建构筑物桩基对地铁盾构隧道的影响分析

2018-06-02黄志广

价值工程 2018年15期

黄志广

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

摘要：近年来，轨道交通工程事业在全国各大城市蓬勃发展，国内二、三线城市也在陆续进行大规模的建设，但是地铁工程具有投资巨大、建设时间长以及社会协作性高等特点，稍有差错就可能劳民伤财。在地铁建设过程中，建构筑物的桩基与区间隧道之间的冲突越来越明显，甚至导致线路路由的大调整，因此本文通过分析建设建筑桩基对原状土层的影响，并根据桩基实际的施工情况提出相应的分析解决方法，最后针对盾构隧道施工提出需要注意的问题。

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.

关键词：建筑桩基；盾构隧道；地铁保护；施工措施

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

中图分类号：TU753.3；U456.3 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2018）15-0230-02

0 引言

随着经济的高速发展，交通拥挤和出行不便日益成为严重的社会问题，同时人民对于美好生活的追求不断提高，发展城市轨道交通事业成为解决城市公共交通問题最为有效的途径之一。截止17年上半年，中国大陆已有31个城市开通运营城市轨道交通，有53个城市开工建设轨道交通。近年来地铁事业在国内得到大力发展，其与建构筑物的矛盾也日益凸显，特别是采用桩基的建构筑物，例如高层建筑、大跨度厂房、高耸广告牌等等。为此本文首先对建筑桩基的类型以及建筑桩基对土层的影响分析方法作一个总结，从而对区间隧道施工过程中提出一些合理性建议。

1 建筑桩基的影响机理

天然地基极限承载力较差，一般满足不了多、高层建构筑物基础的需求，所以大部分都需要采用桩基础进行传递荷载到地基，桩基在施工过程中给周边环境带来较多的不良影响，主要表现在以下两个方面[1]：

①挤土桩基在施工过程中需要排开一定体积的土，容易对周围的土层进行扰动，改变土层原来的应力状态，会对桩身四周附近的市政道路、管线以及区间隧道造成不良影响；如果采用打桩形式进行施工，在重锤的猛烈撞击下肯定会引起桩基强烈震动，有时甚至引起周围土体随之强迫振动。至于非挤土桩基，像钻孔灌注桩，则在施工过程中会发生塌孔现象，地层的不断损失也会引起周围土体发生应力重分布现象。

②桩基施工完成后，由于结构主体不断的进行加高，主体结构增加的荷载会通过桩基础向地基传递，将会引起周围结构、管线的附加变形，同时还会影响地铁隧道的建设。另一方面，如果这些响应超过了一定范围，则会引起建筑物不均匀沉降和裂缝开展、道路破坏、管线爆裂、通讯中断以及滑坡等一系列事故。

由于施工过程时间长，规模大，对一些公共设施的影响大，因此在工程建设过程中，应重点关注其对原状土层以及周围环境的影响。在建筑桩基施工的过程中不可避免地会改变原来的土体状态，土体的应力会随着桩基的建造进行重分布，从而改变周围土体的位移状态，可能引起地铁隧道管片附加变形和附加应力，对运营地铁隧道产生不利影响。因此建立地铁保护办公室就显的十分有必要，它可以全面的监测和监督地铁邻近区域的工程施工活动，根据佛山市相关管理办法规定，在城市轨道交通沿线区域设置专门的控制保护区，保护区范围主要包括：

①距离地下车站结构、地下隧道结构外缘线五十米范围内。

②距离地面和高架车站结构、地面线路轨道结构外缘线三十米范围内。

③距离车站出入口、车辆段、风亭、变电站、线路控制中心等建（构）筑物结构外缘线十米范围内。

④地铁过江隧道结构外缘两侧一百米范围内。

⑤对于已获批的规划线路和获准的建设规划线路，其线路中心线两侧六十米范围内。

一些市政工程有时不可避免地需要在地铁保护区范围内施工，有关部门会针对不同工程提出相应的设计施工要求以降低对地铁建设的影响，为了更好地对轨道交通设施进行保护，佛山市在控制保护区范围内还增加设置了特别保护区，其范围如下：距离地铁地下工程（车站、隧道等）结构外缘线五米范围；距离高架车站及高架线路结构水平投影、地面车站及地面线路路堤外缘线以及车辆段的建（构）筑物结构外缘线三米范围内，由于距离较近，对该区域的一切施工活动严格控制，一般不允许进行施工活动。控制保护区范围内的所有新建、扩建、改建施工活动均需地保办同意后方可实施。

2 桩基础对周围土体影响的分析方法[2]

2.1 对周围土体的影响过程

挤土桩基比非挤土桩基对附近环境的影响更加不利，这是因为在挤土桩施工中，施工速度较快，周围土层近似形成了一个不排水的挤压过程，土层垂直隆起和出现水平位移。若土体为饱和状态的软弱土时，桩基入土过程中会出现较高的孔隙水压力，土体中原有的有效应力会快速降低，沉桩完成后孔隙水压力又会逐渐降低，此时土体进行再固结过程。在这个过程中，土体有效应力不断增加、强度逐渐恢复，此时地面可能会出现沉降，桩周侧的摩阻力会逐渐减少甚至出现负摩擦阻力，但桩端承受的荷载却随之增长。桩基施工过程中一般可将对土体的影响过程分为四个方面：桩基周围的土体完全重塑和改变土体内部结构；土体的位移、应力状态发生变化；土体中超孔隙水压力的出现到消散的过程以及土体强度的逐渐恢复。

2.2 考虑挤土效应的分析

在理论分析群桩挤土效应时，一般采用先对群桩进行分区，然后把每一分区的桩基看作当量单桩来分析，从小及大，由部分到整体，从单桩研究分析群桩的挤土效应。群桩挤土应力、应变及位移场的分析方法发展比较缓慢，从理论推导较难实现。在数值分析方面，一般采用有限单元法来进行计算，但由于沉桩问题在实际中比较复杂，因此用一个圆孔扩张理论难以对实际情况作出比较全面的解析。由于有限单元法中桩与土之间贯入了较大的相互作用力，会引起桩土间出现相对滑动，有限单元法只有在桩土接触面上出现拉应力才容许桩土间分离，该方法在分析中虽然可以考虑桩土接触面的相互作用，但计算耗时较长，而且沉桩过程目前难以进行模拟。目前，考虑桩与土的相互作用以及加入位移贯入的有限单元法，是适用范围最广的方法，位移贯入法与力贯入法是一一对应的，在研究中，通过在桩顶施加位移来模拟力的作用实现压桩过程，符合实际施工过程中压桩的情况，而且计算所需时间比较短。

2.3 桩基沉降计算

长期以来，桩基础的设计关键主要聚集在其极限承载力上，而研究其位移沉降问题相对比较缺乏，这是因为桩基基础承载的建筑物沉降较小，一般可满足此要求，近年来研究人员提出了沉降控制理论，这推动了桩基沉降计算理论的发展。

3 盾构隧道施工中需要注意的问题

本文针对佛山市轨道交通三号线工程桂丹路站～佛山机场站盾构区间提出一些施工建议，该区间采用外径为6m的盾构管片，右线长1732.481m；左线长1716.502m，区间需下穿星拓精机公司厂房、超发制衣厂厂房、西诺德厂房、联合社区释石村工业园区宿舍楼、罗村丰岗公涌、联兴得利装饰材料有限公司厂房、石碣朗村桥涵以及罗村沙坑沙基头电排站工程等等。由于区间沿线下穿较多建构筑物，施工中需特别引起重视，个别桩基距离区间隧道顶竖向净距仅2.2m，应从以下几个方面严格控制施工过程：

①确保地面隆起和沉降控制在设计的允许范围内，关键是需要稳定盾构開挖面以及及时用水泥浆液填充管片与地层间的空隙。

②保持盾构开挖面稳定主要通过优化盾构掘进参数来控制。盾构掘进参数主要包括：刀盘和土仓压力、螺旋机转速、排土量和推进速度、千斤顶总推力、注浆量方式、浆体性能、盾构姿态、盾构坡度以及管片拼装偏差值控制等等。

③同步注浆与二次注浆。

为了控制地面沉降，在盾构机掘进过程中，需要及时在衬砌背面环形建筑空隙中填充足量的水泥浆液，浆液配合比、压力、注浆量应根据所处地质条件来确定，同步注浆能否达到预期效果取决于注浆起讫时间。二次（或多次）压浆可使盾构在穿越重要建筑物和管线时，地面沉降将大大减小，确保建筑物和管线的正常使用安全。

④注意盾构在线路曲线上推进及纠偏。

当盾构机在曲线推进时，土体的束缚力变差，盾构轴线将会变的难控制，此时推进速度需要放缓，纠偏幅度也不宜过大，应加大注浆量以及纠偏测量工作，以减小地层损失，把地面沉降量控制在一定范围。

⑤应对区间沿线地面和周围建构筑物进行及时有效的监测。

应根据建筑物的基础类型、对沉降的敏感性及允许值，制定每个建筑物的变形警戒值。建立完善的监测网，及时采取有效的预防措施应对紧急情况。

⑥在建筑物周围附近设置系统的准确的观测网，进行及时的位移、裂缝监测并及时向建设各方反馈监测信息，做到信息化施工。

⑦风险工程预防措施。

1）对盾构施工参数需严格控制，以此避免对原状地层的过大扰动；

2）选用合适合理的地层改良措施，通过改善土的流塑性来保持进出土的顺畅性，可有效控制盾构机出土量；