地鐵隧道施工對既有建筑物的影響及加固措施

廣東華隧建設集團股份有限公司，廣東 廣州 510308

城市化帶動了各個行業的發展，也給地面交通帶來了顯著的壓力。隨著城市的發展，地上可利用的土體空間在逐漸減少，而地鐵通過對地下空間的合理利用，能夠有效緩解城市的交通擁堵問題。但是地鐵在修建施工的過程中也會出現一系列的問題，其中較為嚴重的就是對周圍的既有建筑物產生了較嚴重的影響。通常地鐵隧道都修建在城市中較為繁華的地方或者在地標性建筑物附近，地面的建筑物較為密集，管線相對也更為復雜，因而地鐵的施工勢必會對周圍的土體產生擾動和影響，引起周圍既有建筑物的沉降、傾斜等變形，使建筑物輕則出現裂縫，重則發生倒塌。因此，針對地鐵隧道開挖引起的地表變形，探究其影響機理以及加固措施非常有必要。

1 隧道施工對地層及建筑物的影響

隧道的施工開挖使得周圍的土體被擾動，原有的應力平衡狀態被打破，較大的變形會引起周圍建筑物基礎發生位移，引起建筑物的開裂和變形。其中地層的土質是影響變形的關鍵，土質的優劣能夠直接影響建筑物的支撐作用。

1.1 隧道開挖引起的地層變形

隧道施工引發的地表沉降與變形主要可以分為以下四種：（1）因施工引起的地層損失，使地層損失值過大。地層損失值是指隧道實際的開挖體積與竣工后開挖體積的差值。如果在施工的過程中隧道的初支與地層未能緊密結合，再加上未能及時注漿，土體的應力釋放就會引發塑性變形。對于富水地層，會引發掌子面漏水，滲水會帶走土體中的小土顆粒，使土體中產生較大的孔隙，而周圍的土體為了對隧道開挖引起的地層損失進行一定程度的彌補，就會朝著隧道洞室的方向移動。（2）土體的固結沉降作用。土體的擾動會引發土體中新一輪的固結沉降。（3）襯砌支護引發的變形。支護方式選擇不合理或者支護強度不足都會引發襯砌變形，同時襯砌還會對周圍土體產生反方向的作用力。（4）地層的應力改變引發的沉降變形。隧道在開挖之后出現了臨空面，能夠為地層的變形提供充足的空間，而原有的應力狀態也需要重新進行分布。

1.2 隧道開挖引起地層變形的機理

地鐵隧道的施工開挖會對地表的建筑物產生三個方面的變形與位移，分別為垂直方向、水平方向以及地表平面內剪應變。不同方向的變形對建筑物所產生的影響是不同的。其中垂直方向的變形主要分為沉降、曲率、扭曲和傾斜。沉降主要是由于地下水位的變化引起的，地下水位會使地基承載力顯著降低，嚴重影響建筑物的正常使用。傾斜對建筑物穩定性的影響較大，會使建筑物受到偏心荷載的作用，產生附加傾覆力矩。建筑物受地表傾斜影響如圖1所示。

圖1 建筑物受地表傾斜影響示意圖

地表曲率反映地表傾斜的程度，由平面變為曲面時，建筑物自重荷載以及地基反力之間原有的平衡狀態就會被破壞，地基反力也會重新分布，建筑外墻也會再次受到彎矩和剪力的作用，建筑物的極限強度一旦大于附加應力，建筑物的結構就會被破壞而產生裂縫。地表的水平變形反映在建筑物上就是拉伸的作用，對于建筑物而言，一般應重點考慮抗壓強度，而抗拉強度往往會被忽略，且抗拉強度相對也較小，因此較小的拉伸變形就會導致建筑物的開裂破壞。同時，由于建筑物的左墻與右墻所處的地表位置不在同一區域，使得其受到傾斜的程度也會有所差異，從而導致建筑物產生扭曲變形。地表水平變形破壞如圖2所示。

圖2 地表水平變形破壞示意圖

2 地鐵隧道施工中防止既有建筑物變形的加固方法

變形的控制可分為主動控制和被動控制兩種類型，其中主動控制法指的是在地鐵施工過程中及時根據監測結果對周圍的既有建筑物采取加固措施；被動控制變形則是指當地鐵施工出現了不良的后果，且建筑物產生了較大的沉降后，需要采取加固和糾偏措施將建筑物調整回規定的樁體。施工的過程中最好采用主動控制變形的方法，及時調整施工的參數，減小對建筑物的擾動，進而控制建筑物的沉降。

2.1 地表施工控制措施

盡可能使地鐵的路線遠離不良地質區域或者軟弱含水層，防止土體產生過大的沉降。施工之前需要先通過數值模擬的手段分析地鐵隧道開挖之后產生的變形等，同時在施工的過程中還要及時進行監控量測。確保地鐵隧道在開挖過程中保持平衡的手段是維持盾構機內外土體壓力穩定，而內外的壓力主要是由開挖的速率、土體排除的速度、盾構機所受的阻力等方面的因素決定的。要及時對盾尾進行支護注漿，確保支護管片能夠發揮較好的支護作用。此外，還需要減少對開挖地層的擾動，加快施工速度，盡可能讓開挖保持連續，防止因盾構機停挖而導致開挖面失穩或者出現過大的沉降。

2.2 建筑物施工控制措施

（1）主動控制措施。主動控制措施主要是根據施工過程中監測的結果來對盾構機的施工參數進行修改，主要包括施工速度以及支護的速度。其主要的施工思路為先根據土質情況、技術規范和施工經驗選取初始的施工參數，再根據相應的預測結果和開挖監測數據對施工參數進行調整，通過不斷的調整確保施工參數的合理性，進而控制因地鐵施工而對周圍既有建筑物所造成的影響。

（2）被動控制措施。僅僅通過主動控制措施并不能完全阻止變形，還需要采取被動控制措施對既有建筑物進行加固，常用的措施如下：①基礎加大截面加固法。將原有的獨立基礎改換為條形基礎，使其受力更加均勻，減小不均勻沉降。②隔斷法。通過設置斷墻減少土體變形，斷墻主要設置在隧道與盾構機之間，對于施工區域狹小、建筑物密集的區域，應用該方法效果較好。③樁基托換。樁基托換是用指定的樁來代替原來的樁用作建筑物的傳力構件，通過這種方法能夠使原有的基礎有新樁基支撐，進而不受開挖的影響，有效轉移荷載。④土體加固。土體加固主要分為兩個部分，分別為盾構機周邊土體的加固和建筑物地基的加固。一方面，通過提高隧道周邊的土體強度與剛度可減少周邊土體所發生的擾動；另一方面，可通過增加建筑物的承載力控制變形。⑤錨桿靜壓樁。將錨桿與靜壓樁兩種技術進行結合，其加固原理為在原基礎上埋設錨桿來固定樁架。⑥灌漿加固法。將漿液注入地層，讓漿液通過填充、滲透以及擠密的方式使松散的土體形成一整塊“結石體”。

3 結束語

綜上所述，地鐵隧道施工會造成地表之上的既有建筑物發生沉降、曲率、扭曲、傾斜、水平移動、拉伸、壓縮等變形，使建筑物出現開裂情況甚至倒塌。隧道開挖引起地表變形主要是因為隧道施工導致地層損失，土體發生固結沉降作用，襯砌支護發生變形。此外，文章還闡述了隧道施工過程中防止地表建筑物下沉的主動控制措施以及被動控制措施，希望能為相關人員提供參考。