gòu)失穩(wěn)的發(fā)生，當(dāng)條件具備時(shí)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(dòng)。一般情況下，當(dāng)凈距大于1倍的開挖寬度時(shí)，地層的加固能夠發(fā)揮更好的支撐作用。

2.3.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化

分析下穿擾動(dòng)引起既有結(jié)構(gòu)沉降變形特征，可以分別采取超前預(yù)支護(hù)、下穿支護(hù)及穿后支護(hù)的措施，減小下穿工程周邊土體變形及引發(fā)的既有結(jié)構(gòu)位移。

2.3.4 動(dòng)態(tài)管控強(qiáng)化

地下空間下穿工程的安全管控是動(dòng)態(tài)的，需要根據(jù)工程實(shí)際確定控制指標(biāo)、控制方法、預(yù)警機(jī)制及應(yīng)急措施。對(duì)于復(fù)雜、高風(fēng)險(xiǎn)的下穿工程，需要選擇多指標(biāo)、高頻次的監(jiān)控，可采用可視化、自動(dòng)化、智能化的監(jiān)控手段。

3 地下空間下穿工法及控制技術(shù)

3.1 工法選擇

下穿工法選擇十分重要，對(duì)工程實(shí)施的安全性、經(jīng)濟(jì)性及可實(shí)施性有重要影響[9]。下穿工法的選擇應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)成本、施工工期等因素，這里僅從技術(shù)的角度，考慮地質(zhì)條件、覆跨比、周邊環(huán)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(zhì)條件

地質(zhì)條件是地下下穿工法選擇的基礎(chǔ)，選擇何種工法主要取決于地層的穩(wěn)定性。對(duì)于軟弱地層如松軟土層、富水的巖石風(fēng)化層或破碎圍巖等，首先選擇盾構(gòu)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(shù)、管幕技術(shù)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(zhì)條件下，覆跨比大小決定了下穿工程自穩(wěn)可控的能力。對(duì)于覆蓋厚度較大(一般大于1.5～2倍洞徑)的下穿工程，常規(guī)的加固或超前措施就能保證上部結(jié)構(gòu)的安全；而對(duì)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(hù)，以保證上部結(jié)構(gòu)的沉降與變形控制要求；對(duì)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(qiáng)有力的超前支護(hù)與加固手段，如采用管幕法。

3.1.3 周邊環(huán)境

周邊環(huán)境的敏感程度決定了下穿工程沉降與變形控制標(biāo)準(zhǔn)。下穿工程往往處于極其復(fù)雜的周邊環(huán)境中，風(fēng)險(xiǎn)因素耦合作用明顯，需要綜合考慮下穿工程產(chǎn)生的不利影響。一般情況下，敏感的周邊環(huán)境不允許地表采取加固措施，或?qū)Φ貙蛹庸踢^程中產(chǎn)生的影響有較嚴(yán)格的限值。因此，采用盾構(gòu)或頂管工法、輔助洞內(nèi)水平加固措施，是復(fù)雜環(huán)境中下穿工程的優(yōu)先選擇。

3.1.4 沉降控制要求

不同類型、不同技術(shù)狀態(tài)及不同運(yùn)營條件的工程對(duì)于沉降控制要求不同，這也對(duì)工法的選擇提出了要求。沉降控制要求一般取決于結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、運(yùn)營線安全及地層穩(wěn)定，并以其中最為嚴(yán)格的要求作為控制值。每種工法對(duì)于沉降控制的能力有一定的限度，其中，盾構(gòu)、頂管等機(jī)械開挖的沉降控制能力強(qiáng)，而礦山法的沉降控制能力較弱。對(duì)于小凈距下穿、運(yùn)營線沉降要求苛刻的工程需采用MJS加固技術(shù)、管幕技術(shù)等。

綜合分析以上影響因素，結(jié)合筆者的工程經(jīng)驗(yàn)，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(shù)

結(jié)合地下空間下穿控制機(jī)制分析，圍繞強(qiáng)化既有結(jié)構(gòu)、強(qiáng)化地層介質(zhì)、強(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以采用加固及托換技術(shù)、地層改良固結(jié)技術(shù)、隔離和支護(hù)技術(shù)。

3.2.1 強(qiáng)化既有結(jié)構(gòu)——加固及托換技術(shù)

既有結(jié)構(gòu)的加固對(duì)于確保其安全至關(guān)重要，尤其對(duì)于存在病害現(xiàn)象、沉降控制嚴(yán)格的建(構(gòu))筑物，應(yīng)根據(jù)運(yùn)營安全的要求采取有效加固措施。既有結(jié)構(gòu)的加固通常包括提高結(jié)構(gòu)抗沉降(變形)能力、加固地層提升地基承載能力、托換基礎(chǔ)控制下部施工影響等。

某盾構(gòu)隧道下穿高速公路大橋，交叉角度約為55°，交叉處隧道結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)為預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁，下部結(jié)構(gòu)為單樁單柱墩。盾構(gòu)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(duì)影響范圍內(nèi)的16個(gè)橋墩采取臨時(shí)同步補(bǔ)償頂升支架施工。臨時(shí)支架基礎(chǔ)采用φ800 mm鋼管樁，樁長22 m；鋼管樁上部設(shè)置鋼筋混凝土條形基礎(chǔ)承臺(tái)，條形基礎(chǔ)預(yù)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(shè)置6個(gè)200 t的機(jī)械鎖千斤頂，千斤頂上部設(shè)置1道6.5 m×0.4 m的橫梁，用于支撐箱梁。當(dāng)橋梁沉降監(jiān)測值達(dá)到報(bào)警值時(shí)，啟動(dòng)補(bǔ)償頂升。施工中對(duì)盾構(gòu)下穿施工期間的橋梁技術(shù)狀況進(jìn)行專項(xiàng)監(jiān)測，監(jiān)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(shí)物圖 (b) 縱斷面圖

3.2.2 強(qiáng)化地層介質(zhì)——地層改良固結(jié)技術(shù)

對(duì)于上部沉降控制較嚴(yán)的下穿工程(如高速鐵路路基)，無論是盾構(gòu)下穿還是礦山法施工，一般不能滿足高鐵沉降控制要求，對(duì)路基、地基進(jìn)行加固是必要選擇。高鐵作為國家Ⅰ級(jí)繁忙干線，不允許進(jìn)入工程內(nèi)部進(jìn)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(jìn)行360°全方位(垂直、水平、傾斜)地基加固的施工工法，對(duì)于周邊環(huán)境及地基擾動(dòng)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(shè)置強(qiáng)制排泥機(jī)構(gòu)，可定量管理注漿與強(qiáng)制排泥的平衡，最大限度減少對(duì)地層的擾動(dòng)，較好地控制沉降，避免隆起；可進(jìn)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(shí)能夠進(jìn)行水平、傾斜、垂直施工。

以盾構(gòu)下穿某高鐵路基為例，采用MJS水平旋噴樁對(duì)地層進(jìn)行加固，采用“上-下-中”跳層、層內(nèi)錯(cuò)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(dòng)，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(qiáng)化支護(hù)結(jié)構(gòu)——隔離和支護(hù)技術(shù)

下穿工程采用大剛度的支護(hù)結(jié)構(gòu)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(duì)既有結(jié)構(gòu)影響作用的傳遞，長管棚、預(yù)切槽等超前支護(hù)措施都有應(yīng)用。近十余年來采用的管幕技術(shù)、管拱一體化技術(shù)，“化大為小”預(yù)先形成大剛度支護(hù)結(jié)構(gòu)，很好地控制了下穿工程沉降，適用于沉降控制極其嚴(yán)格的下穿工程。

3.2.3.1 管幕技術(shù)

管幕法是一種全新的暗挖工法，利用小型頂管機(jī)沿隧道結(jié)構(gòu)線進(jìn)行鋼管頂進(jìn)施工，形成1圈鋼管幕，然后在鋼管內(nèi)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(wěn)定的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在此永久鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的支護(hù)下，進(jìn)行暗挖結(jié)構(gòu)土方大開挖，最終完成全部地下結(jié)構(gòu)[10-11]。

目前國內(nèi)采用管幕法的工程實(shí)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(yīng)用。沈陽新樂遺址站工程下穿沈陽新樂遺址，車站主體結(jié)構(gòu)型式為單拱鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸為26.2 m×18.9 m，工程采用管拱法施工，共頂進(jìn)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(jié)構(gòu)尺寸為22.2 m×23.8 m，工程采用“管幕+凍結(jié)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(shù)

管拱結(jié)構(gòu)一體化技術(shù)是一種新管幕法強(qiáng)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(hù)結(jié)構(gòu)，同是也是永久性的襯砌結(jié)構(gòu)。

太原市迎澤大街下穿火車站通道建設(shè)工程采用了管拱一體化技術(shù)。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(jié)構(gòu)全寬18.2 m，結(jié)構(gòu)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(cè)管幕段長107.6 m，北側(cè)管幕段長102.5 m)。本工程南北通道各頂進(jìn)20根φ2 m鋼管，鋼管間距165～235 mm。工程實(shí)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(jié)論與建議

地下空間下穿是一個(gè)“原平衡—擾動(dòng)—再平衡”的動(dòng)態(tài)過程，包括了既有工程、地層、下穿工程3個(gè)主體，其中原有平衡狀態(tài)可知性、擾動(dòng)分析可量化性、再平衡可控性的分析是下穿機(jī)制研究的重點(diǎn)，安全控制需要系統(tǒng)構(gòu)建“既有結(jié)構(gòu)+地層介質(zhì)+下穿工程”體系，以下穿過程及建成后3主體的穩(wěn)定性為控制的目標(biāo)，可以從既有結(jié)構(gòu)的強(qiáng)化、地層介質(zhì)強(qiáng)化、支護(hù)結(jié)構(gòu)強(qiáng)化、動(dòng)態(tài)管控強(qiáng)化等方面著手控制。

結(jié)合地下空間下穿控制機(jī)制分析，圍繞強(qiáng)化既有結(jié)構(gòu)、地層介質(zhì)、支護(hù)結(jié)構(gòu)，可以采用加固及托換、地層改良固結(jié)、隔離和支護(hù)技術(shù)等，達(dá)到提高既有結(jié)構(gòu)承載或承受變形的能力、提高地層強(qiáng)度減小下穿工程擾動(dòng)、強(qiáng)化支護(hù)約束控制土體變形與結(jié)構(gòu)位移的目標(biāo)。

從長遠(yuǎn)看，下穿工程將一直面臨既有結(jié)構(gòu)的沉降與變形控制難、既有結(jié)構(gòu)的保護(hù)與加固要求高、變形機(jī)制與結(jié)構(gòu)受力轉(zhuǎn)換復(fù)雜、“新結(jié)構(gòu)+既有結(jié)構(gòu)+地層+周邊環(huán)境”的多因素耦合作用影響大、施工空間與手段受限、監(jiān)測的精度與分析反饋的要求高等難題。未來可從以下幾個(gè)方面進(jìn)行地下空間下穿技術(shù)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(dá)等技術(shù)，對(duì)既有結(jié)構(gòu)及工程環(huán)境形成透明化。

2)數(shù)字建造。BIM搭建、VR大場景協(xié)同設(shè)計(jì)、碰撞檢測、虛擬拼裝、3D打印，形成BIM+VR+仿真分析智能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)貫通。

3)小凈距微擾動(dòng)控制技術(shù)。從創(chuàng)新規(guī)劃設(shè)計(jì)理念、理論機(jī)制、結(jié)構(gòu)體系、施工方法、施工裝備等方面，提升下穿微擾動(dòng)控制技術(shù)水平。

4)智能監(jiān)控與智慧運(yùn)維。構(gòu)建智能感知、分析與決策的一體化平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)施工過程自動(dòng)化安全監(jiān)控及運(yùn)維健康檢測與評(píng)估。