建構筑物樁基對地鐵盾構隧道的影響分析

黃志廣

Analysis of Influence of Construction Pile Foundations on Shield Tunneling of Subway

摘要：近年來，軌道交通工程事業在全國各大城市蓬勃發展，國內二、三線城市也在陸續進行大規模的建設，但是地鐵工程具有投資巨大、建設時間長以及社會協作性高等特點，稍有差錯就可能勞民傷財。在地鐵建設過程中，建構筑物的樁基與區間隧道之間的沖突越來越明顯，甚至導致線路路由的大調整，因此本文通過分析建設建筑樁基對原狀土層的影響，并根據樁基實際的施工情況提出相應的分析解決方法，最后針對盾構隧道施工提出需要注意的問題。

Abstract： In recent years， the development of rail transit projects has been booming in major cities across the country. Large-scale construction has also been carried out in second and third-tier cities in China. However， subway projects are characterized by huge investment， long construction time， and high social collaboration. A slight mistake may lead to financial difficulties. In the process of subway construction， the conflict between the pile foundation of the building and the building tunnel is becoming more and more obvious， and even leads to the great adjustment of the route. Therefore， this paper analyzes the impact of the construction of the pile foundation on the undisturbed soil layer， and according to the pile foundation actual construction situation puts forward the corresponding analysis and solution methods， and finally it raises issues that need attention for the construction of shield tunnels.

關鍵詞：建筑樁基；盾構隧道；地鐵保護；施工措施

Key words： building pile foundation；shield tunnel；subway protection；construction measures

中圖分類號：TU753.3；U456.3 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0230-02

0 引言

隨著經濟的高速發展，交通擁擠和出行不便日益成為嚴重的社會問題，同時人民對于美好生活的追求不斷提高，發展城市軌道交通事業成為解決城市公共交通問題最為有效的途徑之一。截止17年上半年，中國大陸已有31個城市開通運營城市軌道交通，有53個城市開工建設軌道交通。近年來地鐵事業在國內得到大力發展，其與建構筑物的矛盾也日益凸顯，特別是采用樁基的建構筑物，例如高層建筑、大跨度廠房、高聳廣告牌等等。為此本文首先對建筑樁基的類型以及建筑樁基對土層的影響分析方法作一個總結，從而對區間隧道施工過程中提出一些合理性建議。

1 建筑樁基的影響機理

天然地基極限承載力較差，一般滿足不了多、高層建構筑物基礎的需求，所以大部分都需要采用樁基礎進行傳遞荷載到地基，樁基在施工過程中給周邊環境帶來較多的不良影響，主要表現在以下兩個方面[1]：

①擠土樁基在施工過程中需要排開一定體積的土，容易對周圍的土層進行擾動，改變土層原來的應力狀態，會對樁身四周附近的市政道路、管線以及區間隧道造成不良影響；如果采用打樁形式進行施工，在重錘的猛烈撞擊下肯定會引起樁基強烈震動，有時甚至引起周圍土體隨之強迫振動。至于非擠土樁基，像鉆孔灌注樁，則在施工過程中會發生塌孔現象，地層的不斷損失也會引起周圍土體發生應力重分布現象。

②樁基施工完成后，由于結構主體不斷的進行加高，主體結構增加的荷載會通過樁基礎向地基傳遞，將會引起周圍結構、管線的附加變形，同時還會影響地鐵隧道的建設。另一方面，如果這些響應超過了一定范圍，則會引起建筑物不均勻沉降和裂縫開展、道路破壞、管線爆裂、通訊中斷以及滑坡等一系列事故。

由于施工過程時間長，規模大，對一些公共設施的影響大，因此在工程建設過程中，應重點關注其對原狀土層以及周圍環境的影響。在建筑樁基施工的過程中不可避免地會改變原來的土體狀態，土體的應力會隨著樁基的建造進行重分布，從而改變周圍土體的位移狀態，可能引起地鐵隧道管片附加變形和附加應力，對運營地鐵隧道產生不利影響。因此建立地鐵保護辦公室就顯的十分有必要，它可以全面的監測和監督地鐵鄰近區域的工程施工活動，根據佛山市相關管理辦法規定，在城市軌道交通沿線區域設置專門的控制保護區，保護區范圍主要包括：

①距離地下車站結構、地下隧道結構外緣線五十米范圍內。

②距離地面和高架車站結構、地面線路軌道結構外緣線三十米范圍內。

③距離車站出入口、車輛段、風亭、變電站、線路控制中心等建（構）筑物結構外緣線十米范圍內。

④地鐵過江隧道結構外緣兩側一百米范圍內。

⑤對于已獲批的規劃線路和獲準的建設規劃線路，其線路中心線兩側六十米范圍內。

一些市政工程有時不可避免地需要在地鐵保護區范圍內施工，有關部門會針對不同工程提出相應的設計施工要求以降低對地鐵建設的影響，為了更好地對軌道交通設施進行保護，佛山市在控制保護區范圍內還增加設置了特別保護區，其范圍如下：距離地鐵地下工程（車站、隧道等）結構外緣線五米范圍；距離高架車站及高架線路結構水平投影、地面車站及地面線路路堤外緣線以及車輛段的建（構）筑物結構外緣線三米范圍內，由于距離較近，對該區域的一切施工活動嚴格控制，一般不允許進行施工活動。控制保護區范圍內的所有新建、擴建、改建施工活動均需地保辦同意后方可實施。

2 樁基礎對周圍土體影響的分析方法[2]

2.1 對周圍土體的影響過程

擠土樁基比非擠土樁基對附近環境的影響更加不利，這是因為在擠土樁施工中，施工速度較快，周圍土層近似形成了一個不排水的擠壓過程，土層垂直隆起和出現水平位移。若土體為飽和狀態的軟弱土時，樁基入土過程中會出現較高的孔隙水壓力，土體中原有的有效應力會快速降低，沉樁完成后孔隙水壓力又會逐漸降低，此時土體進行再固結過程。在這個過程中，土體有效應力不斷增加、強度逐漸恢復，此時地面可能會出現沉降，樁周側的摩阻力會逐漸減少甚至出現負摩擦阻力，但樁端承受的荷載卻隨之增長。樁基施工過程中一般可將對土體的影響過程分為四個方面：樁基周圍的土體完全重塑和改變土體內部結構；土體的位移、應力狀態發生變化；土體中超孔隙水壓力的出現到消散的過程以及土體強度的逐漸恢復。

2.2 考慮擠土效應的分析

在理論分析群樁擠土效應時，一般采用先對群樁進行分區，然后把每一分區的樁基看作當量單樁來分析，從小及大，由部分到整體，從單樁研究分析群樁的擠土效應。群樁擠土應力、應變及位移場的分析方法發展比較緩慢，從理論推導較難實現。在數值分析方面，一般采用有限單元法來進行計算，但由于沉樁問題在實際中比較復雜，因此用一個圓孔擴張理論難以對實際情況作出比較全面的解析。由于有限單元法中樁與土之間貫入了較大的相互作用力，會引起樁土間出現相對滑動，有限單元法只有在樁土接觸面上出現拉應力才容許樁土間分離，該方法在分析中雖然可以考慮樁土接觸面的相互作用，但計算耗時較長，而且沉樁過程目前難以進行模擬。目前，考慮樁與土的相互作用以及加入位移貫入的有限單元法，是適用范圍最廣的方法，位移貫入法與力貫入法是一一對應的，在研究中，通過在樁頂施加位移來模擬力的作用實現壓樁過程，符合實際施工過程中壓樁的情況，而且計算所需時間比較短。

2.3 樁基沉降計算

長期以來，樁基礎的設計關鍵主要聚集在其極限承載力上，而研究其位移沉降問題相對比較缺乏，這是因為樁基基礎承載的建筑物沉降較小，一般可滿足此要求，近年來研究人員提出了沉降控制理論，這推動了樁基沉降計算理論的發展。

3 盾構隧道施工中需要注意的問題

本文針對佛山市軌道交通三號線工程桂丹路站～佛山機場站盾構區間提出一些施工建議，該區間采用外徑為6m的盾構管片，右線長1732.481m；左線長1716.502m，區間需下穿星拓精機公司廠房、超發制衣廠廠房、西諾德廠房、聯合社區釋石村工業園區宿舍樓、羅村豐崗公涌、聯興得利裝飾材料有限公司廠房、石碣朗村橋涵以及羅村沙坑沙基頭電排站工程等等。由于區間沿線下穿較多建構筑物，施工中需特別引起重視，個別樁基距離區間隧道頂豎向凈距僅2.2m，應從以下幾個方面嚴格控制施工過程：

①確保地面隆起和沉降控制在設計的允許范圍內，關鍵是需要穩定盾構開挖面以及及時用水泥漿液填充管片與地層間的空隙。

②保持盾構開挖面穩定主要通過優化盾構掘進參數來控制。盾構掘進參數主要包括：刀盤和土倉壓力、螺旋機轉速、排土量和推進速度、千斤頂總推力、注漿量方式、漿體性能、盾構姿態、盾構坡度以及管片拼裝偏差值控制等等。

③同步注漿與二次注漿。

為了控制地面沉降，在盾構機掘進過程中，需要及時在襯砌背面環形建筑空隙中填充足量的水泥漿液，漿液配合比、壓力、注漿量應根據所處地質條件來確定，同步注漿能否達到預期效果取決于注漿起訖時間。二次（或多次）壓漿可使盾構在穿越重要建筑物和管線時，地面沉降將大大減小，確保建筑物和管線的正常使用安全。

④注意盾構在線路曲線上推進及糾偏。

當盾構機在曲線推進時，土體的束縛力變差，盾構軸線將會變的難控制，此時推進速度需要放緩，糾偏幅度也不宜過大，應加大注漿量以及糾偏測量工作，以減小地層損失，把地面沉降量控制在一定范圍。

⑤應對區間沿線地面和周圍建構筑物進行及時有效的監測。

應根據建筑物的基礎類型、對沉降的敏感性及允許值，制定每個建筑物的變形警戒值。建立完善的監測網，及時采取有效的預防措施應對緊急情況。

⑥在建筑物周圍附近設置系統的準確的觀測網，進行及時的位移、裂縫監測并及時向建設各方反饋監測信息，做到信息化施工。

⑦風險工程預防措施。

1）對盾構施工參數需嚴格控制，以此避免對原狀地層的過大擾動；

2）選用合適合理的地層改良措施，通過改善土的流塑性來保持進出土的順暢性，可有效控制盾構機出土量；

3）通過試驗，確定與盾構開挖地層相適應的水泥漿配合比、用量和注漿壓力，并應及時對管片空隙進行二次補漿；

4）注漿時應保證壓力均勻適中，根據盾構機推進的速度來適時調整水泥漿注漿量，注漿量需與盾構推進速度相適應；

5）保證盾尾鋼絲刷密封功能正常；

6）加強施工監測，切實做到盾構施工信息化管理。

參考文獻：

[1]徐云福，王立峰.近鄰樁基施工對城市地鐵隧道的影響分析[J].巖土力學，2015，36（增刊2）.

[2]王新朝.淺析建筑樁基對地鐵隧道的影響相關研究[J].城市建設，2009（22）.

[3]灌千元.抗滑建筑樁基承載機理與適用性研究[D].重慶交通大學，2015.