雙線盾構施工對鄰近建筑物的影響研究

引言

隨著我國經濟規模的迅速壯大以及人口向城市集中的快速發展，對保持城市功能及交通所需的空間提出了更高的要求，地下空間，作為人類在地球上安全而舒適生活的補充空間，在經濟及土地資源可持續發展戰略中占有愈來愈重要的地位，地下空間的利用和規模得到了日益拓展。

就浙江省而言，杭州地鐵的規劃已于2004年2月通過了專家評審，并且進入了實質性的啟動階段。杭州地鐵1號線地下段除一部分車站擬采用明挖法、蓋挖法施工外，其它路段均采用盾構法施工。作為一種高效的地下隧道專用工程機械，盾構機已經成為城市地鐵、隧道建設中不可或缺的工具。盾構法隧道區間主要分布于杭州主城區，沿線穿過繁華的商業鬧市區，建筑物及地下管道密集。但無論采用哪種盾構建造隧道，都會引起不同程度的地面沉降和地層移動。地面沉降和地層移動達到一定程度時，就會影響周圍建筑物的安全和正常使用。

隧道對既有建筑物的影響主要是通過擾動周圍的土體，使周圍的土體應力應變發生的變化，從而影響既有建筑的應力應變狀態。隧道開挖引起的地表沉降及變形對周圍建筑物的損害主要表現為地表沉降損害、地表傾斜損害、地表曲率損害和地表水平變形損害。實際上，隧道開挖對于建筑物的破壞作用，絕不是只受單一種類的地表變形的影響，往往是幾種變形同時作用的結果。

目前城市地下鐵道往往不以單孔隧道形式出現，我國上海、廣州等地鐵大多數采用水平雙孔平行隧道，兩條隧道沿街道修建并排靠得較近，在盾構進行施工推進時，施工方式不同，相互之間發生的作用也各不相同。例如有時為加快施工進度，采用兩臺盾構機相對推進施工，如果不采取合理措施，在兩盾構推得很近，特別是交匯處，相互作用將對周邊環境特別是建筑物產生較大影響。因此，分析并解決雙線隧道施工對已建建筑物的影響，并且保證建筑物的安全和正常使用成為急需研究的問題。

國內外研究現狀

·雙線隧道施工對建筑物的影響國內外研究現狀

Mroueh采用三維有限元方法對隧道與地表建筑物進行了數值模擬，在隧道施工中考慮了建筑物的存在，并與另一種在計算隧道開挖引起的土體變形時忽略了建筑物存在的簡化方法進行了比較。結果表明，忽略了建筑物的自重會導致隧道開挖所引起的沉降計算結果明顯變小，但其并沒有模擬隧道施工引起建筑物地基反力變化的規律，同時也沒有考慮建筑物底板的存在，使得地表沉降在獨立基礎處產生明顯突變。

國內學者如于寧等（2004）等運用有限元法對雙線平行隧道施工進行了數值模擬，結果表明，隧道開挖后，對于建造在隧道上方的天然地基上的建筑物有較大影響，并且右邊隧道由于建筑物的作用而產生較大的內力，需要采取一定的加固措施。但其在模擬分析中并沒有考慮基礎的存在，使得建筑物的內力變化明顯過大，與實際情況不太相符。

畢繼紅等（2005）以深圳市軌道交通二期1 號線續建工程為例，應用ABAQUS 程序對實際情況進行了數值模擬分析，揭示了在開挖右線工程的時對左線既有隧道產生的影響，包括地表沉降、應力分布和襯砌變形及對地面建筑的影響。研究結果表明：從變形和受力兩個方面考慮認為，隧道開挖后對于在隧道上方的天然地基上的建筑物有較大的影響，需要采取一定的加固措施。

石杰紅等（2006）選取某城市地鐵雙線平行盾構隧道推進為研究對象，采用FLAC3D數值模擬對不同施工方案時地表沉降量進行比較。結果表明：同雙盾構同時同向施工相比，采用單盾構施工，完成后再對另一條隧道施工的方案對周圍構筑物的影響最小。

彭暢（2008）利用有限元程序ABAQUS，對穿越武漢理工大學5層鋼筋混凝土框架結構電教樓下方的隧道盾構掘進采用三維數值分析方法進行計算，模擬盾構掘進引起的地層變形和規律以及對隧道上部建筑物的影響。研究結果表明：上部結構對基礎的位移有一定的約束作用，考慮上部結構的沉降曲線呈現良好的連續性；地表建筑物的層數越高，建筑物附近地表沉降越大；雙線隧道開挖時，建筑物傾斜最大值可能出現在單線開挖的某一時段；隧道開挖過程中，建筑物由于基礎沉降不均勻可能在其垂直面和水平面內產生扭轉變形。

研究方向

對于受影響區域的建筑物特別是Ⅰ區的建筑物，為確定其受影響的程度以及是否需要采取措施和采取哪些措施，必須對已有建筑物進行變形等預測分析，定量掌握建筑物受盾構施工的影響程度。主要有兩種預測方法：一是將建筑物和地層分開考慮的隔離法；二是將建筑物和土層作為一個整體考慮的整體分析法。

1、隔離法

把建筑物和地基分開考慮，首先進行地基變形預測分析，然后將盾構掘進引起的地基變化作為建筑物的輸入條件進行結構分析。分析中，又可根據建筑物的結構情況分為兩種方法：

（1）將地層的變形作為建筑物的變形。該方法主要適用于剛度相對較小的柔性建筑物，如一般的多層建筑物。

（2）給結構物施加相當于地層變形而產生的土壓力。該方法適用于剛度大，變形受自身剛度影響大的結構物。對于此類結構物在進行預測分析時，一般可以將盾構施工時引起的地層變形對結構物的影響，轉化為彈性作用力作用在結構物上。因此，可用彈性地基梁模型進行分析。

2、整體分析法

將土層和結構物作為一個整體來進行分析。一般需用有限元等數值方法進行計算分析。分析中，因存在地層單元和結構物分離的可能性，往往需在建筑物基礎和地基、管片襯砌和周圍土層之間設定特殊的接觸面單元。對盾構施工工藝影響的模擬，通常要考慮開挖面壓力的模擬、盾尾間隙和注漿的模擬、管片襯砌的模擬。對于注漿可采用兩種方法來模擬：一是通過調整隧洞周邊地層釋放荷載的大小來反映灌漿遲早等注漿參數的影響；一是將灌漿開始時間、灌漿壓力、灌漿量等作為地層移動的影響因素，在確定盾尾空隙量時綜合反映其影響。

進展情況

目前， 盾構隧道施工過程和地面位移基本采用二位有限元模擬，但無法模擬開挖面土體的三維運動。計算結果與實際情況相差較大。盾構施工對建筑物的影響是一個動態發展的過程，盾構的位置不同，地層的變形情況也不同，目前三維模型進行模擬分析已經廣泛應用。但為了簡化分析，也可采用平面分析。同時，對建筑的影響分析時，通常考慮了以下工況：（1）建筑物接近開挖面時；（2）盾構通過建筑物時；（3）盾尾脫出建筑物時。

存在問題

通過對國內外研究現狀的分析表明，目前對于盾構法施工與鄰近建筑物相互影響研究中存在的問題具體可歸納為以下幾個方面：

（1）在研究盾構隧道對鄰近建筑物影響時，往往忽略了上部建筑物的存在，使得研究結果與實際情況有所不同。特別是對于隧道開挖引起的地表沉降，由于建筑物與基礎是一個整體以及上部建筑物存在剛度，不能只考慮基礎的存在來研究地表沉降。

（2）盾構施工會引起不同程度的地面沉降和地層移動，從而導致建筑物的不均勻沉降甚至開裂。由于建筑物基礎形式的不同，盾構施工對建筑物的影響也不相同。但現階段的研究主要集中在盾構隧道對樁基礎的影響，并且在研究時沒有考慮基礎形式的不同。

（3）由于目前盾構法隧道施工建造地鐵只在我國少數幾個城市實行，還沒有相關的沉降控制標準，也沒有關于建筑物的評價標準，目前大多數國家都采用英國在Juhile延長線施工中對建筑物的評價原則和標準，但此標準中沒有把土體損失和建筑物損壞程度相結合，不能較好的指導工程實踐。因此，針對不同土質制定盾構隧道施工的相關評價標準對隧道的設計、施工以及正常運營都具有很重要的意義。

（吳成華單位：杭州市蕭山區建設工程質量監督站；范偉單位：浙江久正工程檢測有限公司）