隧道施工條件下臨近建筑物的保護措施研究

唐春鳳 劉炳麟

0 引言

隨著中國城市化的進一步深入，城市基礎設施建設也迎來了發展高峰期，地鐵軌道交通由于其在經濟、空間利用等方面的一系列優勢，成為各大中型城市公共交通的最佳選擇。作為城區地鐵建設最主要的施工方法，盾構隧道施工對于已有建筑物的影響不容忽視。諸如北京這樣的超大型城市的城區存在著大量的老舊建筑，有些更是歷史文物建筑，而要在這些地方進行盾構隧道開挖，必然要考慮施工給這些建筑物帶來的影響甚至是危害，這就需要對這些建筑在隧道開挖情況下的保護措施進行研究。

1 導致建筑物破損的原因

大量工程經驗表明，盾構隧道開挖會引發周圍土體的變形，從而影響臨近建筑物的地基基礎，間接導致建筑物的變形，當建筑物自身不能抵御變形帶來的影響時，建筑物就會發生破損，輕者出現裂縫，重者造成房屋嚴重傾斜甚至倒塌[3］。上海地鐵4號線的涌水流砂事故造成周邊建筑物嚴重傾斜，喪失使用功能，經濟損失重大。相關研究表明，盾構隧道開挖過程對土體的影響主要是對原狀土造成擾動，使得土體的應力分布、孔隙水壓及顆粒排布發生變化，使得土體的性狀出現很大的改變，進而導致土層發生變形[1，2］。盾構隧道開挖引起周圍土體發生變形的另一個原因是盾構掘進過程中掌子面和盾尾空隙會導致周圍土體出現地層損失。

2 保護措施

實際工程中對隧道施工周圍的建筑進行保護的措施主要包括盾構施工控制方法和地面保護兩種途徑。

2.1 盾構施工控制方法

首先選擇合理的盾構機型。目前用于在砂土和粘土中進行隧道開挖的盾構機類型主要分為土壓平衡盾構和泥水盾構。土壓平衡盾構適用于粘土地層條件，當土壓平衡盾構在粘土中掘進時，由于粘土的黏性，粘土在傳送帶傳送時連續性比較好，易于控制掌子面的穩定，而當土層中有砂土存在時，土體在傳送帶上傳送的連續性較差，掌子面的穩定不好掌握，易于造成掌子面前方土體出現較大沉降。而泥水盾構通過在刀盤前面設置密封艙并加入泥漿來平衡掌子面前方土體的壓力，由于使用泥水處理系統，能夠迅速有效的控制開挖面的支護壓力，減少地面沉降，因此其對于砂土、粘土都能很好的適應。因此需要根據地質勘察針對不同的地質條件選擇合理的盾構機型，這是保證對周圍土體較小干擾的先決條件。這里需要注意，由于添加了泥水處理系統，泥水盾構對場地面積要求比較高，相應設備的購置費用也較土壓平衡盾構高出很多。因此應在滿足土層變形要求的情況下綜合考慮各種因素進行選擇[4］。

其次是控制盾構機掘進過程中的土層變形。這類方法通過對隧道掘進過程的控制減少帶來的周圍土體的地層損失，應用比較廣泛，對于掌子面前方土體可以通過減少提供支護壓力過程所需時間即靈敏地平衡前方土體的壓力來達到減少地層損失的目的，對于盾尾空隙導致的地層損失可以通過及時施加襯砌并且嚴格注漿的方式進行控制。

經驗表明，盾構施工控制方法通常情況下效果較好，并且比較經濟，對土體擾動小。但在一些比較特殊的條件下，隧道施工控制方法有可能效果不佳或者費用高昂，這就需要考慮在地面上采取措施對結構物進行保護，可以稱這些方法為地面保護方法。

2.2 地面保護方法

這類方法按其作用機理主要分成三類:

第一類是阻斷隧道開挖對臨近建筑物的影響，主要有注漿法、冰凍帷幕法及隔斷樁法。這些方法是通過對隧道周圍土體進行注漿或者使其孔隙水凍結來加大土體的剛度以及在隧道和結構物之間設置隔斷樁來隔斷隧道開挖對結構物的影響。不過這幾種方法大都在隧道開挖前就對隧道周邊土體進行處理，其效果在掘進完成之后才能看到，既有可能低估影響而導致保護措施效果不佳，又有可能高估影響而造成較大浪費。

第二類是通過對結構物的加強來提高其抵抗地層變形的能力，主要通過加強建筑物的結構性或進行樁基托換來抵抗或消除隧道開挖引起的地表差異沉降導致的結構物不均勻沉降。這類方法的缺點和第一類比較相似，不同的是這類方法是在隧道開挖之前直接對結構物進行處理。

第三類是在隧道開挖過程中通過對結構物進行位移補償而達到消除其差異沉降并降低結構物破壞的可能性。這類措施處理及時、效果顯著，近年來受到高度關注，大致有以下兩種:

1)對結構物進行頂托補償結構物的沉降。這種方法的特點是通過在結構物下方添加支撐裝置(例如液壓千斤頂)，當地表發生不均勻沉降時，通過控制遍布結構物下方的支撐裝置來補償結構物基礎的差異沉降，比較適用于基礎外露的結構。在巴塞羅那地鐵9號線的建設過程中，盾構需要下穿位于主城區交通繁忙的Ronda Litoral高速公路，實踐中采用液壓千斤頂頂托補償橋面沉降來保障高速公路的安全[5］。橋周圍的地表沉降最大值高達40mm，而橋面最大沉降量大致在5mm左右，而差異沉降更低。可見，液壓千斤頂的頂托作用對橋面的沉降補償效果非常明顯。但這種方法主要適用于橋梁等基礎外露的結構物，使用范圍比較有限。

圖1 橋面及地面布置點沉降情況（Schwarz H等，2005[6]）

2)補償性注漿。這種方法在隧道開挖過程中觀測地層和結構物的位移變形，當變形超過限值時在隧道和結構物之間進行注漿來補償隧道開挖造成的地層損失繼而達到保護結構物的效果。這種方法需要在隧道開挖過程中密切監測地表和結構物的位移變形情況。在英國Jubilee延長線隧道掘進過程中，對隧道鄰近的歷史文物建筑(大本鐘)的保護采用補償性注漿的方法，取得了非常好的效果[6］(見圖1)。業主規定施工過程中在距地面55m高度處的傾斜量必須限制在25mm以內。當該處的傾斜量超過15mm時，則立即采用注漿措施補償不均勻沉降。從圖2可以看出采用補償性注漿傾斜量得到了很好的控制，大本鐘最后也安然無恙。

圖2 大本鐘頂端傾斜量隨時間變化曲線（Jardine，2003）

3 結語

介紹了隧道施工過程中對臨近建筑物的保護措施，在實際工程中具有一定借鑒意義。實際工程中，應根據保證滿足變形要求的前提下進行合理的選擇。首先應采取的方法是隧道施工方法，高質量的施工是最有效而且最經濟的，必要時輔助以地面保護措施，往往能夠起到很好的效果。

[1]易宏偉，孫 鈞.盾構施工對軟粘土的擾動機理分析[J］.同濟大學學報，2000，28(3):277-281.

[2]張慶賀，朱忠隆，楊俊龍，等.盾構推進引起土體擾動理論分析及試驗研究[J］.巖石力學與工程學報，1999，18(6):699-703.

[3]張 云，殷宗澤，徐永福.盾構法隧道引起的地表變形分析[J］.巖石力學與工程學報，2002，22(9):388-392.

[4]琚時軒.土壓平衡盾構和泥水平衡盾構的特點及適應性分析[J］.工程機械，2007，38(12):20-22，131-132.

[5]Mair R J.Research on tunnel ling-induced Ground movements and their Effects on Buildings-Lessons fromthe Jubilee Line Extension[C］.Response of Buildingsto Excavation-induced Ground movements，Special Publication 201，London，2003:3-26.

[6]Schwarz H，Dimariano A，Gens A，etal.Ground movement Control in the Construction of a Newmetro Line in Barcelona[C］.5th International Conference on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground，2006:389-394.