地鐵施工中鄰近建筑物的安全風險管理
1前言
21世紀初是城市地下鐵道、各種隧道工程以及地下空間工程大發(fā)展的重要時期。為解決城市交通、停車、貿(mào)易、通訊、供水以及供電等工程項目占地的重大難題，人們將大力開發(fā)利用地下空間[1]。隨著城市建設(shè)的發(fā)展，在市區(qū)修筑地下工程，尤其是在地面建筑密集、地下管線復(fù)雜的城市中心地區(qū)，地鐵施工引起的地面沉陷將有可能危及周圍建筑物的安全。因此，必須對地鐵施工進行安全管理。在施工前必須清楚地掌握工程沿線建筑物的構(gòu)造、型式、年代、使用狀況等情況，對工前建筑物進行評估，確定建筑物的已有的變形以及抵抗剩余變形的能力。其次在施工過程中進行監(jiān)控量測，并根據(jù)評價指標進行判斷，對建筑物進行評估。這樣可以對城市地下工程施工對建筑物影響的問題，做出比較合理的技術(shù)決策和現(xiàn)場應(yīng)變措施。最后對建筑物工后進行評估。
目前國內(nèi)外在對地鐵施工對建筑物的影響評估時有不少文獻資料，國內(nèi)文獻[4－6]對地鐵施工對建筑物的影響以及對建筑物采取的保護措施進行了描述，都是以個案的形式出現(xiàn)，并沒有系統(tǒng)地介紹怎么進行建筑物的安全風險評估，并且對于建筑物在地鐵施工過程中到底還能承受多大的剩余變形（即建筑物的現(xiàn)狀評估），基本上都沒有涉及到。因此，本文針對上述幾點，從地鐵施工對建筑物產(chǎn)生影響以及管理方面提出建筑物的安全風險評估步驟，以便對其他類似工程提供參考和借鑒。
2建筑物施工安全風險評估
在地鐵施工過程中，由于地層的擾動，必然會對地鐵結(jié)構(gòu)周圍的建筑物產(chǎn)生一定程度的影響。為了確保地鐵施工期間建筑物的安全使用，必須對建筑物的現(xiàn)狀進行調(diào)查和評估，預(yù)測地鐵施工對建筑物產(chǎn)生的影響范圍和程度，及時采取相應(yīng)得處理措施，才能使地鐵施工在保證建筑物正常運營的前提下得以安全有序地進行。為此，應(yīng)開展以下5個方面的工作：①建筑物資料的調(diào)查；②建筑物現(xiàn)狀評估；③地鐵施工對鄰近地層和建筑物的影響與預(yù)測；④地鐵施工沉降控制標準的制定；⑤地鐵施工過程管理和控制程序的制定，其總的流程圖見圖1。
2.1建筑物資料調(diào)查
資料調(diào)查的目的是確切地掌握建筑物的實際數(shù)據(jù)及其與地鐵結(jié)構(gòu)之間的空間位置關(guān)系。資料的調(diào)查包括如下方面。
2.1.1與建筑物相關(guān)資料的調(diào)查
與建筑物相關(guān)的調(diào)查資料主要包括：原設(shè)計圖和竣工圖、工程地質(zhì)報告（對于以前沒有或缺少的資料，必要時須進行補勘）、歷次加固和改造設(shè)計圖、事故處理報告、竣工驗收文件和檢查觀測記錄；原始施工情況（原始施工資料）；建筑物的使用條件；根據(jù)已有的資料與實物進行初步核對、檢查和分析。
2.1.2與地鐵結(jié)構(gòu)相關(guān)的資料的調(diào)查
與地鐵結(jié)構(gòu)相關(guān)的資料調(diào)查主要包括：平面布置圖；施工區(qū)地質(zhì)資料圖；設(shè)計資料，包括車站的縱橫斷面形式與尺寸等；與建筑物的位置關(guān)系圖；結(jié)構(gòu)材料性能和幾何參數(shù)的檢測和分析，結(jié)構(gòu)構(gòu)件的計算分析、現(xiàn)場實測，必要時進行結(jié)構(gòu)檢驗。
2.2建筑物現(xiàn)狀評估
為了解地鐵施工前建筑物的當前工作狀態(tài)，并為地鐵施工過程中地面沉降（傾斜）控制標準和施工技術(shù)方案的制定提供依據(jù)，應(yīng)對工程影響范圍內(nèi)的建筑物進行現(xiàn)狀評估。評估的目的在于：①準確判斷建筑物的危險程度，及時對建筑物進行治理和加固，確保使用安全；②通過檢測及分析，評估建筑物當前的工作狀態(tài)和抵抗附加變形的能力；③為制定建筑物附加變形（如沉降、差異沉降、水平位移以及傾斜等）的極限控制值提供依據(jù)。
2.2.1評估范圍
根據(jù)地鐵施工的影響范圍以及建筑物在地鐵施工過程中可能遭受的破壞，確定被評估的建筑物，對于區(qū)間隧道，原則上為隧道中線左右各30m范圍內(nèi)的建筑物；對于車站，車站中線左右各50m范圍內(nèi)的建筑物均應(yīng)進行評估。對于每一幢建筑物，應(yīng)根據(jù)建筑物與地鐵結(jié)構(gòu)的位置關(guān)系，建筑物的性質(zhì)、基礎(chǔ)形式、建筑物的重要性等各個方面，進行綜合判斷，確定該建筑物是否應(yīng)進行安全現(xiàn)狀的評估。
2.2.2評估內(nèi)容
（1）建筑物安全性的評估
建筑物安全性評估內(nèi)容包括4部分：地基基礎(chǔ)、上部結(jié)構(gòu)承載力的驗算及評估；結(jié)構(gòu)變形；裂縫；構(gòu)造與連接。根據(jù)建筑物安全性鑒定的相關(guān)規(guī)范、規(guī)程判斷建筑物的現(xiàn)有安全等級。
（2）建筑物沉降的控制值
根據(jù)建筑物的工前沉降（或差異沉降），驗算建筑物結(jié)構(gòu)的承載能力以及剩余承載能力，最后確定建筑物的剩余變形能力（沉降或差異沉降）。對于特殊性質(zhì)的建筑物，如獨立柱基的木結(jié)構(gòu)建筑物，除了要確定每個柱基的沉降控制值外，還應(yīng)確定其相鄰柱基之間的水平位移（或相對水平位移）的控制值。
2.2.3評估方法
（1）基礎(chǔ)既有沉降的估算
推算基礎(chǔ)工前沉降（或差異沉降），采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》（gbj7-89），并配合基礎(chǔ)的測量方法，對建筑物進行傾斜測量，推算建筑物的工前差異沉降；
（2）建筑物既有承載力的估算
根據(jù)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的沉降（或差異沉降）值及木結(jié)構(gòu)建筑物分別進行簡化計算。
①一般建筑物結(jié)構(gòu)簡化計算模型
對一般建筑物的破壞進行了評估可以采用簡化的方法，將建筑物簡化成為在集中荷載力作用下的理想的跨度為l，高度為h的梁的變形，這也是目前最為廣泛使用的一種評估方法，具體可參考文獻[2]。
②木結(jié)構(gòu)建筑物簡化計算模型
木結(jié)構(gòu)建筑物結(jié)構(gòu)荷載的計算不同于前面的一般建筑物計算，它應(yīng)借助于現(xiàn)有的一些結(jié)構(gòu)分析軟件進行計算。在建立柱基礎(chǔ)的沉降量、水平位移量與結(jié)構(gòu)受力變形之間的關(guān)系時，也應(yīng)當對木結(jié)構(gòu)建筑物進行簡化，具體可參考文獻[3]。
根據(jù)對建筑物上部結(jié)構(gòu)承載力的分析，評估結(jié)構(gòu)的抗變形能力。在結(jié)構(gòu)檢測、材料退化評估、基礎(chǔ)工前沉降和承載力估算、上部結(jié)構(gòu)承載和變形的基礎(chǔ)上，制定地鐵施工前剩余沉降（差異沉降）的建議值，同時還應(yīng)確定其相鄰柱基之間的水平位移（或相對水平位移）的控制值。
2.3地鐵施工地表沉降（水平位移）預(yù)測
2.3.1施工降水的影響
根據(jù)地質(zhì)勘察資料，在施工降水時，應(yīng)考慮到當前最不利的水位降深位置；同時應(yīng)考慮采用哪種降水方案會產(chǎn)生較小的地面沉降；估計因降水導(dǎo)致地層有效應(yīng)力增加而帶來的最不利的地層沉降值。對于因施工降水造成的沉降值可以參考文獻[1]。
如果地鐵結(jié)構(gòu)鄰近有風險很大的建筑物，并且降水可能會對建筑物產(chǎn)生較大的影響時，應(yīng)進行專項降水方案的設(shè)計。
2.3.2暗挖施工過程的影響
采用三維數(shù)值模型，模擬在某一施工工法下的施工過程，分析對鄰近地層和建筑物柱基的影響方式；利用已有的實測數(shù)據(jù)“標定”數(shù)值模型（確定模型計算參數(shù)）；然后利用“標定”的數(shù)值模型預(yù)測后續(xù)施工工序?qū)ㄖ锍两档挠绊懰健?/p>
2.4制定地表沉降控制標準
對于地表沉降的控制標準，目前國內(nèi)還沒有一個完全的統(tǒng)一標準，但無論是設(shè)計單位、還是施工單位，都有一個不成文的規(guī)定，即在淺埋暗挖地鐵施工過程中，地表沉降值控制在30mm以內(nèi)。實際上，通過我們對北京地鐵5號線12個淺埋暗挖區(qū)間、7個淺埋暗挖車站的地表沉降值的統(tǒng)計分析，地表沉降值遠遠大于30mm（如北京地鐵5號線蒲黃榆車站，多數(shù)地表測點沉降值超過200mm），但周圍建筑物均未出現(xiàn)危險。因此對于地表沉降控制標準的問題，應(yīng)根據(jù)地鐵施工范圍內(nèi)的環(huán)境進行分析。
隧道開挖完全要求建筑物不出現(xiàn)沉降、變形和裂縫等幾乎是不可能的，只是其大小而已。問題的關(guān)鍵在于如何將其控制在容許范圍之內(nèi)。對此，有關(guān)設(shè)計規(guī)范做出了具體的規(guī)定[7]。由于地基不均勻等因素產(chǎn)生的變形，對于砌體承重結(jié)構(gòu)應(yīng)有局部傾斜控制，砌體承重結(jié)構(gòu)沿縱墻6～10m內(nèi)基礎(chǔ)兩點的沉降差與其距離的比值：對中、低壓縮性土為0.002，對高壓縮性土為0.003；對于框架結(jié)構(gòu)和單層排架結(jié)構(gòu)應(yīng)有相鄰柱基的沉降差控制，單層排架結(jié)構(gòu)（柱距為6m）柱基的沉降量為200mm，框架結(jié)構(gòu)對中、低壓縮性土的沉降差為0.002l，對高壓縮性土的沉降差為0.003l（l為相鄰柱基的中心距離）；對于多層或高層建筑或高聳結(jié)構(gòu)應(yīng)有傾斜值控制，見表1和表2；必要時還應(yīng)控制平均沉降量，對于體型簡單的高層建筑基礎(chǔ)的平均沉降量的限制為200mm。
2.4.1制定沉降控制標準的依據(jù)
（1）國家、部委、地方政府部門所頒發(fā)的有關(guān)技術(shù)標準、規(guī)范、規(guī)程；
（2）各區(qū)間、車站的設(shè)計、施工資料（含變更設(shè)計、施工資料）；
（3）房屋安全鑒定部門對于建筑物外觀檢測及結(jié)構(gòu)初評的鑒定報告；
（4）地鐵施工對鄰近建筑物影響的數(shù)值計算及分析預(yù)測報告；
（5）國內(nèi)外類似工程情況下施工經(jīng)驗的參照和借鑒；
（6）其他相關(guān)規(guī)范、規(guī)程及文件。
2.4.2制定沉降控制標準的原則
對于同一幢建筑物，由于其結(jié)構(gòu)的各個部分相對于地鐵結(jié)構(gòu)的空間位置來說時不同的，在制定地面沉降控制標準時，可根據(jù)結(jié)構(gòu)的不同部位的要求分別制定地面沉降控制標準，而對于建筑物結(jié)構(gòu)的不同部位，不必按照統(tǒng)一的沉降控制標準來控制。因此可按照分區(qū)、分級、分階段制定沉降（或差異沉降或水平位移）的控制標準。
分區(qū)：是指依據(jù)建筑物上部結(jié)構(gòu)的不同形式，采用不同的控制指標；
分級：根據(jù)建筑物的危險程度將建筑物保護等級統(tǒng)一劃分為不同的保護等級；
分階段：是指將建筑物暗挖法施工過程劃分為幾個主要的施工階段，對于每個階段，提出階段控制指標。
對分區(qū)、分級、分階段的詳細說明應(yīng)根據(jù)建筑物的具體的性質(zhì)，基礎(chǔ)形式、建筑物的位置等進行綜合分析。
2.4.3建議控制標準
根據(jù)以上分析，建議按四個方面制定控制標準：
（1）沉降（如建筑物為樁基礎(chǔ)和木結(jié)構(gòu)，則應(yīng)包括單樁（柱）的沉降）；
（2）沉降速率（如建筑物為樁基礎(chǔ)和木結(jié)構(gòu)，則應(yīng)包括單樁（柱）的沉降）；
（3）垂直施工方向相鄰基礎(chǔ)之間的差異沉降；
（4）順地鐵施工向相鄰基礎(chǔ)之間的差異沉降。
3建筑物風險控制措施
3.1施工過程監(jiān)測
監(jiān)控量測是地下工程信息化設(shè)計、施工必不可少的手段。由于地鐵施工，必然會對其周圍影響范圍內(nèi)的建筑物產(chǎn)生影響，導(dǎo)致建筑物出現(xiàn)裂縫、傾斜、甚至倒塌。因此，應(yīng)將建筑物的監(jiān)控量測作為一個重要的工序納入到建筑物的風險評估中。
在地鐵施工過程中，必須對土建施工影響實施全過程進行監(jiān)測、及時提供監(jiān)測信息和預(yù)報，以便評估地鐵施工對建筑物的影響程度，預(yù)報可能發(fā)生的安全隱患。在監(jiān)測過程中，對各監(jiān)測項目的監(jiān)測值可采用預(yù)警值、報警值、極限值三個等級進行控制：
（1）預(yù)警值是在保證建筑物不產(chǎn)生破壞的前提下所能達到的最大差異沉降值，上述每一指標的預(yù)警值取為極限值的60%；
（2）報警值是指當沉降過大或過快接近控制值時，采取必要措施和手段進行預(yù)防，上述每一指標的報警值取為極限值的80%；
（3）極限值是指施工過程中所能到達的最大的沉降（或差異沉降、水平位移）控制值，超過這個值，建筑物結(jié)構(gòu)發(fā)生破壞。在上述每一指標中的任意一個到達或接近極限值時，應(yīng)立即停止施工，報專家組進行論證分析，確定具體措施；
（4）當上述每一指標小于預(yù)警值時，施工可順利進行；
（5）當上述每一指標中的任意一個超過預(yù)警值時，應(yīng)及時制定和采取必要措施減小沉降（或差異沉降）；
（6）當上述每一指標中的任意一個超過報警值時，應(yīng)及時組織專家組進行論證分析，并采取相應(yīng)防護措施進行防護，確保建筑物結(jié)構(gòu)安全。如果地鐵結(jié)構(gòu)鄰近有風險很大的建筑物，應(yīng)對該建筑物進行專項監(jiān)控量測方案的設(shè)計。
3.2施工過程控制
在前面的分析中，確定了各個柱基的沉降（水平位移）控制標準以后，先選擇最優(yōu)的施工工法及輔助施工工法，在確定了最優(yōu)的施工工法或輔助工法的基礎(chǔ)上，進行施工過程的沉降控制，保證沉降在控制范圍之內(nèi)。
（1）施工工法的優(yōu)化
選擇幾種可行的施工工法（包括對現(xiàn)有的設(shè)計單位提出的施工工法）進行數(shù)值模擬計算，確定最佳的施工工法；在需要增加輔助措施時，還應(yīng)確定最佳的輔助工法。
（2）施工過程沉降控制
施工過程沉降控制的應(yīng)用在于嚴格控制每一施工步序的地表沉降值或水平位移值，從而最終到達控制地表的整個沉降值和水平位移值在控制標準內(nèi)，其步驟是：
（1）依據(jù)現(xiàn)場調(diào)查、工程經(jīng)驗，參考計算分析，在滿足建筑物的結(jié)構(gòu)承載力的前提下，綜合考慮經(jīng)濟技術(shù)指標，確定施工過程中控制參數(shù)的總的控制指標；
（2）在此基礎(chǔ)上，結(jié)合前面的施工工法，確定每道工序的控制目標。依據(jù)以往經(jīng)驗，結(jié)合理論、數(shù)值計算，給出每步控制標準；
（3）在施工過程中，如前一步施工工序控制參數(shù)在控制標準范圍內(nèi)，則繼續(xù)施工，如前一步工序控制參數(shù)超過該步控制標準，則調(diào)整以后施工過程，保證提出每一道工序的沉降控制值；
（4）總的原則：在地鐵施工過程中，應(yīng)當保證各分步沉降值不超標，確?？偝两抵挡怀瑯恕?/p>
4建筑物的一般保護和加固措施
4.1建筑物保護措施
施工前調(diào)查所有在施工影響范圍內(nèi)的建筑物，著重查明建筑物的結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)形式、數(shù)量、修建年代、材質(zhì)、質(zhì)量狀況、工作狀態(tài)、與地鐵線路的位置關(guān)系等。當建筑物具有很大的破壞風險時，應(yīng)遵循“先加固、后施工”的原則。
施工前的主要加固措施：
（1）根據(jù)工程實際情況，選擇進行地層注漿、隔離樁等措施，嚴重時可以采用建筑物樁基托換或加固措施；
（2）地層注漿：從地表或洞內(nèi)注漿加固地層；
（3）隔離樁：從地表或洞內(nèi)施作隔離樁；
當鄰近建筑物破壞的風險較大時，應(yīng)考慮在地面或洞內(nèi)施作隔離樁，并對建筑物基礎(chǔ)進行處理，控制基礎(chǔ)相鄰的地層沉降。
當建筑物為樁基礎(chǔ)，可以考慮實施樁間注漿，提高外側(cè)土體的固結(jié)程度與密實度，增加樁底部承載區(qū)域內(nèi)的約束，力求將樁周的摩阻力損失降至最低。從而減小建筑物本身的變形程度。
如果建筑物基礎(chǔ)為樁基礎(chǔ)，且樁長較短，應(yīng)考慮在地面打設(shè)深樁，通過后植筋技術(shù)承臺擴大，并將部分荷載轉(zhuǎn)移至新增設(shè)的深樁上，使之能與短樁共同承受上部荷載，一起抵抗后續(xù)施工中的變形。
（4）對建筑物進行基礎(chǔ)托換或加固。
當鄰近建筑物破壞的風險較小時一般時，可以邊施工、邊加固，并進行施工過程量測監(jiān)控。當鄰近建筑物破壞的風險較小時，可以先施工、后加固，即在施工結(jié)束后，再根據(jù)具體情況確定是否需要對建筑物進行加固。
4.2地鐵施工加固措施
（1）暗挖隧道嚴格遵循“管超前、嚴注漿、短進尺、強支護、快封閉、勤量測、早成環(huán)、環(huán)套環(huán)”的施工原則進行開挖支護，控制地層的下沉量，同時還應(yīng)注意以下事項：
①加密格柵鋼架，必要時增加噴射混凝土厚度；②施工中要注意對施工工藝的控制，采取小分塊、短進尺、快封閉的手段，減少對地層的擾動，尤其要處理好拱腳變形的問題；③在地鐵工程土方開挖過程中，洞內(nèi)加強橫向支撐，限制土體的側(cè)向變形；④施工中要加強洞內(nèi)和地面建筑物的監(jiān)控量測，并做好記錄，發(fā)現(xiàn)問題及時采取有效措施并反饋信息。
（2）地鐵工程在穿越鄰近建筑物時，如果采取盾構(gòu)法施工，應(yīng)考慮以下措施：
①合理設(shè)置土壓力值，保持正面的平衡，防止超挖和欠挖；②穿越時降低推進速度，控制總推力，減少土層擾動；③穿越前調(diào)整好盾構(gòu)姿態(tài)，穿越時減少糾偏次數(shù)及糾偏量，減少土體的擾動；④在穿越鄰近建筑物地段，保證一次穿過，不能中途換刀，如果實在避免不了在上部地段換刀，事先要準備充足的預(yù)案。首先從盾構(gòu)前部預(yù)留的超前加固裝置對土倉上部及前方頂部的土體進行注漿加固，以保持開挖面穩(wěn)定不出現(xiàn)塌方，然后再對土倉加氣壓后更換刀具。
（3）加強建筑物的監(jiān)控量測，根據(jù)建筑物的性質(zhì)、結(jié)構(gòu)形式、基礎(chǔ)形式等建立不同的控制值，通過監(jiān)控量測及時掌握建筑物的變形情況，及時調(diào)整施工工藝，確保建筑物保護管理在可控狀態(tài)；
（4）不良的地質(zhì)地段必須采取特殊的施工技術(shù)措施，如進行地質(zhì)改良，縮短循環(huán)進尺等，以防止沉降超限；
（5）噴射混凝土施工時應(yīng)預(yù)留注漿管，支護完成后壓注水泥漿或水泥砂漿回填背后空隙，并加固被擾動土體；
（6）加強洞內(nèi)外的注漿措施，控制地層沉降。
5施工完成建筑物安全風險評估
在地鐵施工完成后，根據(jù)建筑物地基基礎(chǔ)的最終沉降值以及建筑物的傾斜量對建筑物的地基承載力、建筑物結(jié)構(gòu)的承載力進行復(fù)核，判斷建筑物的安全狀態(tài)以及還能承受的附加沉降值或傾斜量。如果經(jīng)過復(fù)核后，建筑物地基基礎(chǔ)或建筑物結(jié)構(gòu)承載力接近甚至超過極限承載力時，則應(yīng)對地基或建筑物本身采取加固措施，以保證建筑物的安全使用。
6結(jié)論
（1）在隧道開挖對地面建筑的影響方面，目前研究的比較少。特別是針對不同結(jié)構(gòu)形式，在隧道開挖過程中及開挖完成后結(jié)構(gòu)具體會產(chǎn)生多大的裂縫、變形；建筑物在水平方向的不同位置、在垂直方向的不同高度上，結(jié)構(gòu)的內(nèi)力為多大、其分布規(guī)律如何等的研究還很少見，建議加強這方面的研究。
（2）通過對地鐵施工的特點及周圍環(huán)境的分析，提出一套針對地鐵施工對建筑物的安全管理體系，用于指導(dǎo)類似工程施工。
（3）體系中各種環(huán)節(jié)的具體操作還需進一步細化，如對于古建筑木結(jié)構(gòu)的施工監(jiān)控量測，有許多地方不同于一般的建筑物的監(jiān)控量測，可進行專項討論。
（4）具體施工完成后，還需根據(jù)具體的實際情況，進行修正，使得體系得科學性和可操作性強。
