地铁隧道施工对邻近建筑结构的影响研究简介
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摘要：随着城市经济的快速发展，城市居住环境的拥挤和城市交通拥堵已成为一个非常棘手的问题,发展城市轨道交通刻不容缓。由于城市高楼林立,桩基础遍布,隧道施工不可避免地会引起地基的附加变形,相应地引起相邻桩基础的附加内力及附加变形,从而引起建筑物沉陷、倾覆甚至破坏,对建筑环境造成严重的影响,带来不可估量的生命和财产损失。因此，城市隧道施工对相邻建筑物结构研究就成为城市隧道建设必须解决的重要课题。
中图分类号：U45文献标识码： A
一、前言
城市地铁因为其方便快捷，对城市环境影响小，不占用地面空间等优点，这些年逐渐成为各大城市交通发展规划的重点。然而随着世界人口急剧增加，人口密度不断增大，交通堵塞情况时常发生。因此，理性适度的开发地下空间，是缓解当前交通拥挤、人口压力等世界性难题的关键所在，同时开发地下空间又能改善人类的居住环境，造福人类。很多情况下地下空间的开发必须临近即有建筑物，这就给地下工程带来巨大挑战。本文笔者就盾构隧道施工技术对邻近建筑结构的影响进行简要的分析。
二、盾构隧道施工对邻近建筑物影响的研究方法
盾构隧道开挖对建筑物的影响研究中以数值模拟方法居多，目前通行的数值模拟的方法有两种。第一种是整体考虑的形式，即将建筑物和盾构隧道开挖过程在一个模型中通盘考虑，这也是伴随着岩土领域数值分析软件不断成熟而发展起来的方法。在建模过程可以考虑建筑物不同刚度以及基础形式，还可以在模拟中对盾构施工参数以及地层参数进行调节。由于这种方法能够反映盾构施工对建筑物的影响这一动态的过程，所以在近来越来越受到国内外许多学者的关注。
另一种方法是将建筑物与下面的土体分开考虑。先将建筑物转化为荷载形式加到土体模型中基础所在的位置上，然后对盾构开挖的过程进行模拟，最后将模拟得到的基础位置的位移施加到建筑物上，然后再对建筑物分析研究。目前，国内外学者在盾构隧道施工对地表影响的研究方面取得了较多的研究成果，而在盾构施工对建筑物的影响方面则研究比较少，现有的研究也大多侧重于对建筑物基础影响的研究。本文在总结前人经验的基础上，以某地铁为背景，重点做了盾构施工对建筑物影响方面的研究。并分析了盾构施工中对地表以及建筑物的影响因素，并就主要因素从理论公式方面加以说明；介绍了有限元的一些基本理论以及隧道开挖理论，并就如何在数值模拟中实现这一研究过程做了详尽的介绍。
三、盾构法简介
1、盾构法隧道的工作原理
盾构法隧道的工作原理是用一根有形的钢制组件沿隧道设计轴线开挖土体而向前推进。这个钢制的组件称之为盾构。它主要由两个作用，一是为施工人员提供一个安全的作业空间，以及为设备提供一个存放空间；二是承受周围的地层荷载、防水以及防流沙等。
2、盾构的基本构造
盾构机的种类繁多，但就在施工中的功能而言，其主体结构由壳体、推进系统、管片拼装机构以及真圆保持器等组成，如图1~2。
图1 盾构基本构造（土压平衡式）
图2 盾构机基本构件
（1）盾构壳体
盾构壳体包括切口环、支撑环和盾尾三部分，如图3。
图3盾构掘进机构图
1）切口环
切口环处于盾构的首部位置，具有开挖和挡土作用。施工时，刀口环一边支挡前方及周围土体，一边进行开挖作业。通常切口环的形状有阶梯型、斜承形和垂直形。
2）支承环
支承环处于盾构的中部位置，主要用于承受盾构开挖时周围土体的荷载，因此支承环应该具备相应的刚度和强度条件，另外在盾构掘进时，它还承受来自千斤顶的推力、刀口切入掌子面阻力以及管片拼装中的作用力。如果在施工中用梁柱进行加固，支承环厚度可以适当减小。
3）盾尾
盾尾即盾构后部结构，管片的拼装工作是在盾尾完成的，盾尾末端一般设有盾尾密封装置，它是用来防止水、土体以及注浆材料从盾尾空隙中进入到盾构内。盾尾密封对材料具有很高的要求，一般应具有耐磨、耐压、易更换等条件。为减少压浆工作量以及土体扰动，可以将盾尾厚度设置的尽量薄一点。
（2）推进机构
盾构的前进主要依靠推进机构来完成的，推进机构主要是指布置于盾构内周的千斤顶群，盾构前进中的主要推力就是由它来提供的，所以千斤顶在设计必须注意其本身的强度是否足够。在千斤顶设计中，切削刀盘的总扭矩和推进机构的总推力是其基本依据。
（3）管片拼装装置
管片拼装装置又称为举重臂，它的作用是将管片安装至设计位置。在管片拼装中，必须做到迅速、准确和安全。管片拼装机由管片夹持结构、旋转装置、伸缩装置以及滑动装置等组成，具备径向、前后自由移动以及360o旋转的功能。通常管片拼装装置可分为环式、空心轴式和齿条齿轮式三种。
（4）真圆保持器
当盾构前进时，管片就从盾尾脱出，由于管片空隙、周围土压力、管片自重等原因，管片会由原来的圆形变成椭圆形状，这给管片的连接带来了困难，管片的变形使得连接处高低不平，这就需要真圆保持器随时来调整管片变形。真圆保持器用于保证管片拼装质量，对管片起矫正和限制作用。
四、盾构施工对地层变形的影响
尽管盾构施工具有很多优点，但是盾构法施工中不可避免的会造成对地层的扰动。地表的沉降值是否在合理的范围内成为城市地铁施工中人们关注的重点，因为城市中各种建筑物（构筑物）密集，地下管网交织在一起，分布复杂，盾构近接掘进过程中，地表的沉降可能会导致邻近建筑物（构筑物）产生变形、沉降或变位。当这种地层变形超过限度时，有可能会危及到邻近建筑物及管线等安全。所以只有研究盾构施工对地层扰动的原因，才能在理论分析中准确的把握这些因素，以得出符合实际情况的结果，然后可以将理论分析成果更好地应用于实践中。
1、土体变形的原因
盾构施工引起土体变形的主要原因有：
（1）正面附加推力。在盾构掘进过程中，盾构必须有足够的推力以保持开挖面的而稳定。所谓的“正面附加推力”通常维持在+20kpa～-20kpa。但是当遇到开挖面前有不明障碍物时、机头穿越不同土层交界面以及盾构在停止后又推进时等特殊情况时，就会造成开挖面前方隆起，正上方保持不变，而开挖面后方的土体下沉。
（2）盾壳与周围土体间的摩擦作用。盾构掘进时，由于壳壁与四周土体之间的摩擦力作用带动周围土体的向前移动，如果摩擦力较大时，会引起开挖面前方土体的隆起，后方土体的沉降。
（3）土体损失。从 Peck 公式以及其它一些理论公式中可以看到，土体损失对于地表沉降量影响较大。土体损失由以下因素引起：1）开挖面处的超挖和欠挖 ；2）切口边缘后地层损失；3）沿着盾尾地层损失；4）盾尾空隙地层损失；5）盾构姿态调整造成的地层损失；6）正面障碍物造成的地层损失。
2、导致地表变形的因素
施工期间的操作不当是引起地表隆沉的最主要的因素，在盾构施工期间也可以完全避免。这些因素是：
（1）盾构在掘进过程中的超挖(欠挖）引起的地表沉降（隆起）；
（2）由于盾构掘进过程中的参数设置不合适，如推进速度，正面土压力等；
（3）注浆量不足或注浆不及时也是引起地表沉降的主要因素之一；
（4）地下水位的下降。由于漏水或降水引起的地表沉降；
（5）盾构“姿态”偏离其隧道轴线。这意味着盾构与隧道轴线呈一夹角，盾构的“仰头”和“磕头”必然会留有空隙，引发地表沉降；
（6）盾构后退。盾构后退势必导致掘进面土体失稳，土体内聚力减少，发生沉降；
（7）设计阶段盾构的选择。如果设计不合理，有可能造成盾尾空隙较大，引发地表沉
降；
（8）注浆材料的选择。注浆材料的收缩导致填充空隙的材料在注浆后一段时间发生萎缩；
（9）管片的选择。管片的设计以及选材不当，也会由于变形而引发地表沉降。另外，超挖、偏离中线施工等也是土体产生沉降的原因。
五、盾构掘进引起土体变形的计算公式
在公式的推导中，仅考虑施工期间的变形，不考虑盾构的偏斜和注浆影响。在对掘进面压力引起的土体变形的计算公式中需要引入以下假定：
1、土体为材质均匀线弹性的半空间体；
2、将推力均匀分布在掘进面上（即均布荷载）；
3、壳壁与周围土体之间的摩擦力均匀分布在盾构周围；
4、仅考虑盾构的空间效应；
5、土体为不排水固结，只考虑施工引起的土体变形；
6、不考虑盾构姿态改变以及盾尾注浆因素。
图4为土体受力的模型简图。盾构的直径为D，轴线埋深为h，掘进面上的土体侧压力沿z轴均匀增加。取z=h−r处的静止侧压力为P1，z=h+r处的静止侧压力为P2，则平均静止侧压力P0= ( P1+P2)/2，掘进面上的盾构推力等效的分布力为p，于是附加推力表达式为Δp = p −P0，式中P0也可由P0=K0rh计算, K0是静止土力系数，γ为土的天然容重，KN /m3。
图4 土体受力模型图
盾构在正常固结软土中直线前进，不考虑盾构的偏斜及注浆压力，并在公式推导中不计土体的排水固结。
图5 盾构刀盘掘进面上的微元
计算所选用的坐标系如图4所示，在圆形掘进面上取微元rdrdθ ，如图5，可以将掘进面上离散成无数个这样的微元，每个微元上的荷载都可以看成集中力，这样就可以利用弹性力学中 Mindlin 解。通过积分就可以求得在附加推力作用下土体内任意一点（x,y,z）的位移，表达式如下：
式中，u’、v’、w’为掘进面作用单位力引起土体中任意一点（x,y,z）处的沿 x 轴、y轴和 z 轴的位移。Mindlin 可以解决在 z≥0 的弹性半空间体内（0,0,c）作用有集中力的情况,其中 c>0，位移分量 u’、v’、w’分别为：
其中，M―由计算
N―由计算。
六、邻近建筑物保护控制措施
1、对高层建筑物邻近线路一侧进行基础注浆加固为了防止隧道施工对邻近建筑物的影响，首要做的一点就是给予邻近盾构隧道的建筑物的一侧采取措施，以使基础的变形量控制在最低范围内。
2、强化盾构的周边地基
采取增大地基强度的办法可以减小盾构施工对周围土体的扰动，多采用地基改良工法，如药液注入、高压喷射搅拌工法等，这样一来可以补偿地层损失，二来可以提高周围土层的刚度。
3、强化既有建筑物的支承地基
可以增加既有建筑物的支承地基的强度，以使邻近建筑物对地表允许沉降值有所增加，多采用地基改良工法，如药液注入、高压喷射搅拌工法等。
4、隔断盾构施工所产生的地基变形
可以在盾构与邻近建筑物之间增加刚度较大的结构物，如地下连续墙、隔离桩、柱列桩法以及钢管桩法等。但是这些结构物的在设置过程中本身也会对建筑物产生影响，需引起注意。
5、加固既有建筑物刚度
这是增加既有建筑物刚度的办法，可以采用加劲肋、加固墙体及支撑方式加固建筑物内部措施。
6、采用托换基础
可以在既有建筑物下部设置承压板利用千斤顶控制建筑物变形，也可以在地基变形影响范围之外打设新桩等。总之，这些控制措施的实施，需要了解建筑物的重要程度、建筑物的尺寸、现场制约条件以及施工过程中的难度等综合考虑选取适合的控制措施。
七、结束语
综上所述,盾构隧道施工对邻近建筑结构桩的附加影响存在着较为明显的差异,因此在研究减少盾构隧道开挖对邻近建筑物影响时,建立分析模型应考虑对群桩基础上部边界条件做出合理的简化,才能获得较为真实的结论。
参考文献：
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