盾构施工对周围建筑物的安全影响及处理措施

【摘要】随着盾构施工在城市隧道建设中的广泛应用，对周边建筑物的影响研究变得尤为重要。本文探讨了盾构施工对建筑物的影响，介绍了数值分析方法和地表沉降及构筑物变形的防治措施。

【关键词】盾构 建筑物 影响

中图分类号：U455.43文献标识码： A

前言

由于工程地质条件、施工工况及周边环境等原因的影响, 导致地表沉降而引起临近建筑物倾斜、墙面开裂、道路开裂下沉等事故时有发生, 对社会经济造成巨大损失。因此,有必要对地铁隧道盾构法施工对周边环境的影响进行分析。

一、盾构施工对建筑物的影响

盾构施工将引起一定范围内地层的变形。对于位于影响范围内的建筑物，由于地基土体的变形而导致其外力条件和支承状态发生变化，而外力条件的变化又将使已有建筑物发生沉降、倾斜、断面变形等现象。因此，外力条件和支承状态有无变化及变化程度，将随既有建筑物与盾构隧道的位置关系、地基土的性质、既有建筑物的结构条件和刚度等的不同而不同。外力条件的变化类型主要有以下4种：

地层应力释放引起的弹塑性变形，导致建筑物地基反力的大小和分布发生变化。这主要由开挖面坍塌、盾构蛇行与超挖、盾尾间隙的产生、衬砌变形等引起；

因有效覆土压力的增大而导致的土体压密沉降，使建筑物地基的垂直土压力增大。这主要是由各种因素导致的水位下降而引起；

因土体负载而导致的弹塑性变形，使建筑物地基的土体压力增大。这主要是由盾构推力过大、盾构与周围土体间的摩攘、壁后注浆压力等引起；

因土性变化而导致的弹塑性沉降和蠕变沉降，引起建筑物地基的反力分布发生变化。它主要是由于盾构施工对周围土体的扰动而使土性发生变化所引起。

1、盾构施工对浅基础建筑物的影响

对于基础埋深较浅的建筑物，其基础四周地层移动的影响可以忽略，仅考虑基础底部土层变形的影响，且为方便分析，认为底部变形和地表变形一致。其受到的影响主要有以下两个方面：

(1)地表垂直变形对建筑物的影响。建筑物一般对地面均匀沉降(或隆起)并不敏感，造成建筑物破坏的原因主要是不均匀沉降(或隆起)。地表的沉降(或隆起)差值常导致结构构件受剪扭曲而破坏，尤其框架结构一般对沉降(或隆起)差值比较敏感。地表的倾斜则对底面积小、高度大的建(构)筑物影响较大，其能使高耸建(构)筑物的重心发生偏斜，引起应力重分配；倾斜大时，还会使建筑物的重心落在基础底面积之外而使其发生折断或倾倒，但这种情况很少。地表曲率有正、负之分。在地表负曲率的影响下，建筑物基础犹如一个两端受支承的粱，中间部分悬空，上部受压、下部受拉，易使建筑物产生八字形的裂缝。

(2)地表水平变形对建筑物的影响。地表的水平变形指地表的拉伸和压缩，它对建筑物的破坏作用很大。建筑物抵抗拉伸的能力远远小于抵抗压缩的能力，在较小的地表拉伸下就能使其产生裂缝，尤其是砌体房屋。一般在门窗洞口的薄弱部位最易产生裂缝，砖砌体的结合缝亦易被拉开。地表压缩变形对建筑物的破坏主要是使门窗洞口挤成菱形，纵墙或围墙产生褶曲或屋顶鼓起。在盾构施工中，地表隆起或沉降是动态发展的过程，因此，对建筑物的影响也是一个动态发展的过程。

2、盾构施工对深基础建筑物的影响

深基础的建筑物不仅受到基础底部土层变形的影响，还受到基础四周地层变形的影响。对于深基础中的桩基，受到的影响主要有下列三方面：

(1)桩周土沉降引起的负摩阻力导致桩的附加沉降；

(2)土体侧向变形引起的桩的侧向变形；

(3)当桩底在隧道上方时，桩底土的沉降和土性变化引起桩端承载力的部分或全部丧失而引起桩的沉降。

二、数值分析方法

若干因素会影响数值分析成果，主要表现在:

1、数值分析条件的场地岩土工程参数场地

岩土工程参数一般通过地质勘察取得，这与地质勘察单位的整体技术水平，勘察采用的技术手段可靠性，提供的分析参数适用性有关。地铁隧道施工线路长，一般有若干勘察单位参与工作，提供的分析参数有一定差异。同时由于地铁隧道施工是场地应力释放过程，提供的计算参数如弹性模量、抗剪强度等参数的技术方法不能完全模拟该过程。

2、隧道施工控制参数隧道施工盾构法与矿山法

由于推进速度不一、衬砌时间不一、注浆压力与注浆量不一等原因，引起的周边土层反应亦有很大不同。一般情况下，矿山法施工较盾构法地面沉降量和沉降范围要来得大，采用数值分析时，对不同施工方法引起的地应力损失和隧道拱顶位移量亦不同。

3、地面最大沉降量控制

由于地区性统计资料不充分，在以往发表若干关于地铁隧道施工地面位移模拟均以典型断面实测结果为比较对象，使得数值分析方法对某些断面较适合，对另外一些断面实测结果往往符合性不好，需调整某些计算参数和分析方法( 主要是应力释放水平)。这样使数值分析方法的工程应用，特别是需要对被地铁隧道施工影响的建( 构) 筑物采取工程措施时，显得无所适从，适用性降低。

综上所述，采用数值分析方法预测地铁隧道施工对周边环境影响，必须使预测结果接近实测结果，这对进行数值分析的岩土工作者都是一个难题。

三、地表沉降及构筑物变形的防治措施

地表沉降归根结底是由于盾构施工对土体的扰动, 因此为减小地表沉降, 就必须减小盾构施工对周围土体的扰动。因此, 研制并采用更先进的盾构就成为必然的选择。比如, 早期盾构多为敞开式盾构或挤压式盾构, 现在则普遍应用密闭式盾构( 土压平衡盾构和泥水平衡盾构等等) 。密闭式盾构引起的地表沉降要小得多。随着环境保护的要求越来越严格, 对盾构施工引起的地表沉降控制也越来越严格, 为此, 研制具备自适应能力的盾构施工参数控制系统( 即根据施工监测数据自动调整施工参数) 就成为减小盾构施工对土体扰动的有效措施；

盾构推进轴线尽量与隧道设计轴线保持一致。盾构推进时要及时纠偏, 并且一次纠偏量应控制在5mm 内, 并研制采用自动纠偏系统；

盾尾建筑空隙及时注浆, 并采用结硬性、流动性较好且收缩性小的同步注浆浆液。比如考虑到上海地铁一、二号线实测地表沉降较大, 故在正在建设中的轨道交通M8 线盾尾同步注浆中就采用可结硬的双液浆液( 以前同步注浆为惰性浆液)；

提高管片的抗渗能力。管片渗漏水也是导致地表沉降的主要原因, 这是因为: 第一, 地下水位下降, 土中有效应力增加, 从而土体固结, 引起地表沉降; 第二, 地下水流动使得土中细小颗粒( 尤其在砂性土中) 产生移动, 土颗粒间空隙受到压缩, 从而导致地表沉降。上海地铁一号线自1994 年建成通车以来, 地表沉降累计已达100~ 250mm, 这与区间隧道的渗漏水有很大的关系。监测资料表明, 隧道渗漏水主要集中在环缝及手孔等处。而导致环缝渗漏水的原因较多: 管片制作精度问题、遇水膨胀止水带问题、施工质量问题等等, 因此, 为提高管片的抗渗能力, 需采取“三合一”方式即设计- 施工- 维护保养三阶段统一考虑, 综合解决；

对周围构筑物变形的防治措施主要表现在两个方面: 第一方面是提前采取预防措施, 比如对将要影响到的构筑物进行加固, 提高其抵抗变形的能力, 或者设置隔离墙( 树根桩、钢板桩、搅拌桩或连续墙等) , 截断影响源; 第二方面, 事后采取补救措施,即根据监测结果采取注浆等方式对盾构施工影响到了的构筑物进行纠偏。具体采取哪种措施要根据构筑物的重要程度、结构形式、与隧道的距离、施工场地条件等进行经济技术比较后确定。

结论

盾构施工不可避免的会对周围环境造成不同程度的影响,而工程建设对环境造成的影响日益受到各界的关注与重视,为保证地表建筑的安全，对其影响的分析研究刻不容缓，发现不足之处从而对隧道盾构施工起到进一步的指导作用。

【参考文献】

[1] 魏新江,魏纲,丁智.盾构施工与邻近不同位置建筑物相互影响分析[J]. 岩土力学. 2007(S1)

[2] 姜忻良,贾勇,赵保建,王涛.地铁隧道施工对邻近建筑物影响的研究[J]. 岩土力学. 2008(11)