新王府井地鐵車站施工地表沉降規(guī)律研究★

李 曉 朱建明 李志軍 楊 娟

(1.華北科技學(xué)院安全工程學(xué)院，河北 三河 065201； 2.中鐵隧道集團(tuán)二處有限公司，河北 三河 065201)

0 引言

地鐵開挖過程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)地表沉降、塌陷、滲水等問題，解決這些問題的關(guān)鍵在于加強(qiáng)沉降監(jiān)測(cè)，改善施工工藝，提高對(duì)施工的管理力度[1]。

國內(nèi)外就地鐵車站施工引起地面沉降的問題進(jìn)行了深入研究。Peck[2]在1969年通過分析多項(xiàng)具體施工案例，成功總結(jié)出應(yīng)用于隧道施工引起地表沉降的高斯方程，他提出的Peck公式為地表沉降預(yù)測(cè)提供了一個(gè)基本方法。方恩權(quán)等[3]基于Peck公式提出一種利用插值法、最小二乘法的預(yù)測(cè)模型應(yīng)用于信息系統(tǒng)進(jìn)行地表沉降測(cè)量。劉歡歡等[4]基于京津高鐵北京段開展研究，對(duì)地面沉降進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并利用監(jiān)測(cè)結(jié)果分析出沉降原因。徐澤民等[5,6]通過對(duì)地鐵工程不同階段的沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到不同施工階段對(duì)建筑物變形的影響規(guī)律及特點(diǎn)。陳樹[7]通過分析某地鐵站深基坑的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，提出利用日沉降量判定地鐵站豎向位移情況的危險(xiǎn)性分析方法。Jieming Li等[8]建立數(shù)值模擬對(duì)豎向位移監(jiān)測(cè)的關(guān)鍵位置進(jìn)行研究，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證主梁豎向位移大于底板的結(jié)果。Karmen Fifer Bizjak和Borut Petkov?ek[9]采用三維收斂測(cè)量方法研究隧道施工對(duì)地表的影響。王霆等[10]基于北京地鐵10號(hào)線黃莊站工程建立有限元模型分析車站洞樁法施工對(duì)地層和管道的影響，證明“導(dǎo)洞開挖支護(hù)”和“中跨扣拱及拱部土體開挖支護(hù)”兩個(gè)階段是引起地表沉降的重要階段。童建軍等[11]依托于成都地鐵，采用顆粒離散元法分析卵石地層深基坑開挖過程中的地表沉降規(guī)律，通過與上海地區(qū)軟土地層深基坑開挖沉降對(duì)比總結(jié)兩者異同。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于地表沉降問題，均需加強(qiáng)對(duì)地表沉降觀測(cè)，并對(duì)其觀測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出確保地下工程施工安全的具體措施[12,13]。

本文依托于北京新王府井車站，采用洞樁法施工工藝，對(duì)其沉降進(jìn)行觀測(cè)并基于SPSS方法對(duì)其沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，并提出相關(guān)控制措施，確保了該車站的安全施工。

1 工程概況

新建王府井地鐵車站位于城市交通要道，上方為一南北走向的街道，車站主體沿街道呈南北方向布置。車站有效站臺(tái)總長177 m，寬度為25.3 m，深約30 m，南側(cè)為東長安街，西側(cè)為北京飯店，東北側(cè)為王府井書店，東南側(cè)為商業(yè)街和過街通道。站址地理位置復(fù)雜，尤其因其下穿既有車站，故考慮因素較多，施工過程中應(yīng)注意的風(fēng)險(xiǎn)因素也較多。

車站主體采用“PBA”洞樁法八導(dǎo)洞施工，車站上層及下層均布置四導(dǎo)洞，分為A，B，C，D四軸，共有3個(gè)斷面。車站施工設(shè)置3個(gè)施工豎井，1號(hào)豎井、3號(hào)豎井分別利用1號(hào)排風(fēng)井和2號(hào)安全口作為豎井，2號(hào)豎井為新增豎井，位置與F1出入口相交。豎井均采用倒掛井壁法開挖支護(hù)。

車站的總體施工順序是首先進(jìn)行施工豎井及橫通道開挖，然后由三個(gè)施工通道同時(shí)向兩側(cè)施工，這將很大程度上減少施工周期，提高施工效率，如圖1所示。

2 沉降監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

車站主體結(jié)構(gòu)暗挖工程施工，周邊建構(gòu)筑物較多，地下管線復(fù)雜，若結(jié)構(gòu)變形過大或坍塌將會(huì)對(duì)周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響，因此在施工過程中應(yīng)重點(diǎn)做好道路、管線及周邊建筑物等的變形監(jiān)測(cè)和數(shù)據(jù)分析。

根據(jù)車站主體導(dǎo)洞施工分成的A,B,C,D四軸，于D軸設(shè)置12個(gè)測(cè)點(diǎn)，且均勻分布，地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置如圖2所示。

2.2 監(jiān)測(cè)內(nèi)容

對(duì)于城市地鐵車站的施工監(jiān)測(cè)項(xiàng)目主要有：地表沉降監(jiān)測(cè)、建構(gòu)筑物沉降及傾斜監(jiān)測(cè)、地下管線沉降監(jiān)測(cè)等。

作業(yè)開始時(shí)先對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，作業(yè)過程中定期對(duì)控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測(cè)，檢驗(yàn)其穩(wěn)定性。在施工過程中應(yīng)固定觀測(cè)路線、觀測(cè)人員及儀器，選擇最佳觀測(cè)時(shí)間并在基本相同的環(huán)境和條件下觀測(cè)。每次觀測(cè)結(jié)束后，核對(duì)和復(fù)查觀測(cè)結(jié)果，計(jì)算得出本次觀測(cè)值減去上次觀測(cè)值，求出各觀測(cè)點(diǎn)的位移及沉降變化值。

2.3 監(jiān)測(cè)方法

沉降監(jiān)測(cè)可根據(jù)監(jiān)測(cè)對(duì)象附近的永久基準(zhǔn)點(diǎn)或工程施工中的臨時(shí)基準(zhǔn)點(diǎn)作為基準(zhǔn)點(diǎn)或工作基點(diǎn)。道路及地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)，在道路交通流量小且有環(huán)境條件鉆孔作業(yè)的地方，首先用鉆機(jī)鉆透硬化路面，成孔以后打入鋼筋測(cè)點(diǎn)，在鉆孔內(nèi)放入鋼套筒隔離鋼筋與周邊土體，上部回填砂土或木屑。測(cè)點(diǎn)要埋設(shè)牢固，上部可安設(shè)保護(hù)蓋，同時(shí)做好標(biāo)記。地表測(cè)點(diǎn)埋設(shè)示意圖如圖3所示。

沉降監(jiān)測(cè)方法采用精密水準(zhǔn)測(cè)量方法：工作基點(diǎn)和附近基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測(cè)取得初始高程。監(jiān)測(cè)時(shí)各項(xiàng)限差宜嚴(yán)格控制，對(duì)不在水準(zhǔn)路線上的觀測(cè)點(diǎn)，一個(gè)測(cè)站不宜超過3個(gè)，如超過時(shí)，應(yīng)重讀后視點(diǎn)讀數(shù)，以作核對(duì)。

監(jiān)測(cè)時(shí)通過測(cè)得各測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)(基點(diǎn))的高程差ΔH，可得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程Δht，然后與上次測(cè)得高程進(jìn)行比較，差值Δh即為該測(cè)點(diǎn)的沉降值，即：

ΔHt(1,2)=Δht(2)-Δht(1)。

在條件許可的情況下，盡可能的布設(shè)導(dǎo)線網(wǎng)，以便進(jìn)行平差處理，提高觀測(cè)精度，然后按照測(cè)站進(jìn)行平差，求得各點(diǎn)高程。

3 沉降監(jiān)測(cè)分析

3.1 SPSS軟件

SPSS軟件(Statistical Package for the Social Science)是一款于20世紀(jì)60年代末研發(fā)的統(tǒng)計(jì)分析軟件。

3.2 地表沉降監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖2，選取1,2兩個(gè)測(cè)點(diǎn)的地表沉降數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并繪制地表沉降趨勢(shì)圖如圖4所示。

由圖4可以看出，地鐵車站深基坑開挖引起地表的沉降，其中曲線呈拋物線形狀，數(shù)據(jù)先增大后減小，且有穩(wěn)定趨勢(shì)。測(cè)點(diǎn)2的沉降值較測(cè)點(diǎn)1的沉降值大，原因是測(cè)點(diǎn)2距施工豎井及橫通道較近。

根據(jù)設(shè)計(jì)要求并參考相關(guān)規(guī)范和規(guī)程及以往北京類似工程施工經(jīng)驗(yàn)，車站主體施工地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

表1 地表變形控制標(biāo)準(zhǔn)

1,2測(cè)點(diǎn)沉降觀測(cè)值最大分別為-28.56 mm和-40.02 mm，變化速率為-0.70 mm/d和0.60 mm/d，均在控制值內(nèi)，狀態(tài)安全。

通過SPSS曲線回歸分析可得出最符合1，2測(cè)點(diǎn)沉降變化趨勢(shì)的回歸方程分別為：

y=-2.615x+1.819x2

(1)

y=-2.696x+1.884x2

(2)

分析SPSS回歸模型結(jié)果，模型匯總?cè)绫?所示。

表2 模型匯總表

分析SPSS軟件分析結(jié)果：根據(jù)曲線擬合結(jié)果的決定系數(shù)R2均接近于1可知模型比較合理。因此，由統(tǒng)計(jì)學(xué)原理可認(rèn)定此次擬合結(jié)果較為符合實(shí)測(cè)變化趨勢(shì)，具有較高的可靠性和參考價(jià)值，可用式(1)，式(2)進(jìn)行后期沉降數(shù)據(jù)的預(yù)測(cè)。

4 地鐵施工地表沉降控制措施

根據(jù)對(duì)其觀測(cè)數(shù)據(jù)的分析得知，測(cè)點(diǎn)距離豎井及橫通道越近，沉降值越大，且隨著時(shí)間的推移，沉降曲線呈拋物線形狀，并將趨于穩(wěn)定。同理，測(cè)點(diǎn)3～測(cè)點(diǎn)12具有類似的規(guī)律，因此為了保證安全施工，具體施工期間采用如下措施：

1)沉降計(jì)算與預(yù)測(cè)：工程施工前，根據(jù)場(chǎng)地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等條件并結(jié)合土力學(xué)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，采用上述建立的沉降預(yù)測(cè)模型對(duì)可能發(fā)生地表沉降的區(qū)域進(jìn)行地表沉降量的計(jì)算和預(yù)測(cè)；

2)施工方案：工程施工過程中，應(yīng)合理設(shè)置降水、開挖方案，避免因施工導(dǎo)致地表不均勻沉降；

3)沉降監(jiān)測(cè)措施：施工過程中加強(qiáng)巡視和沉降監(jiān)測(cè)，及時(shí)采取應(yīng)對(duì)措施；

4)注漿加固措施：采用合理的注漿壓力和注漿時(shí)間，有效彌補(bǔ)施工造成的地層損失。

5 結(jié)語

通過對(duì)王府井新車站采用洞樁法施工的沉降觀測(cè)分析，得出如下幾點(diǎn)結(jié)論：

1)需設(shè)計(jì)好符合洞樁法施工特點(diǎn)的沉降觀測(cè)方案，觀測(cè)結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計(jì)方案符合施工沉降特點(diǎn)；

2)采用的SPSS數(shù)據(jù)分析軟件，適合沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的動(dòng)態(tài)變化以及量大的特點(diǎn)；

3)采用洞樁法施工產(chǎn)生的地表沉降點(diǎn)距豎井及施工通道越近，地表沉降值越大，要求在豎井施工期間注意周圍土體的沉降觀測(cè)；

4)提出的適合洞樁法施工特點(diǎn)的沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)的回歸分析模型，可較好地對(duì)沉降發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行預(yù)測(cè)。