分析盾構施工對鄰近建筑的影響
摘 要:筆者首先介紹了盾構施工的基本概念,分析了盾構施工對周邊地表的影響及原因,最后分析了對鄰近建筑物的影響以及鄰近建筑破壞模式。
關鍵詞:地鐵 盾構施工 鄰近建筑 地表沉降 破壞模式
1.盾構法概述
盾構法(shield-drivenTunneling)是利用盾構機在地面以下暗挖隧道的一種施工方法,具體做法是一邊控制開挖面及圍巖不發生坍塌失穩,一邊進行隧道掘進、出渣,并在機內拼裝管片形成襯砌、實施壁后注漿,從而不擾動圍巖而修筑隧道。盾構法主要用于軟弱、復雜等地層的地鐵隧道施工。盾構機是一種集開挖、支護、推進、襯砌等多種作業功能于一體的大型暗挖隧道施工機械。
盾構技術基本原理:盾構施工的主要原理就是盡可能在不擾動圍巖的前提下完成施工,從而最大限度地減少對地面建筑物及地基內埋設物的影響。
2.盾構施工對周邊地表的影響及原因分析
由于盾構法施工引起隧道周圍地層的松動和沉陷,直觀表現為地表沉降,受其影響,隧道附近地區的結構物將產生變形、沉降或變位,以至使結構物機能遭受破損或者破壞。周圍結構物的變形從本質上而言也是由于地層變形而引起的,因此,只有控制地層才能更好地控制周圍結構物的沉降和變形。
2.1地層沉降的原因
伴隨盾構推進一般會發生一定的地基變形,其發生原因可以分為以下幾點:
(l)開挖面上的土水壓力不平衡導致開挖面失去穩定性。此時,壓力艙壓力大于開挖面土壓力和水壓力時出現地基隆起,相反會出現地基沉降。
(2)盾構推進對圍巖的擾動。盾構殼板和圍巖的摩擦、以及圍巖的擾動會引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲線推進時如采用超挖,會使圍巖松動的范圍變大加大地基的沉降量。
(3)盾尾空隙的發生和壁后注漿的不足。盾構施工必然產生盾尾空隙,這一空隙會引起地基的應力釋放而產生彈塑性變形。一般可通過實施壁后注漿來控制,但壁后注漿的材料、注漿時間、位置、壓力、注漿量都會影響地基的變形量。
(4)襯砌管片的變形和變位。管片從盾尾脫出后,受到圍巖荷載作用發生一些變形或變位,造成地基沉降,但其量一般較小。
(5)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。
2.2地層沉降的機理
由盾構法施工引起的地層損失和經擾動后的土顆粒再固結是形成地面沉降的兩個主要因素。
2.2.1土體損失
地層損失一般可分為三類:
第一類正常地層損失。這里排除了各種主觀因素的影響,認為操作過程是認真仔細的,完全合乎預定的操作規程,沒有任何失誤。地層損失的原因全部歸結于施工現場的客觀條件,如施工地區的地質條件或盾構施工工藝的選擇等。
第二類非正常地層損失。這是指由于盾構施工過程中操作失誤而引起的地層損失。如盾構駕駛過程中各類參數設置錯誤、超挖、壓漿不及時等。非正常地層損失引起的地面沉降有局部變化的特征,然而,一般還可以認為是正常的。
第三類災害性地層損失。盾構開挖面有突發性急劇流動,甚至形成暴發性的崩塌,引起災害性的地面沉降。這常是由于盾構施工中遇到水壓大、透水性強的顆粒狀土的透鏡體或遇到地層中的貯水。
2.2.2固結沉降
固結沉降可分為主固結沉降和次固結沉降。由于盾構推進過程中的擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用,對地層產生擾動,使隧道周圍地層產生正、負超孔隙水壓力。主固結沉降為超孔隙水壓力消散引起的土層壓密。
從理論上講,盾構法施工引起隧道周圍地表沉降是指主固結沉降和次固結沉降及施工沉降(也稱瞬時沉降)三者之和。如果不考慮次固結沉降,總沉降應等于地層損失造成的施工沉降和由于地層擾動引起的固結沉降之和。
3.對鄰近建筑物的影響
對于基礎埋深較淺的建筑物,其基礎四周地層移動的影響可以忽略,僅考慮基礎底部土層變形的影響,且為方便分析,認為底部變形和地表變形一致。其受到的影響主要有以下兩個方面:
3.1地表垂直變形對建筑物的影響
建筑物一般對地面均勻沉降并不敏感,造成建筑物破壞的原因主要是不均勻沉降。地表的沉降差值常導致結構構件受剪扭曲而破壞,尤其框架結構一般對沉降差值比較敏感。地表的傾斜則對底面積小、高度大的建筑物影響較大,其能使高聳建筑物的重心發生偏斜,引起應力重分配;傾斜大時,還會使建筑物的重心落在基礎底面積之外而使其發生折斷或傾倒,但這種情況很少。地表曲率有正、負之分。在地表負曲率的影響下,建筑物基礎猶如一個兩端受支承的梁,中間部分懸空,上部受壓、下部受拉,易使建筑物產生八字形的裂縫;在地表正曲率的影響下,建筑物基礎兩端懸空,上部受拉、下部受壓,易使建筑物產生倒八字形的裂縫。
3.2 地表水平變形對建筑物的影響
地表的水平變形指地表的拉伸和壓縮,它對建筑物的破壞作用很大。建筑物抵抗拉伸的能力遠遠小于抵抗壓縮的能力,在較小的地表拉伸下就能使其產生裂縫,尤其是砌體房屋。
深基礎的建筑物不僅受到基礎底部土層變形的影響,還受到基礎四周地層變形的影響。對于深基礎中的樁基,受到的影響主要有下列三方面:
(l)樁周土沉降引起的負摩阻力導致樁的附加沉降;
(2)土體側向變形引起的樁的側向變形;
(3)當樁底在隧道上方時,樁底土的沉降和土性變化引起樁端承載力的部分或全部喪失而引起樁的沉降。
4.鄰近建筑物破壞模式
4.1上部結構的破壞模式
上部結構的破壞以裂隙的發生與發展為特征,而裂隙的位置與形式則與處于沉降槽的位置有關。根據調查結果,磚石結構等剪切破壞一般有正八字形破壞及反八字形破壞,其中正八字形的裂隙開展模式多發生在沉降槽的下凹段,反八字形多發生在上凸段。
5.結論
地鐵隧道開挖勢必引起土體的沉降及變形,當地表沉降及變形達到一定程度時將對周圍存在的各類建筑物造成影響,從而造成其正常使用功能的喪失。由于地鐵施工多處于市區,地鐵隧道對襯砌、建筑物的內力和變形的要求非常嚴格,因此有必要研究地鐵隧道鄰近建筑物施工時的相互影響作用,同時努力建立起相關的損害評價標準,從而在保證鄰近建筑物整體安全的前
提下,在狹窄的地下空間安全有序的進行地鐵施工。參考文獻:
[1] 卿偉宸,廖紅建,錢春宇.地下隧道施工對相鄰建筑物及地表沉降的影響[J].地下空間與工程學報,20**,l(6):960-963.
[2] 徐永福,陳建山,傅德明.盾構掘進對周圍土體力學性質的影響[J].巖石力學與工程學報,20**,22(7).
篇2：四種地鐵盾構施工工法
四種地鐵盾構施工工法
工法之一：土壓平衡盾構施工工法
1、特點
1.1 盾構施工為多工序程序化作業，其自動化程度高，施工速度快、質量好、安全性高。
1.2 盾構掘進不需降水輔助施工，且管片屬工廠預制，有利于環境保護和減少施工對城市正常生活秩序的干擾。
1.3 通過建立并保持密封倉內土壓與開挖面水土壓力的動態平衡，減少了施工對土層的擾動，工作面穩定，能有效地控制地表隆陷。
1.4 與泥水盾構工法相比，其所需場地面積小，施工成本低。
2、工藝原理
土壓平衡式盾構機的工作原理是隨著盾構機的推進，刀盤切削下來的土體進入密封倉，利用該部分土體使倉內維持適當壓力，使之與開挖面水土壓力相平衡。同時，通過螺旋輸送機及其排土閥門等排土機構的控制，實現排土量與盾構推進量的匹配，形成盾構推進的同時保持開挖面穩定的動態平衡。
3、應用實例
北京地鐵四號線角門北路站～北京南站區間工程，作為北京地鐵四號線工程一部分。整個工程自南四環馬家樓，向北沿終至龍背村，線路全長28.14km，共設24座車站。其中角門北路站～北京南站區間盾構法施工隧道長：2392.922m（見圖3所示），其中左線長：1161.488m，右線長：1231.434m。
區間管片外徑6000mm，內徑5400mm，寬1200mm，每環6塊。隧道埋深約10～17m，線路最小水平曲線半徑350m，最大水平曲線半徑600m，線間距12～21.49m；最小豎曲線半徑3000 m，最大豎曲線半徑5000m；區間線路縱坡成“V”字形，角門北路站位于縱坡最大坡度2‰上坡段，出站后區間線路以15‰的坡率下坡，至最低點后左右線分別以6.863‰和6.906‰的坡率上坡，北京南站位于縱坡2‰上坡段。
工法之二：小半徑曲線段盾構始發施工工法
1、特點
1.1 糾偏能力強，軸線控制好。
1.2 能利用CAD軟件進行糾偏曲線擬合，清晰直觀，預控性強。
1.3 能最大限度利用了始發空間和盾構機本身的糾偏能力。
1.4 始發階段超挖范圍少，節省成本，有利于地表沉降控制。
2、工藝原理
盾構機在始發機座上不能開鉸接和采用分區油壓差來進行曲線糾偏，只能直線推進，因而小半徑曲線段盾構機始發主要是通過對盾構機始發軸線向曲線內側的旋轉和偏移，在始發段盾構機長度范圍內直線推進，過該直線段后用比設計轉彎半徑小的實際推進曲線來擬合設計曲線，充分利用盾構機自身的糾偏設計如超挖刀、鉸接、分區油壓差等，再加上合理的管片選型來保證實際推進曲線與設計曲線偏差在規范允許的范圍內。
3、應用實例
北京地鐵四號線工程角門北路站-北京南站盾構區間右線于20**年9月10日開工。設計里程：右K2+446.318-右K3+778.224，全長1382.858 m，其中盾構法區間長度為1231.434m，在K3+635.000處設盾構始發豎井。盾構法區間隧道設計斷面形式為圓形，外徑為6.0米，內徑5.4米。本區間隧道軌頂設計標高為17.75m -25.00m，隧道結構頂標高為22.75m-30.0m，隧道結構底標高為16.75m-24.00m，隧道埋深約為16.0-23.5m，覆土厚度約為10.0m-17.5m，盾構機在設計線路為半徑350m的圓曲線上始發。如下圖所示。
工法之三：地面工作井盾構刀盤修復及換刀工法
1、特點
1.1 施工中基本不使用土體加固等輔助施工措施，節省進艙技術措施費，并對環境無污染。
1.2 有利于施工過程中通風換氣，便于刀盤修復及刀具更換的焊接作業。
1.3 刀盤修復和刀具更換時，作業人員處于工作井內，安全可靠性好。
1.4 工作井占地面積小，對周邊環境影響小。
1.5 換刀作業期間，只需少量排出盾構土倉內的渣土，有利于保持盾構前方掌子面的穩定。
1.6 工作井采用簡易可靠的圓形結構，施工速度快，成本低。
2、工藝原理
地面工作井法刀盤修復及刀具更換的工作原理，就是從地面在盾構刀盤正上方施工工作井，工作井一般為凈空1.5米的圓形結構；作業人員通過工作井到達盾構刀盤，對刀盤及刀具的磨損情況進行檢查，制定針對性強的修復方案，在工作井內對刀盤進行修復和對刀具進行更換。由于工作井遠小于盾構的刀盤，采取小角度轉動刀盤的方法，實現對全部刀盤和刀具的檢查、修復和更換。刀盤和刀具修復和更換完成后，回填工作井，恢復盾構掘進作業。
3、應用實例
本次盾構刀具修復及更換施工位于北京地鐵四號線角門北路站～北京南站區間萬芳亭公園內，左線工作井位置位于區間歷程K2+946.77，隧道埋深16.941m；右線工作井位置位于區間歷程K3+045.152，隧道埋深16.572m。根據現場勘探、原位測試及室內土工試驗成果，換刀位置地層為全斷面砂卵石地層，隧道下方處于層間潛水層，在成孔深度內無地下水影響，為此不考慮地下水對工作井施工影響。工作井開挖直徑為1500mm，深度18m，工作井護壁厚度采用150mm，工作井護壁用C25混凝土澆注。
工法之四：盾構始發與到達掘進端頭高壓旋噴樁加固土體施工工法
1、特點
1.1 盾構始發與到達掘進端頭土體高壓旋噴樁加固與一般地基加固、建筑物糾偏等高壓旋噴注漿施工不同，盾構端頭土體高壓旋噴樁加固主要是對端頭一定范圍內的土體進行改良，使土體的抗剪、抗壓強度適當提高，透水性減弱，能保持短時間的自穩。
1.2經高壓旋噴樁加固后的土體單軸無側限抗壓強度以0.3～1.0MPa為宜，太高則盾構機刀盤切土困難，易引起機器故障。
1.3 高壓旋噴樁施工設備簡單、輕便，結構緊湊、機動性強、占地少，適合地鐵工程施工場地狹小的特點。
1.4 盾構始發與到達掘進端頭高壓旋噴樁所形成的土體與其它加固方法如注漿法、凍結法等工法所形成的加固土體相比，質量均勻、加固體形狀可控，有利于始發與到達時盾構機各項參數的穩定控制；
2、工藝原理
盾構機始發與到達端頭土體高壓旋噴樁加固是在地表利用工程鉆機鉆孔至要求深度后，用高壓旋噴臺車把安有水平噴嘴的注漿管下到設計標高，利用高壓設備使噴嘴以一定的壓力（一般大于20MPa）把漿液噴射出去，高壓射流沖擊切割土體，使一定范圍內的土體結構破壞，漿
液與土體攪拌混合固化，隨著注漿管的旋轉和提升而形成圓柱形樁體，凝固后便在土體中形成圓柱形狀、有一定強度、相鄰樁體相互咬合成一體的固結體，該固結體有一定的抗剪與抗壓強度，能保持一定的自穩性。3、應用實例
北京地鐵四號線工程角門北路站－北京南站區間、北京南站－陶然亭站區間位于北京市豐臺區與宣武區交界處從萬芳亭公園至陶然亭公園段，于20**年1月1日開工。兩區間段采用盾構法及暗挖法施工，其中盾構區間總長4319m，暗挖區間總長1217m。角門北路站～北京南站盾構區間段采用盾構井始發，車站接收；北京南站～陶然亭站盾構區間段采用盾構井始發，盾構接收井接收。兩區間段共施工始發及接收豎井6個，端頭土體高壓旋噴樁加固6個小分段。
篇3：分析盾構施工對鄰近建筑影響
分析盾構施工對鄰近建筑的影響
摘 要:筆者首先介紹了盾構施工的基本概念,分析了盾構施工對周邊地表的影響及原因,最后分析了對鄰近建筑物的影響以及鄰近建筑破壞模式。
關鍵詞:地鐵 盾構施工 鄰近建筑 地表沉降 破壞模式
1.盾構法概述
盾構法(shield-drivenTunneling)是利用盾構機在地面以下暗挖隧道的一種施工方法,具體做法是一邊控制開挖面及圍巖不發生坍塌失穩,一邊進行隧道掘進、出渣,并在機內拼裝管片形成襯砌、實施壁后注漿,從而不擾動圍巖而修筑隧道。盾構法主要用于軟弱、復雜等地層的地鐵隧道施工。盾構機是一種集開挖、支護、推進、襯砌等多種作業功能于一體的大型暗挖隧道施工機械。
盾構技術基本原理:盾構施工的主要原理就是盡可能在不擾動圍巖的前提下完成施工,從而最大限度地減少對地面建筑物及地基內埋設物的影響。
2.盾構施工對周邊地表的影響及原因分析
由于盾構法施工引起隧道周圍地層的松動和沉陷,直觀表現為地表沉降,受其影響,隧道附近地區的結構物將產生變形、沉降或變位,以至使結構物機能遭受破損或者破壞。周圍結構物的變形從本質上而言也是由于地層變形而引起的,因此,只有控制地層才能更好地控制周圍結構物的沉降和變形。
2.1地層沉降的原因
伴隨盾構推進一般會發生一定的地基變形,其發生原因可以分為以下幾點:
(l)開挖面上的土水壓力不平衡導致開挖面失去穩定性。此時,壓力艙壓力大于開挖面土壓力和水壓力時出現地基隆起,相反會出現地基沉降。
(2)盾構推進對圍巖的擾動。盾構殼板和圍巖的摩擦、以及圍巖的擾動會引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲線推進時如采用超挖,會使圍巖松動的范圍變大加大地基的沉降量。
(3)盾尾空隙的發生和壁后注漿的不足。盾構施工必然產生盾尾空隙,這一空隙會引起地基的應力釋放而產生彈塑性變形。一般可通過實施壁后注漿來控制,但壁后注漿的材料、注漿時間、位置、壓力、注漿量都會影響地基的變形量。
(4)襯砌管片的變形和變位。管片從盾尾脫出后,受到圍巖荷載作用發生一些變形或變位,造成地基沉降,但其量一般較小。
(5)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。
2.2地層沉降的機理
由盾構法施工引起的地層損失和經擾動后的土顆粒再固結是形成地面沉降的兩個主要因素。
2.2.1土體損失
地層損失一般可分為三類:
第一類正常地層損失。這里排除了各種主觀因素的影響,認為操作過程是認真仔細的,完全合乎預定的操作規程,沒有任何失誤。地層損失的原因全部歸結于施工現場的客觀條件,如施工地區的地質條件或盾構施工工藝的選擇等。
第二類非正常地層損失。這是指由于盾構施工過程中操作失誤而引起的地層損失。如盾構駕駛過程中各類參數設置錯誤、超挖、壓漿不及時等。非正常地層損失引起的地面沉降有局部變化的特征,然而,一般還可以認為是正常的。
第三類災害性地層損失。盾構開挖面有突發性急劇流動,甚至形成暴發性的崩塌,引起災害性的地面沉降。這常是由于盾構施工中遇到水壓大、透水性強的顆粒狀土的透鏡體或遇到地層中的貯水。
2.2.2固結沉降
固結沉降可分為主固結沉降和次固結沉降。由于盾構推進過程中的擠壓、超挖和盾尾的壓漿作用,對地層產生擾動,使隧道周圍地層產生正、負超孔隙水壓力。主固結沉降為超孔隙水壓力消散引起的土層壓密。
從理論上講,盾構法施工引起隧道周圍地表沉降是指主固結沉降和次固結沉降及施工沉降(也稱瞬時沉降)三者之和。如果不考慮次固結沉降,總沉降應等于地層損失造成的施工沉降和由于地層擾動引起的固結沉降之和。
3.對鄰近建筑物的影響
對于基礎埋深較淺的建筑物,其基礎四周地層移動的影響可以忽略,僅考慮基礎底部土層變形的影響,且為方便分析,認為底部變形和地表變形一致。其受到的影響主要有以下兩個方面:
3.1地表垂直變形對建筑物的影響
建筑物一般對地面均勻沉降并不敏感,造成建筑物破壞的原因主要是不均勻沉降。地表的沉降差值常導致結構構件受剪扭曲而破壞,尤其框架結構一般對沉降差值比較敏感。地表的傾斜則對底面積小、高度大的建筑物影響較大,其能使高聳建筑物的重心發生偏斜,引起應力重分配;傾斜大時,還會使建筑物的重心落在基礎底面積之外而使其發生折斷或傾倒,但這種情況很少。地表曲率有正、負之分。在地表負曲率的影響下,建筑物基礎猶如一個兩端受支承的梁,中間部分懸空,上部受壓、下部受拉,易使建筑物產生八字形的裂縫;在地表正曲率的影響下,建筑物基礎兩端懸空,上部受拉、下部受壓,易使建筑物產生倒八字形的裂縫。
3.2 地表水平變形對建筑物的影響
地表的水平變形指地表的拉伸和壓縮,它對建筑物的破壞作用很大。建筑物抵抗拉伸的能力遠遠小于抵抗壓縮的能力,在較小的地表拉伸下就能使其產生裂縫,尤其是砌體房屋。
深基礎的建筑物不僅受到基礎底部土層變形的影響,還受到基礎四周地層變形的影響。對于深基礎中的樁基,受到的影響主要有下列三方面:
(l)樁周土沉降引起的負摩阻力導致樁的附加沉降;
(2)土體側向變形引起的樁的側向變形;
(3)當樁底在隧道上方時,樁底土的沉降和土性變化引起樁端承載力的部分或全部喪失而引起樁的沉降。
4.鄰近建筑物破壞模式
4.1上部結構的破壞模式
上部結構的破壞以裂隙的發生與發展為特征,而裂隙的位置與形式則與處于沉降槽的位置有關。根據調查結果,磚石結構等剪切破壞一般有正八字形破壞及反八字形破壞,其中正八字形的裂隙開展模式多發生在沉降槽的下凹段,反八字形多發生在上凸段。
5.結論
地鐵隧道開挖勢必引起土體的沉降及變形,當地表沉降及變形達到一定程度時將對周圍存在的各類建筑物造成影響,從而造成其正常使用功能的喪失。由于地鐵施工多處于市區,地鐵隧道對襯砌、建筑物的內力和變形的要求非常嚴格,因此有必要研究地鐵隧道鄰近建筑物施工時的相互影響作用,同時努力建立起相關的損害評價標準,從而在保證鄰近建筑物整體安全的前
提下,在狹窄的地下空間安全有序的進行地鐵施工。參考文獻:
[1] 卿偉宸,廖紅建,錢春宇.地下隧道施工對相鄰建筑物及地表沉降的影響[J].地下空間與工程學報,20**,l(6):960-963.
[2] 徐永福,陳建山,傅德明.盾構掘進對周圍土體力學性質的影響[J].巖石力學與工程學報,20**,22(7).