北京地鐵6號(hào)線淺埋暗挖法車站施工地表沉降規(guī)律研究

代維達(dá)

(中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600)

1 北京地鐵6號(hào)線暗挖車站概況

北京地鐵6號(hào)線是一條貫穿中心城東西方向的軌道交通線，分兩期建設(shè)。一期西起五路，東至草房，全線長30.740 km，線路走向見圖1。一期共設(shè)車站20座，全部為地下站。其中全部采用暗挖施工的車站為花園橋站、車公莊西站、車公莊站、北海北站、東四站、朝陽門站、東大橋站，部分采用暗挖的車站為南鑼鼓巷站、甜水園站，合計(jì)占一期車站總數(shù)的45%。

圖1 6號(hào)線一期線路走向

6號(hào)線二期起于一期工程終點(diǎn)草房站東端，終于通州區(qū)東小營站，線路全長12.44 km，全部為地下線，共設(shè)車站7座，其中物資學(xué)院站為全部暗挖車站。二期線路走向見圖2。

圖2 6號(hào)線二期線路走向

在北京地區(qū)，地鐵6號(hào)線暗挖車站有其非常典型的特點(diǎn)。①暗挖車站數(shù)量多。目前在建的北京地鐵線路，6號(hào)線的暗挖車站數(shù)量占到60% ～70%。②6號(hào)線線路貫穿北京中心城東西方向。地勢(shì)上，北京城西高東低，西部車站埋深相對(duì)較深，向東車站埋深逐漸減小;地層上，第四紀(jì)地層的巖相自西部山麓向東部平原逐漸變化，表現(xiàn)出從上游到下游顆粒由粗到細(xì)的遞變規(guī)律，地層上的這種特殊性給暗挖車站施工沉降帶來了不同程度的影響。③6號(hào)線暗挖車站站位自西向東分布相對(duì)較均勻，基本涵蓋了北京地區(qū)各種復(fù)合地層。

本文圍繞暗挖法地鐵車站施工引起地表沉降特征與地質(zhì)條件、施工方法、埋置深度和施工管理水平等因素，開展相關(guān)研究。6號(hào)線暗挖車站覆土厚度6.96～14.00 m，開挖面積 212.80～482.19 m2，結(jié)構(gòu)高度10.27～18.32 m，結(jié)構(gòu)寬度11.8～23.3 m。車站上覆地層比較相似，主要包括渣土、粉土填土、粉質(zhì)黏土、粉土、粉細(xì)砂等地層，地質(zhì)沉積層的“相變”十分明顯，上述地層在各車站上方的層厚不等。線路自西向東，車站開挖范圍內(nèi)的地層由厚度較大的圓礫卵石變?yōu)榧?xì)顆粒的粉細(xì)砂、粉質(zhì)黏土、粉土等。

2 地表沉降

由于6號(hào)線地鐵車站主體均位于車公莊西大街、朝陽北路等主干路下方，上方管線沉降測(cè)點(diǎn)埋設(shè)時(shí)均無法采用抱箍法埋設(shè)，而采用與地表沉降測(cè)點(diǎn)埋設(shè)方法相同的淺層埋點(diǎn)法。故本次暗挖車站地表沉降數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)時(shí)，將管線沉降值視為地表沉降值列入統(tǒng)計(jì)范圍。表1為地表沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果，最大值的變化范圍為－26.81～－120.26 mm，均值的變化范圍為－16.42～－84.04 mm。

表1 地表沉降統(tǒng)計(jì)結(jié)果

依據(jù)表1、地表沉降與車站埋深、開挖面積的關(guān)系擬合曲線分別見圖3、圖4。

圖3 車站埋深與地表沉降的關(guān)系擬合曲線

圖4 車站開挖面積與地表沉降的關(guān)系

從圖3可知:車站埋深7.0～8.5 m時(shí)，地表最大沉降值及平均沉降值均較大，3個(gè)車站中2個(gè)位于線路東部，而埋深11～14 m的幾個(gè)車站在線路上主要分布在中東部，地表最大沉降值突破100 mm，埋深在8.5～10.5 m的車站主要集中在線路西端，其沉降相對(duì)較小。車站埋深與地表沉降大小不成反比，最大沉降值與平均沉降值擬合曲線均表現(xiàn)出此特點(diǎn)。線路東四站(含)～物資學(xué)院站(含)之間的暗挖車站地表最大沉降值、平均沉降值分別突破100 mm，60 mm。該段線路上暗挖車站在地層上表現(xiàn)出相似的特征，如上覆地層均包含厚度2～5 m的粉土、粉質(zhì)黏土，車站開挖范圍內(nèi)的地層也以細(xì)顆粒的粉土、粉質(zhì)黏土、粉細(xì)砂等為主。

從圖4可知:車站開挖面積相對(duì)較小的東大橋單層暗挖段最大沉降值和平均沉降值均較大，而開挖面積360～420 m2的車站，線路中東部車站地表最大沉降值與平均沉降值明顯大于線路西部車站;站位地質(zhì)條件類似的線路中東部車站表現(xiàn)出地表平均沉降值隨車站開挖面積增大而增大的特征。

為了保證地表沉降區(qū)間概率分布統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，對(duì)6導(dǎo)洞、8導(dǎo)洞暗挖施工車站991個(gè)測(cè)點(diǎn)的沉降值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見表2。

表2 地表沉降區(qū)間概率分布統(tǒng)計(jì)

地表沉降區(qū)間頻率分布曲線見圖5，大于相應(yīng)地表沉降值的發(fā)生概率見圖6。

圖5 地表沉降區(qū)間頻率分布曲線

圖6 大于相應(yīng)地表沉降值的發(fā)生概率

由圖5可知，地表沉降區(qū)間頻率分布曲線服從正態(tài)分布，由圖6可以看出，大于相應(yīng)地表沉降值的發(fā)生概率與地表沉降值成線性關(guān)系。

3 地表沉降分析

為研究6號(hào)線暗挖車站施工地表沉降規(guī)律，自西向東沿線路分別選取西部的車公莊西站、中東部的朝陽門站、甜水園站以及東部的物資學(xué)院站地表沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.1 地表沉降歷時(shí)曲線分析

車公莊西站、朝陽門站、甜水園站、物資學(xué)院站典型測(cè)點(diǎn)的沉降曲線分別見圖7、圖8、圖9、圖10。

圖7 車公莊西站主體上方DB-20-03測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線

圖8 朝陽門站主體上方DB-47-03測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線

圖9 甜水園站主體上方DB-21-03測(cè)點(diǎn)沉降歷時(shí)曲線

圖10 物資學(xué)院站主體上方沉降測(cè)點(diǎn)歷時(shí)曲線(2012年)

由于甜水園站主體暗挖段長度43 m，橫通道施工時(shí)，暗挖段上方的測(cè)點(diǎn)就已經(jīng)開始監(jiān)測(cè)，圖9沉降歷時(shí)曲線中包含了橫通道開挖引起的部分沉降。

將以上4個(gè)暗挖車站沉降值進(jìn)行匯總統(tǒng)計(jì)，結(jié)果見3。

從表3可以看出，暗挖車站在主體小導(dǎo)洞及樁、柱體系施工階段引起的地表沉降最大，初支扣拱施工階段引起的沉降次之，而二襯扣拱施工階段引起的沉降最小，見圖11。3個(gè)施工階段引起的地表沉降比值大約為38∶14∶5。其余車站沉降規(guī)律類似。

表3 各階段平均沉降值及其貢獻(xiàn)比重匯總統(tǒng)計(jì)

圖11 暗挖車站主體3個(gè)主要施工階段引起沉降比值

3.2 地表沉降槽規(guī)律

自西向東沿線路分別選取西部的車公莊西站、中部的朝陽門站、東大橋站以及東部的物資學(xué)院站進(jìn)行沉降槽研究，每個(gè)車站選取3個(gè)主監(jiān)測(cè)斷面，采用Peck公式進(jìn)行擬合，如式(1)所示。

式中:S為距離隧道中線處的地表沉降，mm;Smax為y=0處的地表最大沉降值，mm;y為地表沉降測(cè)點(diǎn)與隧道中線的水平距離，m;i為沉降槽反彎點(diǎn)與隧道中線的水平距離，反映了隧道開挖對(duì)地表的影響范圍，m。

地層損失指沿隧道縱向單位距離的沉降槽體積。對(duì)式(1)進(jìn)行積分可得到地層損失V的計(jì)算公式

地層損失率指沿隧道縱向單位距離沉降槽體積與隧道開挖體積之比，它反映開挖對(duì)地層的擾動(dòng)程度。

式中:Vs為地層損失率，D為隧道的等效直徑。

以車公莊西站為例，其主體沉降槽擬合曲線見圖12。典型車站地表沉降槽統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果見表4。由表4繪制Smax，i與線路站位關(guān)系圖，見圖13。

圖12 車公莊西站主體沉降槽擬合曲線

表4 典型車站地表沉降槽統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖13 Smax，i與線路站位關(guān)系

從圖13可知，線路自西向東的地表最大沉降值逐漸增大。結(jié)合表3，線路以東四站為分界線，東四站(含)以東暗挖車站地表沉降明顯大于東四站以西。平面位置上，以東二環(huán)附近為分界線，以東暗挖車站地表沉降大，以西暗挖車站地表沉降小。

反彎點(diǎn)距隧道中線水平距離i主要集中在10～14 m，因此自車站中線向外15 m范圍內(nèi)的管線、建(構(gòu))筑物為重點(diǎn)監(jiān)測(cè)風(fēng)險(xiǎn)源。

地層損失率0.3% ～0.7%，主要是北京地區(qū)地質(zhì)條件較好的緣故，另一方面由前面的沉降歷時(shí)曲線可知，地層損失主要發(fā)生在車站主體小導(dǎo)洞、樁柱體系施工階段，無論是8導(dǎo)洞還是6導(dǎo)洞暗挖施工車站，該部分開挖面積約占到車站總開挖面積的31%，而本次計(jì)算時(shí)采用總開挖面積，也是地層損失率比較小的一個(gè)原因。

4 結(jié)語

本文對(duì)北京地鐵6號(hào)線采用淺埋暗挖法施工引起的地表沉降進(jìn)行分析，結(jié)論如下:

1)車站埋深與地表沉降大小不成反比，與車站上覆土及車站開挖范圍內(nèi)地質(zhì)水文條件有關(guān)，以東四站為分界線，東四站(含)以東的暗挖車站地表最大沉降值及平均沉降值明顯大于東四站以西暗挖車站。

2)車站開挖面積相近時(shí)，中東側(cè)車站沉降明顯大于西側(cè)車站，東四站(含)以東的暗挖車站地層及水文條件相似，以細(xì)顆粒粉質(zhì)黏土、粉土為主，開挖范圍內(nèi)均有含水層，地表最大沉降值隨開挖面積的增大而增大。

3)地表沉降區(qū)間頻率曲線服從正態(tài)分布，地表沉降－40～－60 mm出現(xiàn)頻率較大，大于相應(yīng)地表沉降值發(fā)生概率與地表沉降值成正比關(guān)系。建議北京地區(qū)以東二環(huán)為界，以東暗挖車站地表沉降控制值適當(dāng)放寬，不應(yīng)按目前北京市地方標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的－60 mm統(tǒng)一控制。

4)暗挖車站主體小導(dǎo)洞及樁柱體系、初支扣拱、二襯扣拱3個(gè)施工階段引起的地表沉降比值大約為38∶14∶5。

5)沉降槽反彎點(diǎn)距離等效隧道中線10～14 m，地層損失率0.3%～0.7%。

6)由車站沉降規(guī)律可在各施工階段提前采取控制沉降措施，優(yōu)化各施工階段沉降控制指標(biāo)，預(yù)測(cè)地表沉降槽反彎點(diǎn)距離及地層損失率取值范圍、地表最大沉降值。

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