黃志廣

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

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

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；施工措施

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

中圖分類號：TU753.3；U456.3 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1006-4311（2018）15-0230-02

0 引言

隨著經(jīng)濟的高速發(fā)展，交通擁擠和出行不便日益成為嚴(yán)重的社會問題，同時人民對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題最為有效的途徑之一。截止17年上半年，中國大陸已有31個城市開通運營城市軌道交通，有53個城市開工建設(shè)軌道交通。近年來地鐵事業(yè)在國內(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。為此本文首先對建筑樁基的類型以及建筑樁基對土層的影響分析方法作一個總結(jié)，從而對區(qū)間隧道施工過程中提出一些合理性建議。

1 建筑樁基的影響機理

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)進行傳遞荷載到地基，樁基在施工過程中給周邊環(huán)境帶來較多的不良影響，主要表現(xiàn)在以下兩個方面[1]：

①擠土樁基在施工過程中需要排開一定體積的土，容易對周圍的土層進行擾動，改變土層原來的應(yīng)力狀態(tài)，會對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行施工，在重錘的猛烈撞擊下肯定會引起樁基強烈震動，有時甚至引起周圍土體隨之強迫振動。至于非擠土樁基，像鉆孔灌注樁，則在施工過程中會發(fā)生塌孔現(xiàn)象，地層的不斷損失也會引起周圍土體發(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)主體不斷的進行加高，主體結(jié)構(gòu)增加的荷載會通過樁基礎(chǔ)向地基傳遞，將會引起周圍結(jié)構(gòu)、管線的附加變形，同時還會影響地鐵隧道的建設(shè)。另一方面，如果這些響應(yīng)超過了一定范圍，則會引起建筑物不均勻沉降和裂縫開展、道路破壞、管線爆裂、通訊中斷以及滑坡等一系列事故。

由于施工過程時間長，規(guī)模大，對一些公共設(shè)施的影響大，因此在工程建設(shè)過程中，應(yīng)重點關(guān)注其對原狀土層以及周圍環(huán)境的影響。在建筑樁基施工的過程中不可避免地會改變原來的土體狀態(tài)，土體的應(yīng)力會隨著樁基的建造進行重分布，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，對運營地鐵隧道產(chǎn)生不利影響。因此建立地鐵保護辦公室就顯的十分有必要，它可以全面的監(jiān)測和監(jiān)督地鐵鄰近區(qū)域的工程施工活動，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)置專門的控制保護區(qū)，保護區(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地鐵過江隧道結(jié)構(gòu)外緣兩側(cè)一百米范圍內(nèi)。

⑤對于已獲批的規(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)。

一些市政工程有時不可避免地需要在地鐵保護區(qū)范圍內(nèi)施工，有關(guān)部門會針對不同工程提出相應(yīng)的設(shè)計施工要求以降低對地鐵建設(shè)的影響，為了更好地對軌道交通設(shè)施進行保護，佛山市在控制保護區(qū)范圍內(nèi)還增加設(shè)置了特別保護區(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，對該區(qū)域的一切施工活動嚴(yán)格控制，一般不允許進行施工活動?？刂票Ｗo區(qū)范圍內(nèi)的所有新建、擴建、改建施工活動均需地保辦同意后方可實施。

2 樁基礎(chǔ)對周圍土體影響的分析方法[2]

2.1 對周圍土體的影響過程

擠土樁基比非擠土樁基對附近環(huán)境的影響更加不利，這是因為在擠土樁施工中，施工速度較快，周圍土層近似形成了一個不排水的擠壓過程，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，樁基入土過程中會出現(xiàn)較高的孔隙水壓力，土體中原有的有效應(yīng)力會快速降低，沉樁完成后孔隙水壓力又會逐漸降低，此時土體進行再固結(jié)過程。在這個過程中，土體有效應(yīng)力不斷增加、強度逐漸恢復(fù)，此時地面可能會出現(xiàn)沉降，樁周側(cè)的摩阻力會逐漸減少甚至出現(xiàn)負(fù)摩擦阻力，但樁端承受的荷載卻隨之增長。樁基施工過程中一般可將對土體的影響過程分為四個方面：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)到消散的過程以及土體強度的逐漸恢復(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，一般采用先對群樁進行分區(qū)，然后把每一分區(qū)的樁基看作當(dāng)量單樁來分析，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)變及位移場的分析方法發(fā)展比較緩慢，從理論推導(dǎo)較難實現(xiàn)。在數(shù)值分析方面，一般采用有限單元法來進行計算，但由于沉樁問題在實際中比較復(fù)雜，因此用一個圓孔擴張理論難以對實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，會引起樁土間出現(xiàn)相對滑動，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，但計算耗時較長，而且沉樁過程目前難以進行模擬。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應(yīng)的，在研究中，通過在樁頂施加位移來模擬力的作用實現(xiàn)壓樁過程，符合實際施工過程中壓樁的情況，而且計算所需時間比較短。

2.3 樁基沉降計算

長期以來，樁基礎(chǔ)的設(shè)計關(guān)鍵主要聚集在其極限承載力上，而研究其位移沉降問題相對比較缺乏，這是因為樁基基礎(chǔ)承載的建筑物沉降較小，一般可滿足此要求，近年來研究人員提出了沉降控制理論，這推動了樁基沉降計算理論的發(fā)展。

3 盾構(gòu)隧道施工中需要注意的問題

本文針對佛山市軌道交通三號線工程桂丹路站～佛山機場站盾構(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1732.481m；左線長1716.502m，區(qū)間需下穿星拓精機公司廠房、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)從以下幾個方面嚴(yán)格控制施工過程：

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

②保持盾構(gòu)開挖面穩(wěn)定主要通過優(yōu)化盾構(gòu)掘進參數(shù)來控制。盾構(gòu)掘進參數(shù)主要包括：刀盤和土倉壓力、螺旋機轉(zhuǎn)速、排土量和推進速度、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)機掘進過程中，需要及時在襯砌背面環(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)條件來確定，同步注漿能否達到預(yù)期效果取決于注漿起訖時間。二次（或多次）壓漿可使盾構(gòu)在穿越重要建筑物和管線時，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)在線路曲線上推進及糾偏。

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

⑤應(yīng)對區(qū)間沿線地面和周圍建構(gòu)筑物進行及時有效的監(jiān)測。

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

⑥在建筑物周圍附近設(shè)置系統(tǒng)的準(zhǔn)確的觀測網(wǎng)，進行及時的位移、裂縫監(jiān)測并及時向建設(shè)各方反饋監(jiān)測信息，做到信息化施工。

⑦風(fēng)險工程預(yù)防措施。

1）對盾構(gòu)施工參數(shù)需嚴(yán)格控制，以此避免對原狀地層的過大擾動；

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

3）通過試驗，確定與盾構(gòu)開挖地層相適應(yīng)的水泥漿配合比、用量和注漿壓力，并應(yīng)及時對管片空隙進行二次補漿；

4）注漿時應(yīng)保證壓力均勻適中，根據(jù)盾構(gòu)機推進的速度來適時調(diào)整水泥漿注漿量，注漿量需與盾構(gòu)推進速度相適應(yīng)；

5）保證盾尾鋼絲刷密封功能正常；

6）加強施工監(jiān)測，切實做到盾構(gòu)施工信息化管理。

參考文獻：

[1]徐云福，王立峰.近鄰樁基施工對城市地鐵隧道的影響分析[J].巖土力學(xué)，2015，36（增刊2）.

[2]王新朝.淺析建筑樁基對地鐵隧道的影響相關(guān)研究[J].城市建設(shè)，2009（22）.

[3]灌千元.抗滑建筑樁基承載機理與適用性研究[D].重慶交通大學(xué)，2015.