城市隧道或地下工程施工对建筑物基础的风险影响研究

【摘要】由于城市隧道或城市地下工程施工引起的地层变形和移动，包括降水的影响，可能会在施工影响范围内对邻近建筑、构造物基础造成沉降和附加应力。假如基础沉降或沉降发生的应力超出允许值，可能会对建筑或基础造成损坏或加剧损坏，影响建筑的正常使用功能，直到发生安全问题，比如结构坍塌。

【关键词】地下工程；基础变形；隧道工程

引言：

隧道等地下工程浅埋开挖法施工过程中常常会遇到建筑、桥梁等结构物的基础，主要是高层建筑或城市高架桥，其中桩基是最常见的。因此，本文主要研究浅埋开挖方法引起的地层移动和变形对桩基的风险影响。

一、浅埋暗挖法施工对建筑物的影响分析

在城市隧道施工影响范围内常常遭遇地下管线、桥桩、建筑物基础等地下构筑物，在地层变形及传递过程中必然与之发生相互作用。

地层移动所引起的变形施加给结构物后，必然引起结构的变形和内力变化，当结构内力超过其强度极限时即发生结构失稳和破坏。由于隧道与结构的相对位置、强度及地层的性质不同，相互作用将出现不同结果，或者地层变形被隔断，或者地层中的结构物遭到一定破坏，进而对周围环境安全造成影响。

在隧道开挖的影响下，建筑物的初始应力平衡状态被破坏，应力状态被重新分配，这是一个动态的相互作用过程。隧道、土壤和建筑物的状态变化密切相关，隧道开挖对建筑物的影响可分为两个阶段。

第一阶段是隧道开挖引起的土壤变形，第二阶段将这种变形应用于建筑物，以分析建筑物的变形和内力变化。

二、浅埋暗挖法施工影响范围及桩基影响类型的判别为了分析建筑、桥梁等结构物受地下工程施工影响的风险，我们应该首先根据结构物基础和地下工程结构之间的空间关系以及浅埋地下工程施工的影响范围来确定桩基是否受地下工程施工影响及其影响类型。然后，根据其影响类型，合理选择浅埋暗挖法对建筑、桥梁等结构物影响的评价方法。

地下工程中结构物基础是否受到浅埋开挖方法的影响主要取决于结构物基础是否在地下工程中浅埋开挖方法的影响范围内。浅埋地下工程开挖的影响范围与隧道开挖的形状和尺寸、隧道深度、工程和水文地质、地层加固和预支撑方法、开挖方法、支撑和衬砌方法以及其他客观条件密切相关。它也受到主观因素的制约，如施工技术和技术水平。此外，开挖的影响范围还与地层是否处于自由状态有关，即表面或地层中是否存在过载和附加刚度，如现有地面结构及其基础、现有地下结构等。[1]

（开挖影响区划分示意图）

如图所示，如果建筑、桥梁等结构物基础不存在，隧道被厚厚的土壤覆盖，并且隧道开挖跨度不大，假设没有提供支撑，隧道将在自由地层中开挖，并且由于土壤的内聚力和内摩擦，将会产生地层拱效应。隧道开挖对地层的影响可分为三个典型区域[2]

区域影响程度

严重影响区断裂面和塌拱边界内的地层发生塌缩或塑性流动轻微影响区裂缝表面和影响边界之间的地层经历弹性变形和运动无影响区在变形影响范围之外，该层仍保持开挖前的状态关于三个典型区域的作用范围，隧道自然拱理论和地层极限平衡理论可以用来判断隧道施工引起的地层破裂面、坍塌拱和变形范围。

一般来说，如果隧道的埋深足够大，隧道开挖的影响边界可能会被限制在地表以下的某个深度。如果地层内部或地面上有额外的载荷，或者如果隧道深度较浅，严重影响区和轻微影响区的面积将会增加，挖掘的影响通常会扩展到地面。

根据地层移动和变形的范围、桩基的长度和相对位置以及浅埋地下开挖引起的相互影响程度，浅埋地下开挖对桩基础的影响分为五类：不受影响桩、长桩、中长桩、短桩和需置换桩：

不受影响桩：所有桩长都在隧道施工的冲击断面范围之外，并且隧道施工的冲击边界不与桩基的承载范围重叠或相交——彼此之间没有影响，因此可以认为隧道施工对桩基础没有影响，也不需要进行风险评估。

长桩：一小部分桩长在地下工程施工的影响范围内，桩尖低于隧道轴线。根据试验研究，长桩墩的沉降与附近地表的沉降不同步，桩的沉降很小。结构物的表面沉降，或者结构物所在结构横截面的最大表面沉降，或者隧道拱顶的沉降只能用作参考控制指标。应根据建筑、桥梁等结构物的上部结构类型确定控制指标，并评估浅埋隧道施工对桩基的影响。

中长桩：大部分桩处于地下施工的影响范围内，桩尖位于隧道轴线上或上方。沉降和变形的影响与长桩相似，但是桩的沉降和变形更大，地层移动和变形对桩基础倾斜的影响更大，因此，中长桩的风险更高。

短桩：所有桩的长度都在地下工程施工的影响范围内。由于桩基础的长度几乎完全在土壤运动和变形区内，桩几乎与地层同步下沉，水平位移相对较小，但桩侧的正摩阻力、负摩阻力和桩端承载力在现阶段仍不确定，这也是目前最难制定标准的情况。结构物表面的沉降和桩基础横截面上的最大沉降可以间接反映桩基础的沉降。

需置换桩：桩位于地下工程的正上方。由于结构物上部荷载和隧道施工引起的地层应力释放的综合作用，地面沉降和桩基础破坏加剧，这可能导致桩基础破坏和隧道顶部坍塌。因此，桩基加固是必要的。[3]

综上所述，根据建筑、桥梁等结构物桩基的类型、与地下工程结构的空间关系、浅埋地下工程施工的影响范围以及桩基与浅埋地下工程施工的相互作用效应，本次提出了浅埋地下工程施工对桥梁桩基的影响类型，并将其分为五类：不受影响桩、长桩、中长桩、短桩和需置换桩。建立了隧道开挖过程中隧道- 土层- 建筑物的动力相互作用系统。隧道与建筑物的相互作用具有动态特性，地层变形是隧道施工对建筑物影响的重要媒介，也是控制隧道穿越施工影响的关键。

参考文献：

[1] 侯艳娟. 城市隧道施工影响下地层与建筑物结构的动态作用关系及其应用[D]. 北京交通大学，2010.

[2] 北京市轨道交通建设管理有限公司，北京交通大学等.《北京地铁施工对桥基、建筑和管线的影响及控制研究》课题研究报告[R].

北京，2007.

[3] 姚宣德. 浅埋暗挖法城市隧道及地下工程施工风险分析与评估[D]. 北京交通大学，2009.