地铁隧道施工对既有建筑物的影响及加固措施

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城市化带动了各个行业的发展，也给地面交通带来了显著的压力。随着城市的发展，地上可利用的土体空间在逐渐减少，而地铁通过对地下空间的合理利用，能够有效缓解城市的交通拥堵问题。但是地铁在修建施工的过程中也会出现一系列的问题，其中较为严重的就是对周围的既有建筑物产生了较严重的影响。通常地铁隧道都修建在城市中较为繁华的地方或者在地标性建筑物附近，地面的建筑物较为密集，管线相对也更为复杂，因而地铁的施工势必会对周围的土体产生扰动和影响，引起周围既有建筑物的沉降、倾斜等变形，使建筑物轻则出现裂缝，重则发生倒塌。因此，针对地铁隧道开挖引起的地表变形，探究其影响机理以及加固措施非常有必要。

1 隧道施工对地层及建筑物的影响

隧道的施工开挖使得周围的土体被扰动，原有的应力平衡状态被打破，较大的变形会引起周围建筑物基础发生位移，引起建筑物的开裂和变形。其中地层的土质是影响变形的关键，土质的优劣能够直接影响建筑物的支撑作用。

1.1 隧道开挖引起的地层变形

隧道施工引发的地表沉降与变形主要可以分为以下四种：（1）因施工引起的地层损失，使地层损失值过大。地层损失值是指隧道实际的开挖体积与竣工后开挖体积的差值。如果在施工的过程中隧道的初支与地层未能紧密结合，再加上未能及时注浆，土体的应力释放就会引发塑性变形。对于富水地层，会引发掌子面漏水，渗水会带走土体中的小土颗粒，使土体中产生较大的孔隙，而周围的土体为了对隧道开挖引起的地层损失进行一定程度的弥补，就会朝着隧道洞室的方向移动。（2）土体的固结沉降作用。土体的扰动会引发土体中新一轮的固结沉降。（3）衬砌支护引发的变形。支护方式选择不合理或者支护强度不足都会引发衬砌变形，同时衬砌还会对周围土体产生反方向的作用力。（4）地层的应力改变引发的沉降变形。隧道在开挖之后出现了临空面，能够为地层的变形提供充足的空间，而原有的应力状态也需要重新进行分布。

1.2 隧道开挖引起地层变形的机理

地铁隧道的施工开挖会对地表的建筑物产生三个方面的变形与位移，分别为垂直方向、水平方向以及地表平面内剪应变。不同方向的变形对建筑物所产生的影响是不同的。其中垂直方向的变形主要分为沉降、曲率、扭曲和倾斜。沉降主要是由于地下水位的变化引起的，地下水位会使地基承载力显著降低，严重影响建筑物的正常使用。倾斜对建筑物稳定性的影响较大，会使建筑物受到偏心荷载的作用，产生附加倾覆力矩。建筑物受地表倾斜影响如图1所示。

图1 建筑物受地表倾斜影响示意图

地表曲率反映地表倾斜的程度，由平面变为曲面时，建筑物自重荷载以及地基反力之间原有的平衡状态就会被破坏，地基反力也会重新分布，建筑外墙也会再次受到弯矩和剪力的作用，建筑物的极限强度一旦大于附加应力，建筑物的结构就会被破坏而产生裂缝。地表的水平变形反映在建筑物上就是拉伸的作用，对于建筑物而言，一般应重点考虑抗压强度，而抗拉强度往往会被忽略，且抗拉强度相对也较小，因此较小的拉伸变形就会导致建筑物的开裂破坏。同时，由于建筑物的左墙与右墙所处的地表位置不在同一区域，使得其受到倾斜的程度也会有所差异，从而导致建筑物产生扭曲变形。地表水平变形破坏如图2所示。

图2 地表水平变形破坏示意图

2 地铁隧道施工中防止既有建筑物变形的加固方法

变形的控制可分为主动控制和被动控制两种类型，其中主动控制法指的是在地铁施工过程中及时根据监测结果对周围的既有建筑物采取加固措施；被动控制变形则是指当地铁施工出现了不良的后果，且建筑物产生了较大的沉降后，需要采取加固和纠偏措施将建筑物调整回规定的桩体。施工的过程中最好采用主动控制变形的方法，及时调整施工的参数，减小对建筑物的扰动，进而控制建筑物的沉降。

2.1 地表施工控制措施

尽可能使地铁的路线远离不良地质区域或者软弱含水层，防止土体产生过大的沉降。施工之前需要先通过数值模拟的手段分析地铁隧道开挖之后产生的变形等，同时在施工的过程中还要及时进行监控量测。确保地铁隧道在开挖过程中保持平衡的手段是维持盾构机内外土体压力稳定，而内外的压力主要是由开挖的速率、土体排除的速度、盾构机所受的阻力等方面的因素决定的。要及时对盾尾进行支护注浆，确保支护管片能够发挥较好的支护作用。此外，还需要减少对开挖地层的扰动，加快施工速度，尽可能让开挖保持连续，防止因盾构机停挖而导致开挖面失稳或者出现过大的沉降。

2.2 建筑物施工控制措施

（1）主动控制措施。主动控制措施主要是根据施工过程中监测的结果来对盾构机的施工参数进行修改，主要包括施工速度以及支护的速度。其主要的施工思路为先根据土质情况、技术规范和施工经验选取初始的施工参数，再根据相应的预测结果和开挖监测数据对施工参数进行调整，通过不断的调整确保施工参数的合理性，进而控制因地铁施工而对周围既有建筑物所造成的影响。

（2）被动控制措施。仅仅通过主动控制措施并不能完全阻止变形，还需要采取被动控制措施对既有建筑物进行加固，常用的措施如下：①基础加大截面加固法。将原有的独立基础改换为条形基础，使其受力更加均匀，减小不均匀沉降。②隔断法。通过设置断墙减少土体变形，断墙主要设置在隧道与盾构机之间，对于施工区域狭小、建筑物密集的区域，应用该方法效果较好。③桩基托换。桩基托换是用指定的桩来代替原来的桩用作建筑物的传力构件，通过这种方法能够使原有的基础有新桩基支撑，进而不受开挖的影响，有效转移荷载。④土体加固。土体加固主要分为两个部分，分别为盾构机周边土体的加固和建筑物地基的加固。一方面，通过提高隧道周边的土体强度与刚度可减少周边土体所发生的扰动；另一方面，可通过增加建筑物的承载力控制变形。⑤锚杆静压桩。将锚杆与静压桩两种技术进行结合，其加固原理为在原基础上埋设锚杆来固定桩架。⑥灌浆加固法。将浆液注入地层，让浆液通过填充、渗透以及挤密的方式使松散的土体形成一整块“结石体”。

3 结束语

综上所述，地铁隧道施工会造成地表之上的既有建筑物发生沉降、曲率、扭曲、倾斜、水平移动、拉伸、压缩等变形，使建筑物出现开裂情况甚至倒塌。隧道开挖引起地表变形主要是因为隧道施工导致地层损失，土体发生固结沉降作用，衬砌支护发生变形。此外，文章还阐述了隧道施工过程中防止地表建筑物下沉的主动控制措施以及被动控制措施，希望能为相关人员提供参考。