地铁盾构开挖对临近建筑物桩基影响度分析

冯景伟

摘要：随着社会经济的快速发展，城市交通发展的脚步也是愈来愈快，为了解决交通拥堵的问题，发达城市开始建立起地下铁路交通。因为地下铁路主要建立在城市繁华的中心地区，而且绝大部分建筑物是以桩为基础建造的，这便会遇到隧道经过建筑物桩基的现象，当列车经过时就会对附近桩基造成一定影响，对上面的建筑物也就造成了一定的威胁，而这对建筑结构的稳定性将带来一定影响。所以，通过探索盾构施工和邻近桩基础之间的关系，可以对桩基础上面的建筑进行保护，保证铁隧道顺利施工而又不对附近建筑物造成影响。

关键字：地铁 盾构 桩基 影响

1、盾构法的起源及发展

盾构法最早是欧洲人在上世纪创立的，灵感来自于蛀虫挖洞，英国想要在伦敦地下修运河隧道的想法提出之后，又对具体挖掘方案和工具等问题展开辩论，从那时候开始对盾构施工技术开始了深入研究。之后盾构技术机缘巧合被引入欧美，苏联等很多发达国家，虽然都在一定程度得到了发展，但是不同国家发展情况也是不一样的。20世纪中后期盾构技术传到了我国。随着盾构机制造业的发展，盾构施工工法和设备也处于世界前列。

很早以前的盾构，由于比较脆弱只是将盾壳作为支护，主要工作还是需要人去完成。随着科技的逐渐发展，盾构技术也进步了不少，通过对传统的盾构进行改进，软土隧道盾构机逐渐浮现在大家眼前，之后又研究出了岩石隧道盾构机和其它相应的技术，正是这个技术让盾构在岩石上进行作业成为了可能。

2、盾构法施工的特点

盾构机不仅可以支持地层压力还可以地层中进行相应的作业，这种设备形状各种各样，圓形、三角形等许多形状都有。为了安装衬砌能顺利点，在设计盾构机的时候，一般它的口径要比隧道衬砌的直径稍大一些，支持盾构的还有开挖土体装置，一般在前面，二钢筒就放在了后面，盾构进行挖掘需要动力，而提供动力的就是由钢筒附近的千斤顶，盾构机尾部是一个壳体结构，中间是空的，然而隧道衬砌环的安装就是在这里进行的。伴随盾构逐渐推进，衬砌也开始安装，但是为避免土体开挖导致地面下沉，所以要求安装衬砌的时候通过在土体里注浆管致使土体稳定。

图一：盾构法施工示意图

3、桩基础理论

桩基础能够把上面部门的荷载传到里面强度更高的土里面，这是建筑物的基本要求。由于桩基础抗压性强、不易变形、对各种不利的环境都有较强的适应能力，这就让它成为最基本、最广泛的形式，也被经常用在高层房屋建设、抗震建筑物等建设这些地方。

从桩基受力状况角度来分析，桩基受的力有竖向荷载和横向荷载，桩在遭受作用力时会产生竖向承载力，这时的竖向承载力有摩擦力和端承力。故桩基有竖向受荷桩、横向受荷桩及抗拔桩之分。依据桩的受力的特征，将桩基础分为4类：

（1）摩擦桩：当竖向荷载作用时，桩侧阻力起到很关键的作用，桩端承担的荷载很小几乎为零。桩端没有持力层同时不扩底这就会产生摩擦桩，如果桩端位于持力层而桩径很大也会产生摩擦桩。

（2）端承桩：在竖向作用力影响下，桩基基本靠桩端顶部来承担各种负载，而桩侧几乎不起作用。桩基遭受到压力之后就会产生竖向位移，也就出现了桩侧与桩端的阻力。要是桩底没有深入地下而停留在较浅的土层中，同时土层质地又不是很坚硬，这时桩端竖向荷载就会传到桩端持力层上。

（3）端承摩擦桩：竖向荷载影响后，桩体就会发生竖向位移，桩侧摩擦阻力和桩端阻力就会同时产生效果，这时的桩顶荷载大部分是靠桩侧阻力。如果土质比较疏松，那么嵌入其中的桩就属于端承摩擦桩。

（4）摩擦端承桩：桩顶荷载靠的是桩端阻力，桩侧阻力也有一定的作用，但是相比桩端阻力而言就显得比较少了。

4、盾构动态施工对邻近桩基的影响分析

（1）桩体轴力的响应规律

隧道开挖以后，桩体会产生一定的附加轴力，其总轴力也随之变大。当桩顶荷载固定时，桩洞距越大轴力越小，桩长越长轴力越大，桩径越大轴力越大。桩身轴力的最大值在隧道水平轴线的地方。这种轴力的变化是因为桩和土层相对位移的变化导致的，也就是附加轴力形成的原因，附加轴力增大不是没有限制的，当达到一定范围就会出现桩身最大轴力值比桩体上部荷载大，此刻就要对桩体进行验证。

（2）桩体竖向位移响应规律

桩体埋深方向，桩顶沉降比桩端沉降相对较高。在桩体参数变化之后，桩体竖向位移也有变化：

荷载不同：桩顶荷载越大，桩体竖向沉降也会相应变大。

桩长不同：因为桩体承载机理桩的长度与桩体的竖向沉降成反比，短桩的侧摩阻力发挥更加充分，桩和土之间位置前后相差较大，所以桩体的竖向沉降也就随之而变大。

桩洞距不同：桩底和隧道水平轴线对齐的情况，桩洞距变大桩体的竖向位移就越小。这是由于工程施工导致土体比较疏松，桩体也就会产生相应的变化，而这时桩身竖向变形小于轴线以上的竖向变形。桩洞距越大，土体损失对桩体的影响就小，桩身竖向变形在埋深方向上基本不变。

桩径不同：桩径越大，桩体刚度就越高，沉降就越小。

5、施工建议

虽然我国建筑行业经过多年经验的积累有能力建造出结构稳定、安全系数高建筑物，但地铁隧道真正开始施工的时候，对周边建筑物的保护还是有必要的，针对盾构施工的特点，提出几条建议：

（1）由于以往住宅楼的勘察资料不全面，仅仅根据桩基施工记录与地铁隧道邻近区域的勘察资料分析，土层差别较大，强风化岩与中风化岩交替变化，所以盾构施工过程要注意岩性变化对盾构掘进的影响。

（2）隧道穿越住宅楼时直接受影响的桩体尽可能的多一些，间接受影响的同时要均匀分布在这隧道的范围内，最好集中在隧道的中上部和侧边，也就等于在掘进中遇到较多的孤石，所以要求隧道盾构施工过程中，注意盾构姿态控制，避免发生线路偏移，一旦出现差错很难纠正，进而对桩体的安全性构成威胁。

（3）盾构机在穿越施工时要缓慢进行，要根据土层的变化与桩体分布进行，建议采用相对较快的推进速度施工并采用盾尾同步注浆，注浆的过程需要注意用量和注浆速度，也要留意盾尾注浆的浆体中加入少许速凝剂等加速凝固的材料，使浆液在短时间内凝固，来避免地面沉降。

（4）要注意防止管片环变形量过大对上部岩土体和建筑结构的不利影响，必须确保管片组装精度，同时充分紧固接头螺栓，必要时要作二次注浆。

（5）在盾构穿越施工过程中，加强对附近建筑物和周围环境进行监测（包括噪音污染等），及时反馈监测信息并指导盾构穿越施工。

总结：隧道盾构法进行作业对附近造成影响是必定的，这种施工导致原有的土地结构被破坏，在实际施工的时候，隧道的掘进势必会对建筑物桩基有一定影响，进而对地面建筑物造成不同程度的影响，严重的甚至对建筑物的稳定性非常不利，最终对人们的人身安全构成较严重威胁，所以希望上述的意见会对之后的工程有一定的帮助。

参考文献：

[1] 白杉，周洁.我国隧道盾构掘进机的发展与和应用[J].工程机械，，2012

[2] 姚爱军，向瑞德，衡朝阳.地铁开挖过程与邻近建筑地基变形的动态响应[J].地下空间与工程学报，2010