浅析建筑桩基对地铁隧道的影响相关研究

　　摘要：随着大城市交通中的地铁建设大规模建设，特别对于沿海软土地区的地铁隧道与邻近建筑物互相影响目前成为研究热点问题。本文分析了高层建筑桩箱基础对紧邻地铁隧道的影响包括桩基础施工过程对于隧道的影响，以及在建筑物建造过程中荷载不断增加使得周围土体附加应力增加而导致隧道产生附加变形。最后提出隧道盾构推进中需要注意的问题。
　　关键词：建筑桩基，地铁隧道，风险分析
　　
　　目前随着国民经济飞速发展，我国沿海大城市地铁建设规模越来越大，但同时房屋高层化与市政管线密集化的矛盾也日益明显。进行高层房屋及其它大型土木工程的施工，必然会对附近己有建筑物及市政管线设施产生不良的影响，如何在确保工程施工的优质安全与快速的同时，保护邻近建筑物与市政道路、管线等设施的安全与功能完整，是值得研究方向之一[1,2]。本文研究了建筑桩基对地铁隧道的影响，提出隧道盾构推进中需要注意的问题。
　　1桩基基础概述
　　在兴建大型建筑工程时，由于自然地基满足不了承载力及下沉量的设计要求，所以一般都要采用桩基基础。采用桩基础的结构对于周边环境的影响主要包括：(1)施工过程中，若采用挤土桩基础，桩入土排开一定体积的土体，所以必然会扰动附近的土层，改变其应力状态，并对桩区四周一定范围内的己有建构筑物及市政道路、管线等产生各种负面效应。采用打桩施工时，重锤冲击引起的震动还会引起周围土体与结构的强迫振动若采用非挤土桩如钻孔灌注桩基础，其施工过程中很可能产生塌孔等现象，地层损失将导致周围土体应力重新分布；（2）在桩基础施工结束后，在建筑物不断增层的过程中，其荷载通过桩基础不断的向下传递，必将引起周围市政设施，地下结构，管线的附加变形。这些效应若超过允许范围，往往使建筑物发生开裂与倾斜、道路路面损坏、水管爆裂、煤气外泄、通讯中断以及边坡失稳等等一系列环境公害事故。
　　工程建设活动对周围环境的影响问题上海市政部门一直很重视，地铁一号线开通以后即成立了地铁监护室，对营运的地铁线及邻近区域的工程活动进行全面监测和监督，通过对地铁一号线的长期观测发现，自营运以来，沉降普遍较大，在市中心的几个建筑密集区沉降更大，这在某种程度上反映了工程活动，如建筑物沉降带来的影响，对越江隧道也进行了类似监测。对于高层建筑桩基础，由于其沉降量一般较小，对桩基沉降对周围环境影响的问题未予应有重视。实际上桩基沉降的影响范围要比浅基础大，当桩基础周围有对变形比较敏感的设施时，这一问题不可忽视。上海地铁公司根据上海地层特点、隧道结构构造方式并参照国内外经验，制定了如下控制标准：（1）在隧道外侧范围内，不能进行任何工程活动；（2）在隧道两侧30m范围内进行工程活动时应满足如：隧道上方新增附加荷载<20kPa；隧道总位移（垂直、水平位移）不超过20mm；隧道附加曲率半径>15000m；相对曲率<1/2500；由于打桩振动、爆炸产生的震动对隧道引起的峰值速度<2.5cm/s。但是上述标准也仅仅是为在监护工作执行过程中有据可依而指定的一个粗糙的准则，由于地铁周边物业的基础形式与结构形式千差万别，地质状况及与地铁结构的空间位置关系不尽相同，因此随着分析手段的不断发展，监护工作应该逐渐地向着具体问题具体分析的方向发展。
　　2桩基础施工对于周围环境的影响
　　2.1挤土桩土体破坏模式
　　与非挤土桩比较，挤土桩的施工过程对于周边环境的影响更加明显。打设挤土桩过程中，一般持续时间较短，对周围土体而言基本是一个不排水受挤过程，土体将发生垂直隆起和水平位移当桩周土为饱和软土时，将产生相当高的孔隙水压力，土中的有效应力大幅度降低沉桩结束后，孔隙水压力随着时间逐渐消散，即所谓再固结过程，再固结使土体有效应力增长，桩间土面下沉，土体强度恢复，这时桩侧摩阻力减少甚至有时会出现负摩阻力，桩尖端阻力却随之增长。将粘土中打桩的挤土效应分为以下四个方面：桩周土完全重塑或土体结构的部分改变；桩周土的位移及应力状态的改变；桩周土体中超孔隙水压力的产生及其消散；土体强度的长期恢复。
　　2.2挤土效应定量分析方法
　　挤土效应定量分析方法一般研究方法分为理论研究和数值分析。桩施工在引起土体挤压变形的同时，还会造成土体介质中孔隙水压力的积聚与消散。虽然打桩引起的孔隙水压力上升是短暂的，但由于孔隙水压力上升必然导致有效应力降低，故对土体的破坏是无法忽视的。在群桩挤土效应的理论分析方面，目前一般采用将群桩按一定组合进行分区，将每一分区的桩近似为当量单桩，然后按单桩分析群桩的挤土。这种分析方法主要存在以下几个问题：(1)忽略了桩施工的先后次序对桩间上及已施工桩的影响；(2)用当量单桩的远场解代替群桩的近场解，缺乏充分的理论依据；(3)回避了各分区内的单桩施工次序及施工速度的影响。群桩挤土应力、应变及位移场的纯解析方法进展缓慢，从理论推导比较难以实现。
　　在数值分析方面，采用有限单元法进行计算，其中有限单元法己广泛地应用于土木工程中。但由于沉桩问题的复杂性，学者们对其进行有限元模拟时都作了一定的假定。总结如下，首先是基于圆孔扩张理论的有限单元法，沉桩由于在数倍桩径范围内的土体变形是大变形，用圆孔扩张理论很难给出一个大变形情况下的解析解。因此，有些学者利用圆孔扩张理论并结合有限元把沉桩模拟为土体逐渐劈裂，然后扩张到桩径的过程。其次，考虑桩土相互作用力贯入的有限单元法，这种方法允许桩土之间的相对滑动，当桩土接触面上有拉应力时，容许桩土分离。虽然这种方法能够考虑桩土界面的相互作用，但该算法花费机时太多，且很难模拟整个沉桩过程。研究者白己也认为，这种方法是进行理论研究的强有力工具，但不宜应用于实际工程。第三是考虑桩土相互作用及位移贯入的有限单元法，位移贯入法与力贯入法是相对应的，它是通过在桩顶施加位移来实现压桩过程的，能够和实际的压桩情况较为符合，且所用的计算时问短。有限元分析方法在一定程度上能够考虑到土体的本构关系、大变形和桩土的相互作用。但还存在如下问题：符合实际情况的压桩过程；整个桩身范围内的位移场；群桩的挤土效应分析和计算机耗时问题。
　　3桩基础附加沉降计算理论
　　长期以来，建筑物桩基础的设计主要集中在承载力是否满足要求，而对桩基沉降的研究较少，这也是由于桩基础承载的建筑物沉降较小，一般均可满足要求，然而桩基费用高，在许多建筑物中占土建投资的1/3-1/4，于是许多专家学者提出了疏桩基础，并提出沉降控制理论，推动了桩基沉降计算理论的发展。比较常见的有集中计算理论方法有等代基础法，弹性理论法，荷载传递法，剪切位移法和有线单元法。
　　4隧道盾构推进中需要注意的问题
　　（1）根据地面变形监测数据，不断优化调整盾构施工所采用的参数。以使盾构在紧邻古一地块推进中，能随地质、埋深、环境条件变化而动态地、合适地确定施工参数。严格将地面沉降控制在和一范围内。
　　（2）施工过程中，严防盾构开挖面的超挖和欠挖，防止前方土体的坍落或挤密现象，降低地基土横向变形施加于桩基上的横向力。
　　（3）采用同步注浆，减少盾尾通过后隧道外周形成的空隙，减少隧道周围土体松动而影响桩基摩阻力。
　　（4）加强监测包括对建构筑物的变形、沉降的监测，一旦发生较大变形，应及时反馈设计、施工单位以及时调整施工参数。
　　
　　
　　
　　参考文献：
　　[1]陈德发，张文磊.紧贴地铁隧道的建筑深基坑施工技术措施[J],建筑施工，2007，10
　　[2]张宏,冷伍明,肖武权.高层建筑基础施工对邻近隧道影响的监测分析[J],铁道建筑,2008,06