隧道施工条件下临近建筑物的保护措施研究

唐春凤 刘炳麟

0 引言

随着中国城市化的进一步深入，城市基础设施建设也迎来了发展高峰期，地铁轨道交通由于其在经济、空间利用等方面的一系列优势，成为各大中型城市公共交通的最佳选择。作为城区地铁建设最主要的施工方法，盾构隧道施工对于已有建筑物的影响不容忽视。诸如北京这样的超大型城市的城区存在着大量的老旧建筑，有些更是历史文物建筑，而要在这些地方进行盾构隧道开挖，必然要考虑施工给这些建筑物带来的影响甚至是危害，这就需要对这些建筑在隧道开挖情况下的保护措施进行研究。

1 导致建筑物破损的原因

大量工程经验表明，盾构隧道开挖会引发周围土体的变形，从而影响临近建筑物的地基基础，间接导致建筑物的变形，当建筑物自身不能抵御变形带来的影响时，建筑物就会发生破损，轻者出现裂缝，重者造成房屋严重倾斜甚至倒塌[3］。上海地铁4号线的涌水流砂事故造成周边建筑物严重倾斜，丧失使用功能，经济损失重大。相关研究表明，盾构隧道开挖过程对土体的影响主要是对原状土造成扰动，使得土体的应力分布、孔隙水压及颗粒排布发生变化，使得土体的性状出现很大的改变，进而导致土层发生变形[1，2］。盾构隧道开挖引起周围土体发生变形的另一个原因是盾构掘进过程中掌子面和盾尾空隙会导致周围土体出现地层损失。

2 保护措施

实际工程中对隧道施工周围的建筑进行保护的措施主要包括盾构施工控制方法和地面保护两种途径。

2.1 盾构施工控制方法

首先选择合理的盾构机型。目前用于在砂土和粘土中进行隧道开挖的盾构机类型主要分为土压平衡盾构和泥水盾构。土压平衡盾构适用于粘土地层条件，当土压平衡盾构在粘土中掘进时，由于粘土的黏性，粘土在传送带传送时连续性比较好，易于控制掌子面的稳定，而当土层中有砂土存在时，土体在传送带上传送的连续性较差，掌子面的稳定不好掌握，易于造成掌子面前方土体出现较大沉降。而泥水盾构通过在刀盘前面设置密封舱并加入泥浆来平衡掌子面前方土体的压力，由于使用泥水处理系统，能够迅速有效的控制开挖面的支护压力，减少地面沉降，因此其对于砂土、粘土都能很好的适应。因此需要根据地质勘察针对不同的地质条件选择合理的盾构机型，这是保证对周围土体较小干扰的先决条件。这里需要注意，由于添加了泥水处理系统，泥水盾构对场地面积要求比较高，相应设备的购置费用也较土压平衡盾构高出很多。因此应在满足土层变形要求的情况下综合考虑各种因素进行选择[4］。

其次是控制盾构机掘进过程中的土层变形。这类方法通过对隧道掘进过程的控制减少带来的周围土体的地层损失，应用比较广泛，对于掌子面前方土体可以通过减少提供支护压力过程所需时间即灵敏地平衡前方土体的压力来达到减少地层损失的目的，对于盾尾空隙导致的地层损失可以通过及时施加衬砌并且严格注浆的方式进行控制。

经验表明，盾构施工控制方法通常情况下效果较好，并且比较经济，对土体扰动小。但在一些比较特殊的条件下，隧道施工控制方法有可能效果不佳或者费用高昂，这就需要考虑在地面上采取措施对结构物进行保护，可以称这些方法为地面保护方法。

2.2 地面保护方法

这类方法按其作用机理主要分成三类:

第一类是阻断隧道开挖对临近建筑物的影响，主要有注浆法、冰冻帷幕法及隔断桩法。这些方法是通过对隧道周围土体进行注浆或者使其孔隙水冻结来加大土体的刚度以及在隧道和结构物之间设置隔断桩来隔断隧道开挖对结构物的影响。不过这几种方法大都在隧道开挖前就对隧道周边土体进行处理，其效果在掘进完成之后才能看到，既有可能低估影响而导致保护措施效果不佳，又有可能高估影响而造成较大浪费。

第二类是通过对结构物的加强来提高其抵抗地层变形的能力，主要通过加强建筑物的结构性或进行桩基托换来抵抗或消除隧道开挖引起的地表差异沉降导致的结构物不均匀沉降。这类方法的缺点和第一类比较相似，不同的是这类方法是在隧道开挖之前直接对结构物进行处理。

第三类是在隧道开挖过程中通过对结构物进行位移补偿而达到消除其差异沉降并降低结构物破坏的可能性。这类措施处理及时、效果显著，近年来受到高度关注，大致有以下两种:

1)对结构物进行顶托补偿结构物的沉降。这种方法的特点是通过在结构物下方添加支撑装置(例如液压千斤顶)，当地表发生不均匀沉降时，通过控制遍布结构物下方的支撑装置来补偿结构物基础的差异沉降，比较适用于基础外露的结构。在巴塞罗那地铁9号线的建设过程中，盾构需要下穿位于主城区交通繁忙的Ronda Litoral高速公路，实践中采用液压千斤顶顶托补偿桥面沉降来保障高速公路的安全[5］。桥周围的地表沉降最大值高达40mm，而桥面最大沉降量大致在5mm左右，而差异沉降更低。可见，液压千斤顶的顶托作用对桥面的沉降补偿效果非常明显。但这种方法主要适用于桥梁等基础外露的结构物，使用范围比较有限。

图1 桥面及地面布置点沉降情况（Schwarz H等，2005[6]）

2)补偿性注浆。这种方法在隧道开挖过程中观测地层和结构物的位移变形，当变形超过限值时在隧道和结构物之间进行注浆来补偿隧道开挖造成的地层损失继而达到保护结构物的效果。这种方法需要在隧道开挖过程中密切监测地表和结构物的位移变形情况。在英国Jubilee延长线隧道掘进过程中，对隧道邻近的历史文物建筑(大本钟)的保护采用补偿性注浆的方法，取得了非常好的效果[6］(见图1)。业主规定施工过程中在距地面55m高度处的倾斜量必须限制在25mm以内。当该处的倾斜量超过15mm时，则立即采用注浆措施补偿不均匀沉降。从图2可以看出采用补偿性注浆倾斜量得到了很好的控制，大本钟最后也安然无恙。

图2 大本钟顶端倾斜量随时间变化曲线（Jardine，2003）

3 结语

介绍了隧道施工过程中对临近建筑物的保护措施，在实际工程中具有一定借鉴意义。实际工程中，应根据保证满足变形要求的前提下进行合理的选择。首先应采取的方法是隧道施工方法，高质量的施工是最有效而且最经济的，必要时辅助以地面保护措施，往往能够起到很好的效果。

[1]易宏伟，孙 钧.盾构施工对软粘土的扰动机理分析[J］.同济大学学报，2000，28(3):277-281.

[2]张庆贺，朱忠隆，杨俊龙，等.盾构推进引起土体扰动理论分析及试验研究[J］.岩石力学与工程学报，1999，18(6):699-703.

[3]张 云，殷宗泽，徐永福.盾构法隧道引起的地表变形分析[J］.岩石力学与工程学报，2002，22(9):388-392.

[4]琚时轩.土压平衡盾构和泥水平衡盾构的特点及适应性分析[J］.工程机械，2007，38(12):20-22，131-132.

[5]Mair R J.Research on tunnel ling-induced Ground movements and their Effects on Buildings-Lessons fromthe Jubilee Line Extension[C］.Response of Buildingsto Excavation-induced Ground movements，Special Publication 201，London，2003:3-26.

[6]Schwarz H，Dimariano A，Gens A，etal.Ground movement Control in the Construction of a Newmetro Line in Barcelona[C］.5th International Conference on Geotechnical Aspects of Underground Construction in Soft Ground，2006:389-394.