黃志廣

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

摘要：近年來(lái)，軌道交通工程事業(yè)在全國(guó)各大城市蓬勃發(fā)展，國(guó)內(nèi)二、三線城市也在陸續(xù)進(jìn)行大規(guī)模的建設(shè)，但是地鐵工程具有投資巨大、建設(shè)時(shí)間長(zhǎng)以及社會(huì)協(xié)作性高等特點(diǎn)，稍有差錯(cuò)就可能勞民傷財(cái)。在地鐵建設(shè)過(guò)程中，建構(gòu)筑物的樁基與區(qū)間隧道之間的沖突越來(lái)越明顯，甚至導(dǎo)致線路路由的大調(diào)整，因此本文通過(guò)分析建設(shè)建筑樁基對(duì)原狀土層的影響，并根據(jù)樁基實(shí)際的施工情況提出相應(yīng)的分析解決方法，最后針對(duì)盾構(gòu)隧道施工提出需要注意的問(wèn)題。

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.

關(guān)鍵詞：建筑樁基；盾構(gòu)隧道；地鐵保護(hù)；施工措施

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

中圖分類號(hào)：TU753.3；U456.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1006-4311（2018）15-0230-02

0 引言

隨著經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，交通擁擠和出行不便日益成為嚴(yán)重的社會(huì)問(wèn)題，同時(shí)人民對(duì)于美好生活的追求不斷提高，發(fā)展城市軌道交通事業(yè)成為解決城市公共交通問(wèn)題最為有效的途徑之一。截止17年上半年，中國(guó)大陸已有31個(gè)城市開(kāi)通運(yùn)營(yíng)城市軌道交通，有53個(gè)城市開(kāi)工建設(shè)軌道交通。近年來(lái)地鐵事業(yè)在國(guó)內(nèi)得到大力發(fā)展，其與建構(gòu)筑物的矛盾也日益凸顯，特別是采用樁基的建構(gòu)筑物，例如高層建筑、大跨度廠房、高聳廣告牌等等。為此本文首先對(duì)建筑樁基的類型以及建筑樁基對(duì)土層的影響分析方法作一個(gè)總結(jié)，從而對(duì)區(qū)間隧道施工過(guò)程中提出一些合理性建議。

1 建筑樁基的影響機(jī)理

天然地基極限承載力較差，一般滿足不了多、高層建構(gòu)筑物基礎(chǔ)的需求，所以大部分都需要采用樁基礎(chǔ)進(jìn)行傳遞荷載到地基，樁基在施工過(guò)程中給周邊環(huán)境帶來(lái)較多的不良影響，主要表現(xiàn)在以下兩個(gè)方面[1]：

①擠土樁基在施工過(guò)程中需要排開(kāi)一定體積的土，容易對(duì)周圍的土層進(jìn)行擾動(dòng)，改變土層原來(lái)的應(yīng)力狀態(tài)，會(huì)對(duì)樁身四周附近的市政道路、管線以及區(qū)間隧道造成不良影響；如果采用打樁形式進(jìn)行施工，在重錘的猛烈撞擊下肯定會(huì)引起樁基強(qiáng)烈震動(dòng)，有時(shí)甚至引起周圍土體隨之強(qiáng)迫振動(dòng)。至于非擠土樁基，像鉆孔灌注樁，則在施工過(guò)程中會(huì)發(fā)生塌孔現(xiàn)象，地層的不斷損失也會(huì)引起周圍土體發(fā)生應(yīng)力重分布現(xiàn)象。

②樁基施工完成后，由于結(jié)構(gòu)主體不斷的進(jìn)行加高，主體結(jié)構(gòu)增加的荷載會(huì)通過(guò)樁基礎(chǔ)向地基傳遞，將會(huì)引起周圍結(jié)構(gòu)、管線的附加變形，同時(shí)還會(huì)影響地鐵隧道的建設(shè)。另一方面，如果這些響應(yīng)超過(guò)了一定范圍，則會(huì)引起建筑物不均勻沉降和裂縫開(kāi)展、道路破壞、管線爆裂、通訊中斷以及滑坡等一系列事故。

由于施工過(guò)程時(shí)間長(zhǎng)，規(guī)模大，對(duì)一些公共設(shè)施的影響大，因此在工程建設(shè)過(guò)程中，應(yīng)重點(diǎn)關(guān)注其對(duì)原狀土層以及周圍環(huán)境的影響。在建筑樁基施工的過(guò)程中不可避免地會(huì)改變?cè)瓉?lái)的土體狀態(tài)，土體的應(yīng)力會(huì)隨著樁基的建造進(jìn)行重分布，從而改變周圍土體的位移狀態(tài)，可能引起地鐵隧道管片附加變形和附加應(yīng)力，對(duì)運(yùn)營(yíng)地鐵隧道產(chǎn)生不利影響。因此建立地鐵保護(hù)辦公室就顯的十分有必要，它可以全面的監(jiān)測(cè)和監(jiān)督地鐵鄰近區(qū)域的工程施工活動(dòng)，根據(jù)佛山市相關(guān)管理辦法規(guī)定，在城市軌道交通沿線區(qū)域設(shè)置專門(mén)的控制保護(hù)區(qū)，保護(hù)區(qū)范圍主要包括：

①距離地下車站結(jié)構(gòu)、地下隧道結(jié)構(gòu)外緣線五十米范圍內(nèi)。

②距離地面和高架車站結(jié)構(gòu)、地面線路軌道結(jié)構(gòu)外緣線三十米范圍內(nèi)。

③距離車站出入口、車輛段、風(fēng)亭、變電站、線路控制中心等建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)外緣線十米范圍內(nèi)。

④地鐵過(guò)江隧道結(jié)構(gòu)外緣兩側(cè)一百米范圍內(nèi)。

⑤對(duì)于已獲批的規(guī)劃線路和獲準(zhǔn)的建設(shè)規(guī)劃線路，其線路中心線兩側(cè)六十米范圍內(nèi)。

一些市政工程有時(shí)不可避免地需要在地鐵保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)施工，有關(guān)部門(mén)會(huì)針對(duì)不同工程提出相應(yīng)的設(shè)計(jì)施工要求以降低對(duì)地鐵建設(shè)的影響，為了更好地對(duì)軌道交通設(shè)施進(jìn)行保護(hù)，佛山市在控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)還增加設(shè)置了特別保護(hù)區(qū)，其范圍如下：距離地鐵地下工程（車站、隧道等）結(jié)構(gòu)外緣線五米范圍；距離高架車站及高架線路結(jié)構(gòu)水平投影、地面車站及地面線路路堤外緣線以及車輛段的建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)外緣線三米范圍內(nèi)，由于距離較近，對(duì)該區(qū)域的一切施工活動(dòng)嚴(yán)格控制，一般不允許進(jìn)行施工活動(dòng)。控制保護(hù)區(qū)范圍內(nèi)的所有新建、擴(kuò)建、改建施工活動(dòng)均需地保辦同意后方可實(shí)施。

2 樁基礎(chǔ)對(duì)周圍土體影響的分析方法[2]

2.1 對(duì)周圍土體的影響過(guò)程

擠土樁基比非擠土樁基對(duì)附近環(huán)境的影響更加不利，這是因?yàn)樵跀D土樁施工中，施工速度較快，周圍土層近似形成了一個(gè)不排水的擠壓過(guò)程，土層垂直隆起和出現(xiàn)水平位移。若土體為飽和狀態(tài)的軟弱土?xí)r，樁基入土過(guò)程中會(huì)出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，土體中原有的有效應(yīng)力會(huì)快速降低，沉樁完成后孔隙水壓力又會(huì)逐漸降低，此時(shí)土體進(jìn)行再固結(jié)過(guò)程。在這個(gè)過(guò)程中，土體有效應(yīng)力不斷增加、強(qiáng)度逐漸恢復(fù)，此時(shí)地面可能會(huì)出現(xiàn)沉降，樁周側(cè)的摩阻力會(huì)逐漸減少甚至出現(xiàn)負(fù)摩擦阻力，但樁端承受的荷載卻隨之增長(zhǎng)。樁基施工過(guò)程中一般可將對(duì)土體的影響過(guò)程分為四個(gè)方面：樁基周圍的土體完全重塑和改變土體內(nèi)部結(jié)構(gòu)；土體的位移、應(yīng)力狀態(tài)發(fā)生變化；土體中超孔隙水壓力的出現(xiàn)到消散的過(guò)程以及土體強(qiáng)度的逐漸恢復(fù)。

2.2 考慮擠土效應(yīng)的分析

在理論分析群樁擠土效應(yīng)時(shí)，一般采用先對(duì)群樁進(jìn)行分區(qū)，然后把每一分區(qū)的樁基看作當(dāng)量單樁來(lái)分析，從小及大，由部分到整體，從單樁研究分析群樁的擠土效應(yīng)。群樁擠土應(yīng)力、應(yīng)變及位移場(chǎng)的分析方法發(fā)展比較緩慢，從理論推導(dǎo)較難實(shí)現(xiàn)。在數(shù)值分析方面，一般采用有限單元法來(lái)進(jìn)行計(jì)算，但由于沉樁問(wèn)題在實(shí)際中比較復(fù)雜，因此用一個(gè)圓孔擴(kuò)張理論難以對(duì)實(shí)際情況作出比較全面的解析。由于有限單元法中樁與土之間貫入了較大的相互作用力，會(huì)引起樁土間出現(xiàn)相對(duì)滑動(dòng)，有限單元法只有在樁土接觸面上出現(xiàn)拉應(yīng)力才容許樁土間分離，該方法在分析中雖然可以考慮樁土接觸面的相互作用，但計(jì)算耗時(shí)較長(zhǎng)，而且沉樁過(guò)程目前難以進(jìn)行模擬。目前，考慮樁與土的相互作用以及加入位移貫入的有限單元法，是適用范圍最廣的方法，位移貫入法與力貫入法是一一對(duì)應(yīng)的，在研究中，通過(guò)在樁頂施加位移來(lái)模擬力的作用實(shí)現(xiàn)壓樁過(guò)程，符合實(shí)際施工過(guò)程中壓樁的情況，而且計(jì)算所需時(shí)間比較短。

2.3 樁基沉降計(jì)算

長(zhǎng)期以來(lái)，樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)關(guān)鍵主要聚集在其極限承載力上，而研究其位移沉降問(wèn)題相對(duì)比較缺乏，這是因?yàn)闃痘A(chǔ)承載的建筑物沉降較小，一般可滿足此要求，近年來(lái)研究人員提出了沉降控制理論，這推動(dòng)了樁基沉降計(jì)算理論的發(fā)展。

3 盾構(gòu)隧道施工中需要注意的問(wèn)題

本文針對(duì)佛山市軌道交通三號(hào)線工程桂丹路站～佛山機(jī)場(chǎng)站盾構(gòu)區(qū)間提出一些施工建議，該區(qū)間采用外徑為6m的盾構(gòu)管片，右線長(zhǎng)1732.481m；左線長(zhǎng)1716.502m，區(qū)間需下穿星拓精機(jī)公司廠房、超發(fā)制衣廠廠房、西諾德廠房、聯(lián)合社區(qū)釋石村工業(yè)園區(qū)宿舍樓、羅村豐崗公涌、聯(lián)興得利裝飾材料有限公司廠房、石碣朗村橋涵以及羅村沙坑沙基頭電排站工程等等。由于區(qū)間沿線下穿較多建構(gòu)筑物，施工中需特別引起重視，個(gè)別樁基距離區(qū)間隧道頂豎向凈距僅2.2m，應(yīng)從以下幾個(gè)方面嚴(yán)格控制施工過(guò)程：

①確保地面隆起和沉降控制在設(shè)計(jì)的允許范圍內(nèi)，關(guān)鍵是需要穩(wěn)定盾構(gòu)開(kāi)挖面以及及時(shí)用水泥漿液填充管片與地層間的空隙。

②保持盾構(gòu)開(kāi)挖面穩(wěn)定主要通過(guò)優(yōu)化盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)來(lái)控制。盾構(gòu)掘進(jìn)參數(shù)主要包括：刀盤(pán)和土倉(cāng)壓力、螺旋機(jī)轉(zhuǎn)速、排土量和推進(jìn)速度、千斤頂總推力、注漿量方式、漿體性能、盾構(gòu)姿態(tài)、盾構(gòu)坡度以及管片拼裝偏差值控制等等。

③同步注漿與二次注漿。

為了控制地面沉降，在盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)過(guò)程中，需要及時(shí)在襯砌背面環(huán)形建筑空隙中填充足量的水泥漿液，漿液配合比、壓力、注漿量應(yīng)根據(jù)所處地質(zhì)條件來(lái)確定，同步注漿能否達(dá)到預(yù)期效果取決于注漿起訖時(shí)間。二次（或多次）壓漿可使盾構(gòu)在穿越重要建筑物和管線時(shí)，地面沉降將大大減小，確保建筑物和管線的正常使用安全。

④注意盾構(gòu)在線路曲線上推進(jìn)及糾偏。

當(dāng)盾構(gòu)機(jī)在曲線推進(jìn)時(shí)，土體的束縛力變差，盾構(gòu)軸線將會(huì)變的難控制，此時(shí)推進(jìn)速度需要放緩，糾偏幅度也不宜過(guò)大，應(yīng)加大注漿量以及糾偏測(cè)量工作，以減小地層損失，把地面沉降量控制在一定范圍。

⑤應(yīng)對(duì)區(qū)間沿線地面和周圍建構(gòu)筑物進(jìn)行及時(shí)有效的監(jiān)測(cè)。

應(yīng)根據(jù)建筑物的基礎(chǔ)類型、對(duì)沉降的敏感性及允許值，制定每個(gè)建筑物的變形警戒值。建立完善的監(jiān)測(cè)網(wǎng)，及時(shí)采取有效的預(yù)防措施應(yīng)對(duì)緊急情況。

⑥在建筑物周圍附近設(shè)置系統(tǒng)的準(zhǔn)確的觀測(cè)網(wǎng)，進(jìn)行及時(shí)的位移、裂縫監(jiān)測(cè)并及時(shí)向建設(shè)各方反饋監(jiān)測(cè)信息，做到信息化施工。

⑦風(fēng)險(xiǎn)工程預(yù)防措施。

1）對(duì)盾構(gòu)施工參數(shù)需嚴(yán)格控制，以此避免對(duì)原狀地層的過(guò)大擾動(dòng)；

2）選用合適合理的地層改良措施，通過(guò)改善土的流塑性來(lái)保持進(jìn)出土的順暢性，可有效控制盾構(gòu)機(jī)出土量；

3）通過(guò)試驗(yàn)，確定與盾構(gòu)開(kāi)挖地層相適應(yīng)的水泥漿配合比、用量和注漿壓力，并應(yīng)及時(shí)對(duì)管片空隙進(jìn)行二次補(bǔ)漿；

4）注漿時(shí)應(yīng)保證壓力均勻適中，根據(jù)盾構(gòu)機(jī)推進(jìn)的速度來(lái)適時(shí)調(diào)整水泥漿注漿量，注漿量需與盾構(gòu)推進(jìn)速度相適應(yīng)；

5）保證盾尾鋼絲刷密封功能正常；

6）加強(qiáng)施工監(jiān)測(cè)，切實(shí)做到盾構(gòu)施工信息化管理。

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