地鐵盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物的影響研究★

甄精蓮 賈瑞晨

(湖南高速鐵路職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 衡陽 421001)

1 盾構(gòu)施工簡(jiǎn)介

在對(duì)盾構(gòu)施工進(jìn)行研究之前，必須先說明盾構(gòu)機(jī)的定義。其是一種在軟土地區(qū)用于隧道挖掘的重要的施工器械設(shè)備。其外表被金屬外殼包裹，在設(shè)備的內(nèi)部有管片拼接和相關(guān)的輔助設(shè)備。在盾構(gòu)機(jī)工作的過程中，其利用外殼對(duì)內(nèi)部機(jī)械進(jìn)行保護(hù)，進(jìn)而從事挖掘工作，最終可以達(dá)到隧道一次施工成型的效果。該種設(shè)備目前被廣泛運(yùn)用在地鐵工程的建設(shè)活動(dòng)中。

利用盾構(gòu)法進(jìn)行施工即利用前文提到的盾構(gòu)機(jī)在地面層以下進(jìn)行隧道暗挖的一種施工方式和手段。盾構(gòu)法施工的工作原理就是在盾殼前面安裝相關(guān)支撐設(shè)備和相關(guān)掘進(jìn)設(shè)備。通常情況下，都會(huì)在掘進(jìn)設(shè)備的中部位置安裝千斤頂設(shè)備，在整個(gè)工作設(shè)備內(nèi)部一般會(huì)將一至二環(huán)預(yù)制的隧道襯砌環(huán)進(jìn)行拼裝。盾構(gòu)施工設(shè)備在建設(shè)的過程中每前進(jìn)一段距離，盾構(gòu)施工設(shè)備都會(huì)在挖掘路徑中安裝一段襯砌環(huán)，同時(shí)及時(shí)將施工過程中產(chǎn)生的空隙進(jìn)行壓緊，通過這種施工方式可以防止隧道下沉或者對(duì)周邊的建筑物造成影響。

2 地鐵盾構(gòu)施工對(duì)鄰近建筑物產(chǎn)生影響的原因

在影響原因方面，國內(nèi)外學(xué)者都進(jìn)行了充分研究。其主要原因是地鐵隧道挖掘工作會(huì)造成地層產(chǎn)生損失，地面原有的平衡結(jié)構(gòu)遭到了破壞。具體而言，有以下五點(diǎn)原因：

1)在盾構(gòu)施工開展的前期階段，需要對(duì)地面內(nèi)部的地下水進(jìn)行抽取，在進(jìn)行地下水抽取的過程中可能會(huì)對(duì)土壤結(jié)構(gòu)的支撐力有所破壞，造成地面沉降，破壞周邊的建筑物。

2)掌子面水平變化。在地鐵隧道挖掘的過程中，會(huì)用相關(guān)的支撐設(shè)備對(duì)支護(hù)面產(chǎn)生支撐力，當(dāng)這種支撐力和原始土壤結(jié)構(gòu)的側(cè)向應(yīng)力互相平衡時(shí)，在開挖面的土體結(jié)構(gòu)會(huì)和盾構(gòu)方向保持同向移動(dòng)，此種同向移動(dòng)將會(huì)引發(fā)地面沉降，最終導(dǎo)致對(duì)周邊的建筑物穩(wěn)定性產(chǎn)生相應(yīng)影響。

3)在利用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道施工的過程中，可能會(huì)由于人工操作誤差、機(jī)器設(shè)備工作誤差導(dǎo)致掌子面土壤層塌落對(duì)地面穩(wěn)定程度造成影響，進(jìn)而影響周邊建筑物的穩(wěn)定性程度。

4)在地鐵施工的過程中會(huì)造成土體擠入盾尾形成相應(yīng)的空隙。在盾構(gòu)施工機(jī)械中一般刀盤的直徑都要大于盾體的直徑，這種設(shè)備構(gòu)造會(huì)導(dǎo)致盾體的周圍與周邊土體之間形成一個(gè)圓環(huán)狀的縫隙。這種縫隙在施工到一定程度以后需要填注材料進(jìn)行壓實(shí)。如果不能夠及時(shí)的將縫隙進(jìn)行填充，可能會(huì)導(dǎo)致地表形變較為嚴(yán)重，進(jìn)而對(duì)周邊建筑物產(chǎn)生影響。

5)在地鐵隧道施工的過程中，相關(guān)管道會(huì)由于土壤壓力和水分壓力產(chǎn)生一定程度的形變，這種形變將會(huì)導(dǎo)致少量的地層損失。

3 盾構(gòu)施工對(duì)臨近建筑物的影響

在城市地鐵隧道挖掘的過程中，由于該項(xiàng)工作需要對(duì)原始的地層進(jìn)行破壞和改造，因此無論采用哪種施工方法都會(huì)對(duì)周邊的線路管道、建筑物、公共道路產(chǎn)生一定的危害和不利影響。一般而言，地鐵設(shè)施都修建在人流量密集、建筑物密集的區(qū)域，只有這樣才能夠充分利用地鐵設(shè)施運(yùn)力大、運(yùn)輸效率高的特點(diǎn)。但是在城市密集區(qū)進(jìn)行施工，在避免對(duì)周圍設(shè)施產(chǎn)生影響方面又會(huì)有較大的難度。

3.1 影響范圍

雖然盾構(gòu)施工會(huì)減少對(duì)周圍建筑物的影響，但是仍然會(huì)根據(jù)影響程度的大小，將影響區(qū)劃分為以下三類：需要采取相應(yīng)措施的地區(qū)，需要注意的地區(qū)和無影響區(qū)域。對(duì)于無影響區(qū)域而言，由于這部分地區(qū)往往距離隧道施工場(chǎng)所較遠(yuǎn)，一般情況下施工不會(huì)對(duì)該類區(qū)域產(chǎn)生影響，因此將其劃分為無影響區(qū)域。需要注意的區(qū)域和需要采取相應(yīng)措施的區(qū)域，則需要根據(jù)受施工影響程度的大小，進(jìn)行定性分析和定量分析。如果已經(jīng)達(dá)到了一定的影響標(biāo)準(zhǔn)則需要采取相應(yīng)的方式進(jìn)行處理。但是對(duì)于影響范圍的劃分，在業(yè)界目前都沒有統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)。一般而言，建筑基礎(chǔ)底部向下臥層地基土擴(kuò)散附加應(yīng)力的有效范圍，應(yīng)當(dāng)與隧道施工地點(diǎn)與隧道上方土地受到破壞的區(qū)域保持一定的距離，防止后期因?yàn)榭陀^條件變化產(chǎn)生的地面沉降，從而產(chǎn)生對(duì)建筑物和相應(yīng)設(shè)施的影響。

3.2 影響形式

在進(jìn)行地鐵隧道施工的過程中，由于施工過程會(huì)導(dǎo)致地面狀態(tài)發(fā)生變化，從而產(chǎn)生地面水平位置的沉降和相應(yīng)的變形，這種變形和沉降有其自身的規(guī)律和特點(diǎn)，一般而言在隧道施工時(shí)，可以在短時(shí)間內(nèi)引起程度較大的位移。對(duì)于周圍建筑物和相關(guān)設(shè)備而言，在短時(shí)間內(nèi)進(jìn)行快速的位移產(chǎn)生的不利影響將更大。對(duì)周圍建筑物和相關(guān)設(shè)施的影響程度的大小，不僅僅和形變的大小有關(guān)，還和受影響的建筑物的結(jié)構(gòu)和基礎(chǔ)形式，以及建筑物所處的位置和建筑物、周圍土地結(jié)構(gòu)和性質(zhì)有直接的關(guān)系，通常而言，地鐵設(shè)備施工對(duì)鄰近建筑物的損害可以分為直接損害和間接損害兩種?；谏衔闹袑?duì)影響區(qū)域的分類，在需要采取措施的地區(qū)分布的建筑物和相應(yīng)設(shè)施，一般受到的損害都為直接損害，在需要注意的區(qū)域內(nèi)產(chǎn)生的損害，一般為間接損害，例如因?yàn)榈罔F施工產(chǎn)生的地下水水位變化產(chǎn)生的對(duì)環(huán)境的影響，從而對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生的相應(yīng)影響是典型的間接損害。表現(xiàn)如下：

1)地面沉降。

在地鐵隧道挖掘的過程中，會(huì)引起周圍地表和周圍建筑物相關(guān)設(shè)施的整體下沉。這種整體下沉一般而言都是較為均勻的，較為均勻的整體下沉通常情況下不會(huì)對(duì)建筑物的安全性和穩(wěn)定問題形成太大的影響，但是如果這種均勻的整體下沉的幅度過大，即便是均勻沉降也有可能對(duì)周圍建筑物產(chǎn)生較大的損害，因此在施工的過程中要防止沉降量過大，將地表沉降量控制在合理范圍內(nèi)。

2)地表傾斜。

相較于地面的整體沉降而言，地表傾斜對(duì)于周圍建筑物和相關(guān)設(shè)施的影響和危害更大。地表傾斜會(huì)引起周圍建筑物與地表建筑物同時(shí)發(fā)生傾斜，建筑發(fā)生傾斜會(huì)引起建筑物內(nèi)部重心發(fā)生變化，從而導(dǎo)致建筑內(nèi)部應(yīng)力結(jié)構(gòu)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，對(duì)建筑物或其他設(shè)施產(chǎn)生較嚴(yán)重的損害。

3)地表曲率發(fā)生變化。

地表曲率發(fā)生變化會(huì)導(dǎo)致地表傾斜程度發(fā)生改變，建筑物修建之時(shí)所依托的地面的原始坡度隨時(shí)發(fā)生改變，可能會(huì)對(duì)建筑產(chǎn)生相應(yīng)的損害。這種損害對(duì)于高層建筑物的影響更為明顯，與地表傾斜造成的損害機(jī)理相同，地表曲率產(chǎn)生變化會(huì)導(dǎo)致建筑和其他相關(guān)設(shè)施的內(nèi)部結(jié)構(gòu)應(yīng)力發(fā)生變化，從而造成相應(yīng)的損害。

4)地表水平變形。

在地鐵施工的過程中，可能造成地表水平發(fā)生變形，這種變形主要有拉伸和壓縮兩種，這種變化對(duì)于建筑物和其他相應(yīng)設(shè)施的破壞作用非常大，由于建筑物的抵抗拉伸變形的能力相較于抵抗壓縮變形的能力較小，因此在遭遇到地表水平發(fā)生拉伸變形時(shí)，地表上附著的建筑物設(shè)施的安全性將在很大程度上受到影響。在現(xiàn)在的建筑物設(shè)計(jì)方式中，對(duì)地表拉伸變形的抵抗程度較弱，在受到地表拉伸的建筑物上，建筑物的基礎(chǔ)側(cè)面受到了向外水平力的作用。這種向外的水平推力會(huì)導(dǎo)致建筑物開裂。這種開裂往往發(fā)生在建筑物的結(jié)構(gòu)相對(duì)薄弱處，對(duì)建筑物產(chǎn)生的不利影響較為明顯。