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展的重要時期。為解決城市交通、停車、貿易、通訊、供水以及供電等工程項目占地的重大難題，人們將大力開發利用地下空間[1]。隨著城市建設的發展，在市區修筑地下工程，尤其是在地面建筑密集、地下管線復雜的城市中心地區，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控量測，并根據評價指標進行判斷，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決策和現場應變措施。最后對建筑物工后進行評估。
目前國內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，并沒有系統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，必然會對地鐵結構周圍的建筑物產生一定程度的影響。為了確保地鐵施工期間建筑物的安全使用，必須對建筑物的現狀進行調查和評估，預測地鐵施工對建筑物產生的影響范圍和程度，及時采取相應得處理措施，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，應開展以下5個方面的工作：①建筑物資料的調查；②建筑物現狀評估；③地鐵施工對鄰近地層和建筑物的影響與預測；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建筑物資料調查
資料調查的目的是確切地掌握建筑物的實際數據及其與地鐵結構之間的空間位置關系。資料的調查包括如下方面。
2.1.1與建筑物相關資料的調查
與建筑物相關的調查資料主要包括：原設計圖和竣工圖、工程地質報告（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與地鐵結構相關的資料的調查
與地鐵結構相關的資料調查主要包括：平面布置圖；施工區地質資料圖；設計資料，包括車站的縱橫斷面形式與尺寸等；與建筑物的位置關系圖；結構材料性能和幾何參數的檢測和分析，結構構件的計算分析、現場實測，必要時進行結構檢驗。
2.2建筑物現狀評估
為了解地鐵施工前建筑物的當前工作狀態，并為地鐵施工過程中地面沉降（傾斜）控制標準和施工技術方案的制定提供依據，應對工程影響范圍內的建筑物進行現狀評估。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。
2.2.1評估范圍
根據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，對于區間隧道，原則上為隧道中線左右各30m范圍內的建筑物；對于車站，車站中線左右各50m范圍內的建筑物均應進行評估。對于每一幢建筑物，應根據建筑物與地鐵結構的位置關系，建筑物的性質、基礎形式、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進行安全現狀的評估。
2.2.2評估內容
（1）建筑物安全性的評估
建筑物安全性評估內容包括4部分：地基基礎、上部結構承載力的驗算及評估；結構變形；裂縫；構造與連接。根據建筑物安全性鑒定的相關規范、規程判斷建筑物的現有安全等級。
（2）建筑物沉降的控制值
根據建筑物的工前沉降（或差異沉降），驗算建筑物結構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）。對于特殊性質的建筑物，如獨立柱基的木結構建筑物，除了要確定每個柱基的沉降控制值外，還應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）基礎既有沉降的估算
推算基礎工前沉降（或差異沉降），采用《建筑地基基礎設計規范》（gbj7-89），并配合基礎的測量方法，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
根據結構基礎的沉降（或差異沉降）值及木結構建筑物分別進行簡化計算。
①一般建筑物結構簡化計算模型
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木結構建筑物簡化計算模型
木結構建筑物結構荷載的計算不同于前面的一般建筑物計算，它應借助于現有的一些結構分析軟件進行計算。在建立柱基礎的沉降量、水平位移量與結構受力變形之間的關系時，也應當對木結構建筑物進行簡化，具體可參考文獻[3]。
根據對建筑物上部結構承載力的分析，評估結構的抗變形能力。在結構檢測、材料退化評估、基礎工前沉降和承載力估算、上部結構承載和變形的基礎上，制定地鐵施工前剩余沉降（差異沉降）的建議值，同時還應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）預測
2.3.1施工降水的影響
根據地質勘察資料，在施工降水時，應考慮到當前最不利的水位降深位置；同時應考慮采用哪種降水方案會產生較小的地面沉降；估計因降水導致地層有效應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]。
如果地鐵結構鄰近有風險很大的建筑物，并且降水可能會對建筑物產生較大的影響時，應進行專項降水方案的設計。
2.3.2暗挖施工過程的影響
采用三維數值模型，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；利用已有的實測數據“標定”數值模型（確定模型計算參數）；然后利用“標定”的數值模型預測后續施工工序對建筑物沉降的影響水平。
2.4制定地表沉降控制標準
對于地表沉降的控制標準，目前國內還沒有一個完全的統一標準，但無論是設計單位、還是施工單位，都有一個不成文的規定，即在淺埋暗挖地鐵施工過程中，地表沉降值控制在30mm以內。實際上，通過我們對北京地鐵5號線12個淺埋暗挖區間、7個淺埋暗挖車站的地表沉降值的統計分析，地表沉降值遠遠大于30mm（如北京地鐵5號線蒲黃榆車站，多數地表測點沉降值超過200mm），但周圍建筑物均未出現危險。因此對于地表沉降控制標準的問題，應根據地鐵施工范圍內的環境進行分析。
隧道開挖完全要求建筑物不出現沉降、變形和裂縫等幾乎是不可能的，只是其大小而已。問題的關鍵在于如何將其控制在容許范圍之內。對此，有關設計規范做出了具體的規定[7]。由于地基不均勻等因素產生的變形，對于砌體承重結構應有局部傾斜控制，砌體承重結構沿縱墻6～10m內基礎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；對于框架結構和單層排架結構應有相鄰柱基的沉降差控制，單層排架結構（柱距為6m）柱基的沉降量為200mm，框架結構對中、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構應有傾斜值控制，見表1和表2；必要時還應控制平均沉降量，對于體型簡單的高層建筑基礎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
（1）國家、部委、地方政府部門所頒發的有關技術標準、規范、規程；
（2）各區間、車站的設計、施工資料（含變更設計、施工資料）；
（3）房屋安全鑒定部門對于建筑物外觀檢測及結構初評的鑒定報告；
（4）地鐵施工對鄰近建筑物影響的數值計算及分析預測報告；
（5）國內外類似工程情況下施工經驗的參照和借鑒；
（6）其他相關規范、規程及文件。
2.4.2制定沉降控制標準的原則
對于同一幢建筑物，由于其結構的各個部分相對于地鐵結構的空間位置來說時不同的，在制定地面沉降控制標準時，可根據結構的不同部位的要求分別制定地面沉降控制標準，而對于建筑物結構的不同部位，不必按照統一的沉降控制標準來控制。因此可按照分區、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：是指依據建筑物上部結構的不同形式，采用不同的控制指標；
分級：根據建筑物的危險程度將建筑物保護等級統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、分級、分階段的詳細說明應根據建筑物的具體的性質，基礎形式、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（如建筑物為樁基礎和木結構，則應包括單樁（柱）的沉降）；
（2）沉降速率（如建筑物為樁基礎和木結構，則應包括單樁（柱）的沉降）；
（3）垂直施工方向相鄰基礎之間的差異沉降；
（4）順地鐵施工向相鄰基礎之間的差異沉降。
3建筑物風險控制措施
3.1施工過程監測
監控量測是地下工程信息化設計、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的建筑物產生影響，導致建筑物出現裂縫、傾斜、甚至倒塌。因此，應將建筑物的監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測、及時提供監測信息和預報，以便評估地鐵施工對建筑物的影響程度，預報可能發生的安全隱患。在監測過程中，對各監測項目的監測值可采用預警值、報警值、極限值三個等級進行控制：
（1）預警值是在保證建筑物不產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，建筑物結構發生破壞。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警值時，應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，應及時組織專家組進行論證分析，并采取相應防護措施進行防護，確保建筑物結構安全。如果地鐵結構鄰近有風險很大的建筑物，應對該建筑物進行專項監控量測方案的設計。
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，先選擇最優的施工工法及輔助施工工法，在確定了最優的施工工法或輔助工法的基礎上，進行施工過程的沉降控制，保證沉降在控制范圍之內。
（1）施工工法的優化
選擇幾種可行的施工工法（包括對現有的設計單位提出的施工工法）進行數值模擬計算，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，其步驟是：
（1）依據現場調查、工程經驗，參考計算分析，在滿足建筑物的結構承載力的前提下，綜合考慮經濟技術指標，確定施工過程中控制參數的總的控制指標；
（2）在此基礎上，結合前面的施工工法，確定每道工序的控制目標。依據以往經驗，結合理論、數值計算，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在控制標準范圍內，則繼續施工，如前一步工序控制參數超過該步控制標準，則調整以后施工過程，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，應當保證各分步沉降值不超標，確保總沉降值不超標。
4建筑物的一般保護和加固措施
4.1建筑物保護措施
施工前調查所有在施工影響范圍內的建筑物，著重查明建筑物的結構形式、基礎形式、數量、修建年代、材質、質量狀況、工作狀態、與地鐵線路的位置關系等。當建筑物具有很大的破壞風險時，應遵循“先加固、后施工”的原則。
施工前的主要加固措施：
（1）根據工程實際情況，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：從地表或洞內注漿加固地層；
（3）隔離樁：從地表或洞內施作隔離樁；
當鄰近建筑物破壞的風險較大時，應考慮在地面或洞內施作隔離樁，并對建筑物基礎進行處理，控制基礎相鄰的地層沉降。
當建筑物為樁基礎，可以考慮實施樁間注漿，提高外側土體的固結程度與密實度，增加樁底部承載區域內的約束，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。
如果建筑物基礎為樁基礎，且樁長較短，應考慮在地面打設深樁，通過后植筋技術承臺擴大，并將部分荷載轉移至新增設的深樁上，使之能與短樁共同承受上部荷載，一起抵抗后續施工中的變形。
（4）對建筑物進行基礎托換或加固。
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，即在施工結束后，再根據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、環套環”的施工原則進行開挖支護，控制地層的下沉量，同時還應注意以下事項：
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，洞內加強橫向支撐，限制土體的側向變形；④施工中要加強洞內和地面建筑物的監控量測，并做好記錄，發現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，如果采取盾構法施工，應考慮以下措施：
①合理設置土壓力值，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穿越前調整好盾構姿態，穿越時減少糾偏次數及糾偏量，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案。首先從盾構前部預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，以保持開挖面穩定不出現塌方，然后再對土倉加氣壓后更換刀具。
（3）加強建筑物的監控量測，根據建筑物的性質、結構形式、基礎形式等建立不同的控制值，通過監控量測及時掌握建筑物的變形情況，及時調整施工工藝，確保建筑物保護管理在可控狀態；
（4）不良的地質地段必須采取特殊的施工技術措施，如進行地質改良，縮短循環進尺等，以防止沉降超限；
（5）噴射混凝土施工時應預留注漿管，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，根據建筑物地基基礎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、建筑物結構的承載力進行復核，判斷建筑物的安全狀態以及還能承受的附加沉降值或傾斜量。如果經過復核后，建筑物地基基礎或建筑物結構承載力接近甚至超過極限承載力時，則應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。特別是針對不同結構形式，在隧道開挖過程中及開挖完成后結構具體會產生多大的裂縫、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，結構的內力為多大、其分布規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，用于指導類似工程施工。
（3）體系中各種環節的具體操作還需進一步細化，如對于古建筑木結構的施工監控量測，有許多地方不同于一般的建筑物的監控量測，可進行專項討論。
（4）具體施工完成后，還需根據具體的實際情況，進行修正，使得體系得科學性和可操作性強。
