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(shè)集團(tuán)股份有限公司，廣東 廣州 510308

城市化帶動(dòng)了各個(gè)行業(yè)的發(fā)展，也給地面交通帶來了顯著的壓力。隨著城市的發(fā)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(huì)出現(xiàn)一系列的問題，其中較為嚴(yán)重的就是對周圍的既有建筑物產(chǎn)生了較嚴(yán)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(biāo)性建筑物附近，地面的建筑物較為密集，管線相對也更為復(fù)雜，因而地鐵的施工勢必會(huì)對周圍的土體產(chǎn)生擾動(dòng)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(xiàn)裂縫，重則發(fā)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(jī)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(dòng)，原有的應(yīng)力平衡狀態(tài)被打破，較大的變形會(huì)引起周圍建筑物基礎(chǔ)發(fā)生位移，引起建筑物的開裂和變形。其中地層的土質(zhì)是影響變形的關(guān)鍵，土質(zhì)的優(yōu)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(fā)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(shí)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(jié)合，再加上未能及時(shí)注漿，土體的應(yīng)力釋放就會(huì)引發(fā)塑性變形。對于富水地層，會(huì)引發(fā)掌子面漏水，滲水會(huì)帶走土體中的小土顆粒，使土體中產(chǎn)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(jìn)行一定程度的彌補(bǔ)，就會(huì)朝著隧道洞室的方向移動(dòng)。（2）土體的固結(jié)沉降作用。土體的擾動(dòng)會(huì)引發(fā)土體中新一輪的固結(jié)沉降。（3）襯砌支護(hù)引發(fā)的變形。支護(hù)方式選擇不合理或者支護(hù)強(qiáng)度不足都會(huì)引發(fā)襯砌變形，同時(shí)襯砌還會(huì)對周圍土體產(chǎn)生反方向的作用力。（4）地層的應(yīng)力改變引發(fā)的沉降變形。隧道在開挖之后出現(xiàn)了臨空面，能夠?yàn)榈貙拥淖冃翁峁┏渥愕目臻g，而原有的應(yīng)力狀態(tài)也需要重新進(jìn)行分布。

1.2 隧道開挖引起地層變形的機(jī)理

地鐵隧道的施工開挖會(huì)對地表的建筑物產(chǎn)生三個(gè)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(nèi)剪應(yīng)變。不同方向的變形對建筑物所產(chǎn)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(huì)使地基承載力顯著降低，嚴(yán)重影響建筑物的正常使用。傾斜對建筑物穩(wěn)定性的影響較大，會(huì)使建筑物受到偏心荷載的作用，產(chǎn)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?yōu)榍鏁r(shí)，建筑物自重荷載以及地基反力之間原有的平衡狀態(tài)就會(huì)被破壞，地基反力也會(huì)重新分布，建筑外墻也會(huì)再次受到彎矩和剪力的作用，建筑物的極限強(qiáng)度一旦大于附加應(yīng)力，建筑物的結(jié)構(gòu)就會(huì)被破壞而產(chǎn)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(yīng)重點(diǎn)考慮抗壓強(qiáng)度，而抗拉強(qiáng)度往往會(huì)被忽略，且抗拉強(qiáng)度相對也較小，因此較小的拉伸變形就會(huì)導(dǎo)致建筑物的開裂破壞。同時(shí)，由于建筑物的左墻與右墻所處的地表位置不在同一區(qū)域，使得其受到傾斜的程度也會(huì)有所差異，從而導(dǎo)致建筑物產(chǎn)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(dòng)控制和被動(dòng)控制兩種類型，其中主動(dòng)控制法指的是在地鐵施工過程中及時(shí)根據(jù)監(jiān)測結(jié)果對周圍的既有建筑物采取加固措施；被動(dòng)控制變形則是指當(dāng)?shù)罔F施工出現(xiàn)了不良的后果，且建筑物產(chǎn)生了較大的沉降后，需要采取加固和糾偏措施將建筑物調(diào)整回規(guī)定的樁體。施工的過程中最好采用主動(dòng)控制變形的方法，及時(shí)調(diào)整施工的參數(shù)，減小對建筑物的擾動(dòng)，進(jìn)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(yuǎn)離不良地質(zhì)區(qū)域或者軟弱含水層，防止土體產(chǎn)生過大的沉降。施工之前需要先通過數(shù)值模擬的手段分析地鐵隧道開挖之后產(chǎn)生的變形等，同時(shí)在施工的過程中還要及時(shí)進(jìn)行監(jiān)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(gòu)機(jī)內(nèi)外土體壓力穩(wěn)定，而內(nèi)外的壓力主要是由開挖的速率、土體排除的速度、盾構(gòu)機(jī)所受的阻力等方面的因素決定的。要及時(shí)對盾尾進(jìn)行支護(hù)注漿，確保支護(hù)管片能夠發(fā)揮較好的支護(hù)作用。此外，還需要減少對開挖地層的擾動(dòng)，加快施工速度，盡可能讓開挖保持連續(xù)，防止因盾構(gòu)機(jī)停挖而導(dǎo)致開挖面失穩(wěn)或者出現(xiàn)過大的沉降。

2.2 建筑物施工控制措施

（1）主動(dòng)控制措施。主動(dòng)控制措施主要是根據(jù)施工過程中監(jiān)測的結(jié)果來對盾構(gòu)機(jī)的施工參數(shù)進(jìn)行修改，主要包括施工速度以及支護(hù)的速度。其主要的施工思路為先根據(jù)土質(zhì)情況、技術(shù)規(guī)范和施工經(jīng)驗(yàn)選取初始的施工參數(shù)，再根據(jù)相應(yīng)的預(yù)測結(jié)果和開挖監(jiān)測數(shù)據(jù)對施工參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，通過不斷的調(diào)整確保施工參數(shù)的合理性，進(jìn)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(dòng)控制措施。僅僅通過主動(dòng)控制措施并不能完全阻止變形，還需要采取被動(dòng)控制措施對既有建筑物進(jìn)行加固，常用的措施如下：①基礎(chǔ)加大截面加固法。將原有的獨(dú)立基礎(chǔ)改換為條形基礎(chǔ)，使其受力更加均勻，減小不均勻沉降。②隔斷法。通過設(shè)置斷墻減少土體變形，斷墻主要設(shè)置在隧道與盾構(gòu)機(jī)之間，對于施工區(qū)域狹小、建筑物密集的區(qū)域，應(yīng)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(gòu)件，通過這種方法能夠使原有的基礎(chǔ)有新樁基支撐，進(jìn)而不受開挖的影響，有效轉(zhuǎn)移荷載。④土體加固。土體加固主要分為兩個(gè)部分，分別為盾構(gòu)機(jī)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(qiáng)度與剛度可減少周邊土體所發(fā)生的擾動(dòng)；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(shù)進(jìn)行結(jié)合，其加固原理為在原基礎(chǔ)上埋設(shè)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(jié)石體”。

3 結(jié)束語

綜上所述，地鐵隧道施工會(huì)造成地表之上的既有建筑物發(fā)生沉降、曲率、扭曲、傾斜、水平移動(dòng)、拉伸、壓縮等變形，使建筑物出現(xiàn)開裂情況甚至倒塌。隧道開挖引起地表變形主要是因?yàn)樗淼朗┕?dǎo)致地層損失，土體發(fā)生固結(jié)沉降作用，襯砌支護(hù)發(fā)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(dòng)控制措施以及被動(dòng)控制措施，希望能為相關(guān)人員提供參考。