分析盾构施工对邻近建筑的影响
摘 要:笔者首先介绍了盾构施工的基本概念,分析了盾构施工对周边地表的影响及原因,最后分析了对邻近建筑物的影响以及邻近建筑破坏模式。
关键词:地铁 盾构施工 邻近建筑 地表沉降 破坏模式
1.盾构法概述
盾构法(shield-drivenTunneling)是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法,具体做法是一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣,并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆,从而不扰动围岩而修筑隧道。盾构法主要用于软弱、复杂等地层的地铁隧道施工。盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗挖隧道施工机械。
盾构技术基本原理:盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工,从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。
2.盾构施工对周边地表的影响及原因分析
由于盾构法施工引起隧道周围地层的松动和沉陷,直观表现为地表沉降,受其影响,隧道附近地区的结构物将产生变形、沉降或变位,以至使结构物机能遭受破损或者破坏。周围结构物的变形从本质上而言也是由于地层变形而引起的,因此,只有控制地层才能更好地控制周围结构物的沉降和变形。
2.1地层沉降的原因
伴随盾构推进一般会发生一定的地基变形,其发生原因可以分为以下几点:
(l)开挖面上的土水压力不平衡导致开挖面失去稳定性。此时,压力舱压力大于开挖面土压力和水压力时出现地基隆起,相反会出现地基沉降。
(2)盾构推进对围岩的扰动。盾构壳板和围岩的摩擦、以及围岩的扰动会引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲线推进时如采用超挖,会使围岩松动的范围变大加大地基的沉降量。
(3)盾尾空隙的发生和壁后注浆的不足。盾构施工必然产生盾尾空隙,这一空隙会引起地基的应力释放而产生弹塑性变形。一般可通过实施壁后注浆来控制,但壁后注浆的材料、注浆时间、位置、压力、注浆量都会影响地基的变形量。
(4)衬砌管片的变形和变位。管片从盾尾脱出后,受到围岩荷载作用发生一些变形或变位,造成地基沉降,但其量一般较小。
(5)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。
2.2地层沉降的机理
由盾构法施工引起的地层损失和经扰动后的土颗粒再固结是形成地面沉降的两个主要因素。
2.2.1土体损失
地层损失一般可分为三类:
第一类正常地层损失。这里排除了各种主观因素的影响,认为操作过程是认真仔细的,完全合乎预定的操作规程,没有任何失误。地层损失的原因全部归结于施工现场的客观条件,如施工地区的地质条件或盾构施工工艺的选择等。
第二类非正常地层损失。这是指由于盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失。如盾构驾驶过程中各类参数设置错误、超挖、压浆不及时等。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特征,然而,一般还可以认为是正常的。
第三类灾害性地层损失。盾构开挖面有突发性急剧流动,甚至形成暴发性的崩塌,引起灾害性的地面沉降。这常是由于盾构施工中遇到水压大、透水性强的颗粒状土的透镜体或遇到地层中的贮水。
2.2.2固结沉降
固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用,对地层产生扰动,使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密。
从理论上讲,盾构法施工引起隧道周围地表沉降是指主固结沉降和次固结沉降及施工沉降(也称瞬时沉降)三者之和。如果不考虑次固结沉降,总沉降应等于地层损失造成的施工沉降和由于地层扰动引起的固结沉降之和。
3.对邻近建筑物的影响
对于基础埋深较浅的建筑物,其基础四周地层移动的影响可以忽略,仅考虑基础底部土层变形的影响,且为方便分析,认为底部变形和地表变形一致。其受到的影响主要有以下两个方面:
3.1地表垂直变形对建筑物的影响
建筑物一般对地面均匀沉降并不敏感,造成建筑物破坏的原因主要是不均匀沉降。地表的沉降差值常导致结构构件受剪扭曲而破坏,尤其框架结构一般对沉降差值比较敏感。地表的倾斜则对底面积小、高度大的建筑物影响较大,其能使高耸建筑物的重心发生偏斜,引起应力重分配;倾斜大时,还会使建筑物的重心落在基础底面积之外而使其发生折断或倾倒,但这种情况很少。地表曲率有正、负之分。在地表负曲率的影响下,建筑物基础犹如一个两端受支承的梁,中间部分悬空,上部受压、下部受拉,易使建筑物产生八字形的裂缝;在地表正曲率的影响下,建筑物基础两端悬空,上部受拉、下部受压,易使建筑物产生倒八字形的裂缝。
3.2 地表水平变形对建筑物的影响
地表的水平变形指地表的拉伸和压缩,它对建筑物的破坏作用很大。建筑物抵抗拉伸的能力远远小于抵抗压缩的能力,在较小的地表拉伸下就能使其产生裂缝,尤其是砌体房屋。
深基础的建筑物不仅受到基础底部土层变形的影响,还受到基础四周地层变形的影响。对于深基础中的桩基,受到的影响主要有下列三方面:
(l)桩周土沉降引起的负摩阻力导致桩的附加沉降;
(2)土体侧向变形引起的桩的侧向变形;
(3)当桩底在隧道上方时,桩底土的沉降和土性变化引起桩端承载力的部分或全部丧失而引起桩的沉降。
4.邻近建筑物破坏模式
4.1上部结构的破坏模式
上部结构的破坏以裂隙的发生与发展为特征,而裂隙的位置与形式则与处于沉降槽的位置有关。根据调查结果,砖石结构等剪切破坏一般有正八字形破坏及反八字形破坏,其中正八字形的裂隙开展模式多发生在沉降槽的下凹段,反八字形多发生在上凸段。
5.结论
地铁隧道开挖势必引起土体的沉降及变形,当地表沉降及变形达到一定程度时将对周围存在的各类建筑物造成影响,从而造成其正常使用功能的丧失。由于地铁施工多处于市区,地铁隧道对衬砌、建筑物的内力和变形的要求非常严格,因此有必要研究地铁隧道邻近建筑物施工时的相互影响作用,同时努力建立起相关的损害评价标准,从而在保证邻近建筑物整体安全的前
提下,在狭窄的地下空间安全有序的进行地铁施工。参考文献:
[1] 卿伟宸,廖红建,钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响[J].地下空间与工程学报,20**,l(6):960-963.
[2] 徐永福,陈建山,傅德明.盾构掘进对周围土体力学性质的影响[J].岩石力学与工程学报,20**,22(7).
篇2：四种地铁盾构施工工法
四种地铁盾构施工工法
工法之一：土压平衡盾构施工工法
1、特点
1.1 盾构施工为多工序程序化作业，其自动化程度高，施工速度快、质量好、安全性高。
1.2 盾构掘进不需降水辅助施工，且管片属工厂预制，有利于环境保护和减少施工对城市正常生活秩序的干扰。
1.3 通过建立并保持密封仓内土压与开挖面水土压力的动态平衡，减少了施工对土层的扰动，工作面稳定，能有效地控制地表隆陷。
1.4 与泥水盾构工法相比，其所需场地面积小，施工成本低。
2、工艺原理
土压平衡式盾构机的工作原理是随着盾构机的推进，刀盘切削下来的土体进入密封仓，利用该部分土体使仓内维持适当压力，使之与开挖面水土压力相平衡。同时，通过螺旋输送机及其排土阀门等排土机构的控制，实现排土量与盾构推进量的匹配，形成盾构推进的同时保持开挖面稳定的动态平衡。
3、应用实例
北京地铁四号线角门北路站～北京南站区间工程，作为北京地铁四号线工程一部分。整个工程自南四环马家楼，向北沿终至龙背村，线路全长28.14km，共设24座车站。其中角门北路站～北京南站区间盾构法施工隧道长：2392.922m（见图3所示），其中左线长：1161.488m，右线长：1231.434m。
区间管片外径6000mm，内径5400mm，宽1200mm，每环6块。隧道埋深约10～17m，线路最小水平曲线半径350m，最大水平曲线半径600m，线间距12～21.49m；最小竖曲线半径3000 m，最大竖曲线半径5000m；区间线路纵坡成“V”字形，角门北路站位于纵坡最大坡度2‰上坡段，出站后区间线路以15‰的坡率下坡，至最低点后左右线分别以6.863‰和6.906‰的坡率上坡，北京南站位于纵坡2‰上坡段。
工法之二：小半径曲线段盾构始发施工工法
1、特点
1.1 纠偏能力强，轴线控制好。
1.2 能利用CAD软件进行纠偏曲线拟合，清晰直观，预控性强。
1.3 能最大限度利用了始发空间和盾构机本身的纠偏能力。
1.4 始发阶段超挖范围少，节省成本，有利于地表沉降控制。
2、工艺原理
盾构机在始发机座上不能开铰接和采用分区油压差来进行曲线纠偏，只能直线推进，因而小半径曲线段盾构机始发主要是通过对盾构机始发轴线向曲线内侧的旋转和偏移，在始发段盾构机长度范围内直线推进，过该直线段后用比设计转弯半径小的实际推进曲线来拟合设计曲线，充分利用盾构机自身的纠偏设计如超挖刀、铰接、分区油压差等，再加上合理的管片选型来保证实际推进曲线与设计曲线偏差在规范允许的范围内。
3、应用实例
北京地铁四号线工程角门北路站-北京南站盾构区间右线于20**年9月10日开工。设计里程：右K2+446.318-右K3+778.224，全长1382.858 m，其中盾构法区间长度为1231.434m，在K3+635.000处设盾构始发竖井。盾构法区间隧道设计断面形式为圆形，外径为6.0米，内径5.4米。本区间隧道轨顶设计标高为17.75m -25.00m，隧道结构顶标高为22.75m-30.0m，隧道结构底标高为16.75m-24.00m，隧道埋深约为16.0-23.5m，覆土厚度约为10.0m-17.5m，盾构机在设计线路为半径350m的圆曲线上始发。如下图所示。
工法之三：地面工作井盾构刀盘修复及换刀工法
1、特点
1.1 施工中基本不使用土体加固等辅助施工措施，节省进舱技术措施费，并对环境无污染。
1.2 有利于施工过程中通风换气，便于刀盘修复及刀具更换的焊接作业。
1.3 刀盘修复和刀具更换时，作业人员处于工作井内，安全可靠性好。
1.4 工作井占地面积小，对周边环境影响小。
1.5 换刀作业期间，只需少量排出盾构土仓内的渣土，有利于保持盾构前方掌子面的稳定。
1.6 工作井采用简易可靠的圆形结构，施工速度快，成本低。
2、工艺原理
地面工作井法刀盘修复及刀具更换的工作原理，就是从地面在盾构刀盘正上方施工工作井，工作井一般为净空1.5米的圆形结构；作业人员通过工作井到达盾构刀盘，对刀盘及刀具的磨损情况进行检查，制定针对性强的修复方案，在工作井内对刀盘进行修复和对刀具进行更换。由于工作井远小于盾构的刀盘，采取小角度转动刀盘的方法，实现对全部刀盘和刀具的检查、修复和更换。刀盘和刀具修复和更换完成后，回填工作井，恢复盾构掘进作业。
3、应用实例
本次盾构刀具修复及更换施工位于北京地铁四号线角门北路站～北京南站区间万芳亭公园内，左线工作井位置位于区间历程K2+946.77，隧道埋深16.941m；右线工作井位置位于区间历程K3+045.152，隧道埋深16.572m。根据现场勘探、原位测试及室内土工试验成果，换刀位置地层为全断面砂卵石地层，隧道下方处于层间潜水层，在成孔深度内无地下水影响，为此不考虑地下水对工作井施工影响。工作井开挖直径为1500mm，深度18m，工作井护壁厚度采用150mm，工作井护壁用C25混凝土浇注。
工法之四：盾构始发与到达掘进端头高压旋喷桩加固土体施工工法
1、特点
1.1 盾构始发与到达掘进端头土体高压旋喷桩加固与一般地基加固、建筑物纠偏等高压旋喷注浆施工不同，盾构端头土体高压旋喷桩加固主要是对端头一定范围内的土体进行改良，使土体的抗剪、抗压强度适当提高，透水性减弱，能保持短时间的自稳。
1.2经高压旋喷桩加固后的土体单轴无侧限抗压强度以0.3～1.0MPa为宜，太高则盾构机刀盘切土困难，易引起机器故障。
1.3 高压旋喷桩施工设备简单、轻便，结构紧凑、机动性强、占地少，适合地铁工程施工场地狭小的特点。
1.4 盾构始发与到达掘进端头高压旋喷桩所形成的土体与其它加固方法如注浆法、冻结法等工法所形成的加固土体相比，质量均匀、加固体形状可控，有利于始发与到达时盾构机各项参数的稳定控制；
2、工艺原理
盾构机始发与到达端头土体高压旋喷桩加固是在地表利用工程钻机钻孔至要求深度后，用高压旋喷台车把安有水平喷嘴的注浆管下到设计标高，利用高压设备使喷嘴以一定的压力（一般大于20MPa）把浆液喷射出去，高压射流冲击切割土体，使一定范围内的土体结构破坏，浆
液与土体搅拌混合固化，随着注浆管的旋转和提升而形成圆柱形桩体，凝固后便在土体中形成圆柱形状、有一定强度、相邻桩体相互咬合成一体的固结体，该固结体有一定的抗剪与抗压强度，能保持一定的自稳性。3、应用实例
北京地铁四号线工程角门北路站－北京南站区间、北京南站－陶然亭站区间位于北京市丰台区与宣武区交界处从万芳亭公园至陶然亭公园段，于20**年1月1日开工。两区间段采用盾构法及暗挖法施工，其中盾构区间总长4319m，暗挖区间总长1217m。角门北路站～北京南站盾构区间段采用盾构井始发，车站接收；北京南站～陶然亭站盾构区间段采用盾构井始发，盾构接收井接收。两区间段共施工始发及接收竖井6个，端头土体高压旋喷桩加固6个小分段。
篇3：分析盾构施工对邻近建筑影响
分析盾构施工对邻近建筑的影响
摘 要:笔者首先介绍了盾构施工的基本概念,分析了盾构施工对周边地表的影响及原因,最后分析了对邻近建筑物的影响以及邻近建筑破坏模式。
关键词:地铁 盾构施工 邻近建筑 地表沉降 破坏模式
1.盾构法概述
盾构法(shield-drivenTunneling)是利用盾构机在地面以下暗挖隧道的一种施工方法,具体做法是一边控制开挖面及围岩不发生坍塌失稳,一边进行隧道掘进、出渣,并在机内拼装管片形成衬砌、实施壁后注浆,从而不扰动围岩而修筑隧道。盾构法主要用于软弱、复杂等地层的地铁隧道施工。盾构机是一种集开挖、支护、推进、衬砌等多种作业功能于一体的大型暗挖隧道施工机械。
盾构技术基本原理:盾构施工的主要原理就是尽可能在不扰动围岩的前提下完成施工,从而最大限度地减少对地面建筑物及地基内埋设物的影响。
2.盾构施工对周边地表的影响及原因分析
由于盾构法施工引起隧道周围地层的松动和沉陷,直观表现为地表沉降,受其影响,隧道附近地区的结构物将产生变形、沉降或变位,以至使结构物机能遭受破损或者破坏。周围结构物的变形从本质上而言也是由于地层变形而引起的,因此,只有控制地层才能更好地控制周围结构物的沉降和变形。
2.1地层沉降的原因
伴随盾构推进一般会发生一定的地基变形,其发生原因可以分为以下几点:
(l)开挖面上的土水压力不平衡导致开挖面失去稳定性。此时,压力舱压力大于开挖面土压力和水压力时出现地基隆起,相反会出现地基沉降。
(2)盾构推进对围岩的扰动。盾构壳板和围岩的摩擦、以及围岩的扰动会引起地基隆起和沉降。尤其在蛇曲修正、曲线推进时如采用超挖,会使围岩松动的范围变大加大地基的沉降量。
(3)盾尾空隙的发生和壁后注浆的不足。盾构施工必然产生盾尾空隙,这一空隙会引起地基的应力释放而产生弹塑性变形。一般可通过实施壁后注浆来控制,但壁后注浆的材料、注浆时间、位置、压力、注浆量都会影响地基的变形量。
(4)衬砌管片的变形和变位。管片从盾尾脱出后,受到围岩荷载作用发生一些变形或变位,造成地基沉降,但其量一般较小。
(5)地下水位下降。由于漏水或降水引起的地基沉降。
2.2地层沉降的机理
由盾构法施工引起的地层损失和经扰动后的土颗粒再固结是形成地面沉降的两个主要因素。
2.2.1土体损失
地层损失一般可分为三类:
第一类正常地层损失。这里排除了各种主观因素的影响,认为操作过程是认真仔细的,完全合乎预定的操作规程,没有任何失误。地层损失的原因全部归结于施工现场的客观条件,如施工地区的地质条件或盾构施工工艺的选择等。
第二类非正常地层损失。这是指由于盾构施工过程中操作失误而引起的地层损失。如盾构驾驶过程中各类参数设置错误、超挖、压浆不及时等。非正常地层损失引起的地面沉降有局部变化的特征,然而,一般还可以认为是正常的。
第三类灾害性地层损失。盾构开挖面有突发性急剧流动,甚至形成暴发性的崩塌,引起灾害性的地面沉降。这常是由于盾构施工中遇到水压大、透水性强的颗粒状土的透镜体或遇到地层中的贮水。
2.2.2固结沉降
固结沉降可分为主固结沉降和次固结沉降。由于盾构推进过程中的挤压、超挖和盾尾的压浆作用,对地层产生扰动,使隧道周围地层产生正、负超孔隙水压力。主固结沉降为超孔隙水压力消散引起的土层压密。
从理论上讲,盾构法施工引起隧道周围地表沉降是指主固结沉降和次固结沉降及施工沉降(也称瞬时沉降)三者之和。如果不考虑次固结沉降,总沉降应等于地层损失造成的施工沉降和由于地层扰动引起的固结沉降之和。
3.对邻近建筑物的影响
对于基础埋深较浅的建筑物,其基础四周地层移动的影响可以忽略,仅考虑基础底部土层变形的影响,且为方便分析,认为底部变形和地表变形一致。其受到的影响主要有以下两个方面:
3.1地表垂直变形对建筑物的影响
建筑物一般对地面均匀沉降并不敏感,造成建筑物破坏的原因主要是不均匀沉降。地表的沉降差值常导致结构构件受剪扭曲而破坏,尤其框架结构一般对沉降差值比较敏感。地表的倾斜则对底面积小、高度大的建筑物影响较大,其能使高耸建筑物的重心发生偏斜,引起应力重分配;倾斜大时,还会使建筑物的重心落在基础底面积之外而使其发生折断或倾倒,但这种情况很少。地表曲率有正、负之分。在地表负曲率的影响下,建筑物基础犹如一个两端受支承的梁,中间部分悬空,上部受压、下部受拉,易使建筑物产生八字形的裂缝;在地表正曲率的影响下,建筑物基础两端悬空,上部受拉、下部受压,易使建筑物产生倒八字形的裂缝。
3.2 地表水平变形对建筑物的影响
地表的水平变形指地表的拉伸和压缩,它对建筑物的破坏作用很大。建筑物抵抗拉伸的能力远远小于抵抗压缩的能力,在较小的地表拉伸下就能使其产生裂缝,尤其是砌体房屋。
深基础的建筑物不仅受到基础底部土层变形的影响,还受到基础四周地层变形的影响。对于深基础中的桩基,受到的影响主要有下列三方面:
(l)桩周土沉降引起的负摩阻力导致桩的附加沉降;
(2)土体侧向变形引起的桩的侧向变形;
(3)当桩底在隧道上方时,桩底土的沉降和土性变化引起桩端承载力的部分或全部丧失而引起桩的沉降。
4.邻近建筑物破坏模式
4.1上部结构的破坏模式
上部结构的破坏以裂隙的发生与发展为特征,而裂隙的位置与形式则与处于沉降槽的位置有关。根据调查结果,砖石结构等剪切破坏一般有正八字形破坏及反八字形破坏,其中正八字形的裂隙开展模式多发生在沉降槽的下凹段,反八字形多发生在上凸段。
5.结论
地铁隧道开挖势必引起土体的沉降及变形,当地表沉降及变形达到一定程度时将对周围存在的各类建筑物造成影响,从而造成其正常使用功能的丧失。由于地铁施工多处于市区,地铁隧道对衬砌、建筑物的内力和变形的要求非常严格,因此有必要研究地铁隧道邻近建筑物施工时的相互影响作用,同时努力建立起相关的损害评价标准,从而在保证邻近建筑物整体安全的前
提下,在狭窄的地下空间安全有序的进行地铁施工。参考文献:
[1] 卿伟宸,廖红建,钱春宇.地下隧道施工对相邻建筑物及地表沉降的影响[J].地下空间与工程学报,20**,l(6):960-963.
[2] 徐永福,陈建山,傅德明.盾构掘进对周围土体力学性质的影响[J].岩石力学与工程学报,20**,22(7).