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摘要：盾构法作为机械化程度高，安全性强的施工方法，广泛应用于地铁隧道施工。
由于受到城市空间布局的限制，盾构区间下穿既有建（构）筑物时，存在较大风险，且制约工程正常进展；特别是下穿人防干道等敏感建筑，缺少控制标准及处理方式等方面的规范规程要求与工程案例参考。根据合肥地铁穿越人防干道工程，对盾构区间下穿砌体结构进行受力影响分析，对掘进施工注意事项进行阐明，对人防干道回填处理措施进行论述；同时类比相关规范拟定控制标准、技术措施与检测方法。从工程实际施工情况及检测结果来看基本满足要求，能够有效控制工程风险，确保工程质量。
关键词：盾构法，下穿，影响分析，控制标准，技术措施，检测方法
1 研究的目的和意义
随着我国地铁事业的建设和发展，城市地下空间开始逐渐的被开发和利用，由于受到城市现状及规划的影响，地铁隧道在建造的过程中难免下穿一些既有建（构）筑物，下穿过程的相互影响及施工安全，是制约工程顺利进展的重要因素。
采用机械化程度高，作业环境好，安全性可靠的盾构法施工，是目前国内地铁隧道施工主要工法。由于自身的优越性，能减少对周边环境的影响，并辅以一定超前或工后加固措施，可有效的控制周边建（构）筑物的沉降与变形。对于穿越房屋、桥梁、河流、铁路、地下人防等既有设施较其他工法有明显优势。但根据不同地质条件，建（构）筑物安全储备等情况，盾构下穿工程中仍存在着较大风险或不可控因素，仍需要大量工程经验进行类比，修正盾构掘进参数，加强监测管理。对盾构区间下穿人防干道，从模拟影响分析，施工技术要求，回填措施三方面进行分析与论述，提出供参考的控制标准，处理措施及回填检测方法。
2 工程特点及设计思路
2.1 工程概况
人防疏散干道（以下简称“人防干道”）敷设于合肥市中心主干路，长江路下，东起梅山路，西至宿州路，全长约2.7km，多处与长江路两侧建筑地下室相连，属于人防工程的联络通道。该干道修建于上世纪70年代，为砖砌拱形结构，开挖断面2.74m（宽）x2.54m（高），采用砖砌基础。人防干道与合肥地铁2号线并行于长江路下，地铁2号线工程均为地下线，全段线路均进行人防设计，战时将作为合肥市的一条城市人民防空疏散干道及人员待蔽场所。
经过现场调查，并与省人防办、市人防办协调、沟通确定，地铁实施前对下穿人防干道进行安全影响分析，并对部分排水受阻的干道进行回填处理措施。
人防干道主要穿越地层为：可塑-硬塑状粘性土，部分区段穿越粉土、全风化砂岩、全风化泥质砂岩。区间隧道主要穿越地层为：粉土、中风化砂岩、中风化泥质砂岩，部分区段穿越粘性土。
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图1 人防干道与地铁关系图
2.2 主要工程特点
人防干道修建年代久远，拱形砌结构强度储备不足；缺少维护，排水受阻，长时间积水、浸泡对地下结构耐久性影响较大。同时人防干道并行于地铁上方，与地铁隧道净距较小，地铁穿越时施工风险较大。并且人防干道作为战时主要疏散通道，社会作用和影响较大，施工处理时对各项标准要求较高。
2.3 主要设计思路
（1）隧道施工引起的地面沉降和隆起均应控制在环境条件允许的范围以内。依据周围环境、建筑物基础和地下管线对变形的敏感程度，采取稳妥可靠，机械化程度高的盾构法施工。
（2）盾构法隧道施工时，普通地段地面沉降量宜控制在30mm以内，隆起量宜控制在10mm以内；特殊地段地面沉降量视不同情况而定（包括穿越建（构）筑物、重要地下管线等），具体数值应按相应的规范和规程允许值从严确定[7]。
（3）对盾构区间下穿人防干道（不回填区段）进行数值模拟分析，同时尽量减少对干道的影响。
（4）由于地铁车站实施将人防干道分割切断，使干道排水功能丧失，原则上对排水受影响区段进行干道回填并报废。同时对于地铁结构与人防道位置冲突的区段，采用破除部分人防干道的处理措施。
3下穿人防干道影响分析
3.1 模拟影响分析
（1）计算原理
为合理反映盾构施工对人防干道的附加变形影响，采用弹塑性有限元分析方法，以模拟实际结构体系非线性变形下的盾构周地层应力场和位移场[1]。
建模范围为盾构区间与地下通道影响范围内的土体（3～5倍深度范围），根据以往工程经验和实测数据及此工程的规模，此范围已基本满足模拟土体的空间半无限体特性。盾构区间和地下通道结构均采用弹塑性BEAM单元模式来模拟。BEAM单元为三节点平面单元，弹塑性模式可以较好的模拟结构非线性力学特性。土体采用十五节点平面单元及硬化土（HS）材料模式来模拟。HS材料模式是一个可以模拟包括软土和硬土在内的不同类型的土体行为的先进模型，具有模拟塑性、徐变、膨胀、应力强化、大变形和大应变的能力[15]。
部分计算参数由以往同类工程实测数据反分析求得。
（2）模拟计算
人防干道开挖宽度2.74m，开挖高度2.54m，砌体结构，结构覆土厚度约为5.0m，计算时选取不同地层与净距4.0m和6.0m两种情况进行分析：
1）盾构区间与人防干道结构净距4.0m。
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图2 间距4m沉降及应力云图
2）盾构区间与人防干道结构净距6.0m。
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图3 间距6m沉降及应力云图
3.2 沉降控制判断
目前对于砌体结构地下人防工程的控制标准没有明确规范，根据人防干道结构形式，建筑材料，使用情况等因素综合分析，参考类似结构形式建（构）筑物的有关沉降控制标准，并加以保守修正作为人防干道控制标准，具体依据如下：
根据《城市轨道交通工程周边环境调查指南》要求，地下管线的重要性等级根据压力和使用情况，其管线控制指标：分为Ⅰ（有压管线），允许位移控制值≤10mm、Ⅱ（无压雨水、污水管线），允许位移控制值≤20mm和Ⅲ（无压其他管线），允许位移控制值≤30mm。
根据《北京地区建筑地基基础勘察设计规范》（DBJ 01-501-92）第7.4.3条，对于砌体称重结构，基础土为一般第四纪砂质粉土及粉、细砂，新近沉积砂质粉土及粉、细砂，沉降量≤30mm,；一般第四纪粘性土及粘质粉土，沉降量≤50mm。
参照以上相关规范中的控制标准，结合目前人防干道的使用状况，考虑到一定得使用损坏及强度折减，修正后确定人防干道沉降控制值为20mm。
根据《地铁工程监控量测技术规程》（DBI 1/490-2007）（北京）第7.2.2盾构法施工监控量测控制值；地表沉降30mm，拱顶沉降20mm；隆起10mm。
表1 沉降情况表
地表沉降及人防干道沉降满足要求。
3.3 承载力计算
人防干道自身承载力的计算参照《铁路隧道设计规范》（TB1003-2005）第11.2.1条[8]与《砌体结构设计规范》（GB50003-2011）第5.1.1条计算[9]。
人防干道砖墙强度等级参考《砌体结构设计规范》（GB50003-2011），按MU15，砂浆等级按M5计算，同时因既有人防工程为70年代建造，对其砌体强度进行折减，折减系数取0.8。
经分析结果如下：
按照《铁路隧道设计规范》第11.2.1条计算人防工程的受压承载力，式（1）：
人防干道承载力满足要求。
3.4 分析结论
根据上述数值模拟分析与内力计算结果得出，在特定地层中，人防干道与盾构区间净距大于4.0~6.0m时，结构沉降与受力属于安全范围，盾构区间下穿人防干道（未回填），满足相关要求。
4 下穿人防干道主要技术措施及注意事项
4.1盾构选型
根据区间沿线工程环境条件及水文地质条件，区间隧道主要穿越的地层为上部为粘性土、粉土，下部为全-强-中风化泥质砂岩（或砂岩），地下水位较高。中风化泥质砂岩层饱和单轴极限抗压强度，约为3～15MPa， “上软下硬”地层明显。因此，结合上述地质特点，盾构选型以具有保压和掘进软岩能力为住的盾构机，本区间采用复合式盾构施工[4]、[13]。
4.2 地表沉降控制措施
（1）保持盾构开挖面的稳定
盾构开挖面的稳定可以通过调整掘进参数来控制。掘进参数主要有：刀盘和土舱压力、排土量和推进速度、螺旋机转速、千斤顶总推力、注浆压力与时间、注浆方式、浆体性能、盾构坡度、盾构姿态和管片拼装偏差等[5]。因此，必须熟练掌握盾构机的操作技能，根据地面变形情况进行监测反馈，以验证选择施工的合理性或再调整施工参数。通过设定推进速度来调整排土量或者设定排土量来调整推进速度，以求得土舱压力与地层压力的平衡[6]。
（2）同步注浆与二次注浆
为了减小和防止地面沉降，在盾构掘进中，要尽快在脱出盾构后的衬砌背面环形建筑空隙中充填足量的浆液材料。根据地质条件，浆液配比、注浆压力、注浆量及注浆起讫时间对同步注浆达到预期效果起关键作用。浆液具有较快的凝固性，限制后期沉降，二次（或多次）注浆弥补同步注浆的不足，是减小地表沉降的有效辅助手段[3]。衬砌背后实施二次注浆，重点对拱部120度范围进行施作。
（3）盾构姿态控制
盾构推进时，控制好盾构姿态，避免盾构上浮、叩头和后退等现象发生。盾构在曲线上掘进时，土体对盾构及隧道的约束力差，盾构轴线控制较困难，需放慢掘进速度、小幅度纠偏、减少超挖及加大注浆量及加强纠偏测量工作，以减少地层损失和地面沉降量。
（4）加强机械检修养护，在穿越富水粉土、粉砂地段，防止螺旋输送机喷涌砂，盾尾和铰接部位漏砂等，造成地层损失，加大沉降[2]。
4.3 临近人防干道盾构施工注意事项
盾构区间与人防干道并行，且部分区段净距较小。在该区段临近施工时，盾构隧道的开挖会引起地基土层损失和对周边岩层的扰动，或受剪切破坏重塑土的再固结，由于地基土体的变形导致其外力条件和支承状态发生变化，会造成既有人防干道发生沉降。因此穿越时，应该注意以下事项：
（1）匀速通过
增加刀盘转速，降低推力和掘进速度，加大泡沫注入量，做好碴土改良，严格控制出碴量，控制好土舱内的压力平衡，减少掘进过程中周围土体的扰动，降低地基变形对通道的影响。
（2）跟踪注浆
保证每环要达到注浆总量，保证盾构推进每箱土的过程中均匀合理地压注。软土层时，浆液保水性要好、水泥含量要高，并采用较高的注浆压力以提高注浆量，降低浆体因排水固结收缩引起的地层损失。硬土层时，适当加大注浆量、降低注浆压力，控制管片脱离盾尾后，产生较大建筑空隙造成的管片上浮等问题，有利于减小对地层的扰动、减小地层应力释放[14]。
（3）二次注浆
因盾构穿越人防干道后造成隧道周围土体发生松动，为减少工后地基土的塑性变形，盾构管片在穿越段增开注浆孔，加强二次注浆，预留工后注浆补强条件，阻止地层发生进一步沉降。
4.4 加强监测
地表沉降监测必须全线进行，盾构在穿越前后，沿纵轴线每3～5m布置地表测点，进行连续测量，对位于沉降槽影响范围内的，作重点保护监测，加强监测力度，建立系统、完善的监测网，并及时反馈信息，作到信息化施工。
应及时绘制包括隧道净空收敛、地表沉降和邻近建（构）筑物变形的时态曲线，以及各项指标变位值的发生与开挖工况的关系图等。选择与实测数据拟合性较好的函数进行回归分析，判断是否发生突变和预测可能出现的最大位移，对现状施工进行评价，必要时提出优化建议，指导后续施工。
5 人防干道回填处理措施
5.1 处理措施方案选择
由于人防干道修筑年代久远，为砖砌结构，自身结构强度较低且部分区段已有所破坏，因此若采用地面注浆加固或隔离桩等方式防护，不但不能达到理想效果，甚至在加固工程实施中会破坏人防干道；同时考虑到城市道路下管线繁多，车流密集，如采取地面加固措施,易造成管线的破坏，且对于现状交通造成很大影响，增加施工难度与风险。
同时，在地铁施工时将人防干道分割切断，使人防干道的排水功能丧失。从现状来看，人防干道暗沟水量较大，若封堵不彻底，干道内汇集水量增大，影响结构安全。
根据上述原因，结合实际工程情况，采用对于排水受阻区段及与盾构区间结构净距较近区段的人防干道进行回填和封堵，回填材料采用水泥砂浆，回填封堵后能有效的避免因盾构掘进压力对人防干道挤压产生裂缝后的破坏，同时也避免了人防干道坍塌对路面交通的影响与安全隐患。
5.2回填实施方案
（1）处理原则
由于地铁实施将人防干道切断，丧失排水功能，因此对部分干道采用水泥砂浆回填及补充注浆的封闭处理措施，封堵后能避免干道内汇集水量增大，长期浸泡影响结构安全。
（2）回填方法
通过地面开孔回填，回填前砌筑砖墙分仓，一仓10m左右（特殊情况可缩短分仓长度），路面临时围挡，处理影响管线。在人防干道上方开孔（钻孔300mm直径），间距5m，孔口设置2～3m长钢套筒，防止塌孔，直接回灌水泥砂浆，每仓两端处设置∅50mm二次补充注浆孔，地面进行注浆密实；同时在分仓标高高点设置∅50mm排气孔，便于注浆填充饱满。注浆管采用外径42mm钢花管，分段分期实施，尽量减少对路面交通的影响，施工后恢复路面。
由钻孔向人防干道内灌浆，待填充达到90%时，采用∅42mm钢花管通过二次补充注浆孔进行注浆，钢花管深入人防干道顶部内200mm。注浆压力控制在0.3～0.5Mpa。当注浆压力达到0.5Mpa时，保持15分钟，若发现进浆量很少或者不进浆，即可停止注浆。
（3）回填检测方法
1）工程实施前进行试验段回填，检验回填效果是否满足要求，并确定注浆量；
2）工程实施时，每一仓回填后，待砂浆强度达到设计强度时进行洞内开仓检查，观察洞内顶部是否回填完整，若有空隙，通过地面补浆填满。
3）鉴于目前没有明确的规范、规程对人防干道回填工程提出具体检测方法，因此参考《混凝土结构工程施工质量验收规范》（GB50204-2015）[11] 、《混凝土强度检验评定标准》（GB50107-2010）对混凝土检验的标准抽检数量不超过100 m3/次，作为人防干道回填抽检数量的要求，并采用钻芯取样对回填密实度、强度进行检测。要求回填密实度不小于90%，强度不得低于28天强度标准。
4）根据上述规范，对人防干道回填检测采取以下方法：
对于重叠区（与盾构区间结构冲突地段）每仓抽检一次，每次抽检不宜少于2个孔；
对于接进区（与盾构区间净距在6m以内地段）每仓抽检一次，每次抽检不宜少于1个孔；
对非接进区（与盾构区间净距在6m以外地段）每两仓抽检一次，每次抽检不宜少于1个孔[10]；
5）当抽检不合格时，抽检数量应增大，重叠区增至每仓3个孔，接进区增至每仓2个孔，非接进区增至每仓1个孔；
6）对于横跨区间的人防干道回填应进行每仓检测。
（4）检测取样
根据人防自身坡度特点，在采取钻心取样时，应在回填段高点和低点钻孔取样；检测过程中，应对回填人防充实揭示，判断人防干道回填是否存在空腔、间隙的情况。
（6）空洞处理方案
若钻孔取样发现存在回填空洞，应进行补充注浆，补充注浆可采用钻心取样孔洞进行注浆，注浆终压达到0.5MPa（压力可根据现场实际进行调整），持续15分钟，进浆量很少或不进浆时，可结束注浆。
6 结论
（1）目前人防干道已回填完毕，盾构区间基本掘进完成，地表沉降与人防干道变形在拟定控制标准范围内，未出现因下穿人防干道引起的安全事故，未回填段人防干道继续正常使用。
（2）由于目前对于人防干道变形控制标准尚无具体规范、规程做出明确要求，暂按类比修正控制标准执行，通过数值模拟分析与工后监测数据比对，人防干道变形能够满足修正控制值要求。同时内力计算表明，人防干道满足承载力要求。
（3）人防干道回填密实度是本工程的难点，回填后密实度的检测尤为重要，但人防干道回填范围较大，均采用同一标准进行钻芯取样，工程量较大；因此本工程根据盾构区间与人防干道的位置关系分为重叠、接近、非接近三种区段，采用不同检测密度进行检测，检测合格率达90%以上。
（4）本工程除采取钻孔取样检测方式外，还辅助其他检测方法（声波探测法等）进行空洞位置及规模检测，然后根据检测结果进行空洞注浆回填，确保人防干道回填质量。
地铁隧道采用机械化施工是发展趋势，在隧道下穿建（构）筑物等风险工程中，盾构法基本被列为首选。对盾构下穿人防干道，进行数值模拟分析，理论推导修正，拟定了控制标准；并通过工程类比，结合规范，制定了技术措施与回填检测方法。实施效果与检测结果也基本满足要求。但根据本工程实际情况，盾构法施工仍然有加固措施不灵活，盾构机适应性等局限；特别是盾构选型与掘进参数方面，这是机械化施工优势的前提。在今后的工程中，应加强这方面的分析与研究，确保盾构施工的工程质量与效果。
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作者简介：
仲崇海，1989.5，男，北京，工程师，370703198905211839。
2014年6月毕业于北京交通大学隧道与地下工程专业，硕士研究生。
2014年8月就职中铁工程设计咨询集团有限公司，城交院地下结构三所，从事轨道交通地下工程结构专业。