張倩敏

（廣州造船廠有限公司　廣東　廣州　510382）

地鐵施工時(shí)及運(yùn)行后對(duì)已建建筑物有何影響以及在防范過(guò)程中的成本預(yù)算

張倩敏

（廣州造船廠有限公司廣東廣州510382）

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，為了更好的解決交通擁擠和對(duì)城市區(qū)域聯(lián)通的便捷性，很多城市的地鐵線布點(diǎn)越來(lái)越密集。但是在地鐵修建以及運(yùn)行的過(guò)程中，對(duì)周邊的環(huán)境以及已有建筑物的振動(dòng)影響也越來(lái)越多的受到工程界以及城市居民的關(guān)注，甚至地鐵施工過(guò)程中地面沉降和地基滑坡也經(jīng)常出現(xiàn)，對(duì)社會(huì)造成了很大的經(jīng)濟(jì)損失。鑒于此背景，如何減少在地鐵的施工以及運(yùn)行過(guò)程中對(duì)周?chē)ㄖ锏臄_動(dòng)，并制定相應(yīng)的防范措施是值得研究的問(wèn)題。

地鐵；施工；運(yùn)行；振動(dòng)；造價(jià)成本

1　引言

近年來(lái)，隨著城市化進(jìn)程速度越來(lái)越快，我國(guó)已經(jīng)進(jìn)入了大規(guī)模城市軌道交通的發(fā)展階段。而地鐵作為城市軌道的主要組成部分由于其快速、安全以及能耗低、污染小等優(yōu)點(diǎn)越來(lái)越受到廣大城市居民的青睞，地鐵對(duì)緩解交通壓力以及實(shí)現(xiàn)人車(chē)的分流以及對(duì)保護(hù)歷史文物景觀等有著顯著的作用。隨著地鐵線路不斷的投入使用，給社會(huì)帶來(lái)巨大的貢獻(xiàn)以及方便居民的生活之外也不可避免的對(duì)周?chē)h(huán)境特別是古建筑的結(jié)構(gòu)安全造成了嚴(yán)重的威脅。這是因?yàn)樵诘罔F的施工工程中往往會(huì)造成地表沉降以及地表的水平變形，而大的底層變動(dòng)會(huì)對(duì)建筑物產(chǎn)生極大的影響，對(duì)建筑物的結(jié)構(gòu)安全造成隱患，嚴(yán)重的將會(huì)造成房屋倒塌嚴(yán)重影響正常的生產(chǎn)生活。例如，上海地鐵四號(hào)線也就是浦東南路到南浦大橋區(qū)間的隧道過(guò)程中由于在施工過(guò)程中的不得當(dāng)而造成嚴(yán)重的地面沉降，對(duì)上海的建設(shè)造成了很大的影響。在地鐵的運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)是影響建筑物安定性的主要因素。目前，降低震源的強(qiáng)度、切斷傳播途徑以及在傳播途徑上進(jìn)行建筑物的減震是保護(hù)建筑物的主要措施。唯有保證好良好的防震措施才可以將地鐵的普及率得到提高，提高人民的生活水平，推動(dòng)國(guó)家的經(jīng)濟(jì)建設(shè)。

2　地鐵施工時(shí)對(duì)建筑物的影響

在地鐵的施工過(guò)程中，地表建筑物的變形主要是由于地表的變形而傳遞給建筑物而引起。由于在地鐵的施工過(guò)程中地表將會(huì)產(chǎn)生各種變形，地表建筑物也會(huì)隨之產(chǎn)生損傷。以下是幾種主要的影響方式：

2.1地表沉降對(duì)建筑物的影響

在地鐵的建設(shè)過(guò)程中由于挖掘土地的不當(dāng)而造成地表均勻下沉將會(huì)使建筑物整體下降，而附加應(yīng)力卻不會(huì)出現(xiàn)在建筑物中。一般來(lái)說(shuō)普通的沉降不會(huì)造成建筑物的損傷，但是在地下水位低而且地基土沉降較大的情況下，那么地面將會(huì)產(chǎn)生積水不但會(huì)影響建筑物使用而且會(huì)由于地基土的長(zhǎng)期浸泡而造成建筑物的強(qiáng)度降低，影響建筑物的使用壽命（見(jiàn)圖1）。

2.2地表傾斜對(duì)建筑物的影響

地表傾斜對(duì)建筑物造成的影響主要表現(xiàn)是當(dāng)?shù)乇韮A斜時(shí)，周?chē)ㄖ镉捎谧陨淼闹亓Χ纬善暮奢d，從而使地基的承載壓力重新分布，使承載結(jié)構(gòu)內(nèi)部產(chǎn)生巨大的附加應(yīng)力，而且會(huì)使地表的水平剪切力產(chǎn)生，在靠近墻體附近產(chǎn)生剪切裂縫從而對(duì)造成建筑物的損害。地表傾斜對(duì)高層建筑會(huì)有更加不利的影響，嚴(yán)重的會(huì)使建筑物喪失穩(wěn)定性，導(dǎo)致坍塌等等。

圖1　地表下沉的示例圖

2.3地表水平變形對(duì)建筑物的影響

水平變形的拉伸和壓縮是地鐵隧道開(kāi)挖過(guò)程中引起的地表變形的兩種主要表現(xiàn)形式。一般的建筑物對(duì)拉伸變形的抵抗力非常弱，很小的變形就足以使建筑物開(kāi)裂，造成建筑物的外表以及性能得到損害。雖然壓縮變形對(duì)建筑物影響不是很大，但是過(guò)量的壓縮將會(huì)使建筑物造成擠碎性的破壞，這不但使墻體產(chǎn)生水平裂縫，而且會(huì)使縱強(qiáng)褶曲，在結(jié)構(gòu)薄弱處還會(huì)是屋頂隆起，造成建筑物的破壞。甚至造成建筑物附近地表?yè)p害，為以后的建筑造成很大的影響。

3　地鐵運(yùn)行是對(duì)建筑物的影響

在地鐵運(yùn)行的過(guò)程中，由于地鐵列車(chē)的移動(dòng)在車(chē)輪與軌道接觸的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生一些周期性的振動(dòng)，而且運(yùn)動(dòng)的列車(chē)也會(huì)對(duì)軌道的裂縫產(chǎn)生沖擊性的振動(dòng)。這些振動(dòng)都會(huì)通過(guò)隧道結(jié)構(gòu)對(duì)周?chē)翆舆M(jìn)行影響，誘發(fā)對(duì)附近的地下結(jié)構(gòu)以及地面建筑物進(jìn)行二次的沖擊。

圖2　墻體裂縫的示意圖

在地鐵運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)是主要的影響因素，通過(guò)對(duì)某城市地鐵附近的測(cè)試結(jié)果表明：在地鐵運(yùn)行的過(guò)程中，地鐵運(yùn)行速度越快對(duì)地面的居民住宅的振動(dòng)也越來(lái)越大，這也說(shuō)明列車(chē)運(yùn)行引起的振動(dòng)已經(jīng)在不同程度上對(duì)不同的建筑物有了安全性隱患，同時(shí)也會(huì)影響居民的正常生活。在地鐵運(yùn)行的過(guò)程中由于振動(dòng)的影響經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)墻皮剝落、龜裂以及底板裂縫的現(xiàn)象發(fā)生，嚴(yán)重的將會(huì)導(dǎo)致建筑物的基礎(chǔ)變形以及下沉。例如，廣州在建地鐵廣佛線鶴洞站其出入口和風(fēng)亭是與復(fù)建樓合建一體的，地鐵運(yùn)行過(guò)程中振動(dòng)影響該如何降低呢？針對(duì)地鐵運(yùn)行過(guò)程中對(duì)建筑物造成的影響，各國(guó)尤其是發(fā)達(dá)國(guó)建以及制定了建筑物允許的相對(duì)振動(dòng)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)振動(dòng)加速度以及允許位移都進(jìn)行了相對(duì)的規(guī)定，德國(guó)也制定了根據(jù)不同的振幅以及速度和頻率來(lái)評(píng)估建筑物可能收到的損害。但是我國(guó)尚沒(méi)有專(zhuān)門(mén)的參考標(biāo)準(zhǔn)，只能參照其他國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)來(lái)進(jìn)行分析表征。城市建筑物和地鐵運(yùn)行之間是一個(gè)長(zhǎng)期的作用影響，在短期時(shí)間內(nèi)可能不會(huì)有明顯的影響，但是長(zhǎng)期的振動(dòng)會(huì)對(duì)建筑物造成疲勞損傷，導(dǎo)致建筑物的安全性能下降嚴(yán)重影響建筑物的使用壽命。在含有古建筑的城市地鐵沿線上必須對(duì)振動(dòng)環(huán)境進(jìn)行研究，制動(dòng)出相應(yīng)的防治對(duì)策，唯有這樣才可以保證建筑的觀賞性。

經(jīng)過(guò)分析表明，在相同的振動(dòng)荷載下，同一建筑物的振動(dòng)相應(yīng)水平基本相同，下部樓層就比上部樓層稍微低一點(diǎn)點(diǎn)；低頻段比高頻段對(duì)建筑物的影響大，但是在建筑抗震分析中考慮低頻段的寬度要大；隨著土層硬度的增加，建筑物的振動(dòng)水平和幅度減少對(duì)不同類(lèi)型土層建筑物中的影響規(guī)律基本相同。

圖3　相同負(fù)載下，距地鐵不同距離建筑物各層豎向最大加速度值比值

4　建筑物的保護(hù)措施

對(duì)地鐵施工以及運(yùn)行的過(guò)程中可能發(fā)生損傷的建筑物進(jìn)行一定的防治措施，來(lái)保障建筑物的安全使用。

4.1在施工前對(duì)建筑物進(jìn)行加固

根據(jù)實(shí)際情況以及建筑物的安全等級(jí)，地層注漿、隔離樁以及結(jié)構(gòu)加固等措施是常見(jiàn)的加固措施。

4.1.1地層注漿

地層注漿就是從地表進(jìn)行注漿來(lái)加固地層，采用液壓以及電化學(xué)的方法將特定的漿液注入到巖體的縫隙中去，保證巖體的強(qiáng)度和抗?jié)B性，從而可以使得到的新體結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到提高，從而可以達(dá)到改善巖土體的物理力學(xué)性能。

4.1.2隔離樁

隔離樁主要是從地表或者地鐵隧道內(nèi)施加隔離樁，針對(duì)的是地鐵隧道對(duì)臨近建筑物的破壞風(fēng)險(xiǎn)較大時(shí)，需要考慮的方法。這種方法可以有效的控制幾個(gè)相鄰相鄰的建筑物之間的地層沉降，將樁周?chē)哪Σ磷枇p失降到最低，使建筑物本身的變形程度減小。在特定的情況下還可以在地面打設(shè)深樁彌補(bǔ)樁短的缺陷，使之與短樁共同承受上部的負(fù)載來(lái)抵抗施工后的變形。

4.1.3結(jié)構(gòu)加固

在施工過(guò)程中，由于開(kāi)挖土體的需要有時(shí)會(huì)在建筑物的下方進(jìn)行開(kāi)挖，對(duì)于抗變形能力差的土體將會(huì)造成建筑物的不均勻下降，甚至造成對(duì)承載構(gòu)建的破壞，從而使建筑的正常使用得到破壞。對(duì)現(xiàn)有的建筑基礎(chǔ)進(jìn)行合理的補(bǔ)強(qiáng)以及進(jìn)行對(duì)新基礎(chǔ)設(shè)施和舊設(shè)施的替換是很有研究意義的方法。

4.2施工后建筑物的加固措施

針對(duì)施工后的加固措施主要包括對(duì)鋼筋混凝土的加固以及砌體結(jié)構(gòu)的加固。

鋼筋混凝土的加固方法主要包括增加支撐加固法、裂縫縫補(bǔ)技術(shù)、粘貼鋼板加固法和加大截面加固法等等，采用這樣的方法可以保證建筑物的結(jié)構(gòu)的剛性，防止裂縫等等，加強(qiáng)對(duì)建筑物的防范措施。

砌體結(jié)構(gòu)加固措施包括外加層加固法、無(wú)粘貼外包型鋼加固法以及增設(shè)構(gòu)造措施等等。這兩種方法都是在對(duì)施工后的建筑物進(jìn)行的特定保護(hù)，對(duì)地鐵建造以及運(yùn)行過(guò)程中產(chǎn)生的振動(dòng)、聲污染等影響人民正常生活的現(xiàn)象是一個(gè)很好的保護(hù)作用。

4.3地鐵運(yùn)行過(guò)程中采取的保護(hù)措施

在地鐵運(yùn)行的過(guò)程中，由于機(jī)械振動(dòng)對(duì)建筑物的安全有著很大的威脅。當(dāng)今大多數(shù)的工程項(xiàng)目采用的是施加一層三維基礎(chǔ)隔震的結(jié)構(gòu)層來(lái)減弱振動(dòng)。這樣的結(jié)構(gòu)層主要包括鉛芯橡膠隔震支座和蝶形彈簧支座，來(lái)獲得適宜的阻尼，這樣就可以形成水平的振動(dòng)將會(huì)由鉛芯橡膠隔震支座完成減弱，蝶形彈簧完成豎向振動(dòng)的控制。而豎向恢復(fù)特性主要的取決因素就是蝶形彈簧組合系統(tǒng)，而采用雙線性恢復(fù)力模型對(duì)防止振動(dòng)的效果更好。

圖4　雙向恢復(fù)力模型圖

5　施工成本增加的分析

為了保證地鐵對(duì)建筑物影響最小，采取一些加固措施是刻不容緩的事情。但是在實(shí)際的工程應(yīng)用中由于工期以及資金的不足，常常會(huì)導(dǎo)致工期的延緩。

在隔離樁使用的過(guò)程中根據(jù)《工程造價(jià)表》分析表明，加固后承載力可以達(dá)到180MPa，處理的深度不小于6m，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為197元/m2，根據(jù)不同的施工段如：1000m2計(jì)算需要的費(fèi)用是197000，這將占到總的工程造價(jià)費(fèi)用的1.3％，提高了施工的造價(jià)。

在結(jié)構(gòu)加固中通過(guò)換填來(lái)加固可以使承載力提高49％，綜合經(jīng)濟(jì)指標(biāo)為94.7，1000m2計(jì)算需要的費(fèi)用是94700，占總費(fèi)用的0.6％。

在施工后通過(guò)對(duì)建筑物進(jìn)行加固也許不會(huì)對(duì)工程總的費(fèi)用有很大的影響，但是鋼筋混凝土的使用根據(jù)市場(chǎng)的變化在總的費(fèi)用中也會(huì)有著很大的影響。

在建筑物以及地鐵運(yùn)行和施工過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生額外的費(fèi)用，但是為了保障地鐵的安全運(yùn)行和人們的生活健康，應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況提高響應(yīng)的費(fèi)用保證成本的時(shí)效性和科學(xué)性。

6　結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)合理的評(píng)估建筑物受地鐵系統(tǒng)的影響，不僅有利于控制、減少振動(dòng)污染，還可以為不同類(lèi)型的建筑物在不同的情況下需要保持與地鐵的相對(duì)距離，為以后的地鐵選址提供了很好的依據(jù)。通過(guò)對(duì)地鐵施工前以及施工后運(yùn)行的分析，采用特定的保護(hù)措施來(lái)進(jìn)行加固建筑物以及在振動(dòng)源和振動(dòng)傳播過(guò)程中減弱振動(dòng)，這些措施都是地鐵和建筑物和諧共處的有利條件。地鐵的振動(dòng)對(duì)建筑物的影響問(wèn)題嚴(yán)格說(shuō)是一個(gè)三維的問(wèn)題，對(duì)三維問(wèn)題進(jìn)行簡(jiǎn)單化來(lái)進(jìn)行精確以及更符合實(shí)際的分析，確保工程實(shí)踐的合理以及安全性。根據(jù)特定的施工明細(xì)圖制定出特定的隧道以及建筑物的具體防治措施。

[1]尹旅超，朱振宏，等譯.日本隧道盾構(gòu)新技術(shù)[M].武漢：華中理工大學(xué)出版社，1997：6.

[2]劉維寧，夏禾.地鐵列車(chē)振動(dòng)的環(huán)境響應(yīng)[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)（增刊），1996，15：586～593.

[3]夏禾，吳萱，于大明.城市軌道交通系統(tǒng)引起的環(huán)境振動(dòng)問(wèn)題[J].北方交通大學(xué)學(xué)報(bào)，1999，23（4）：1～7.

[4]侯學(xué)淵，廖少明.盾構(gòu)隧道沉降預(yù)估[J].地下工程與隧道，1993（4）：24～ 25.

F275.3

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1673-0038（2015）22-0177-03

2015-5-18

張倩敏（1985-），女，助理工程師，本科，主要從事工程管理工作。