地鐵暗挖車站施工對地表沉降的影響分析

楊斌，石俊成

（中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098）

0 前 言

隨著社會的進(jìn)步和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，地鐵工程建設(shè)如雨后春筍般在我國展開。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前已建成或在建地鐵的城市有30 多個，而隨之帶來的則是地鐵建設(shè)過程中的安全問題。近年來，地鐵施工引起的地面沉陷事件時有發(fā)生，可能危及地下管線和周邊建構(gòu)筑物的安全，并可能造成重大的經(jīng)濟(jì)損失和不良的社會影響。因而，在施工過程中如何有效的控制地表沉降，確保施工安全、避免經(jīng)濟(jì)損失，成為目前地鐵建設(shè)行業(yè)研究的一項(xiàng)重要課題。

在地鐵隧道開挖的過程中地層應(yīng)力場的變化、施工擾動、隧道跨度及埋深、 開挖方法等都是造成地表沉降的主要原因[1-2]。但是由于各個地區(qū)的水文地質(zhì)條件、施工工藝方法等各不相同，造成地表沉降的原因也需具體問題具體分析。本文通過分析北京地鐵某暗挖車站的地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)，討論影響地表沉降的因素，為以后類似地鐵工程建設(shè)提供參考。

1 工程概況

北京地鐵某暗挖車站位于城市干道相交的十字路口，呈南北向布置，路口交通非常繁忙。車站所屬地區(qū)屬商務(wù)核心區(qū)范圍，車站周邊用地功能以商業(yè)和居住為主。

車站為雙線雙洞單層側(cè)式站臺車站，有效站臺寬4.7m，車站總長180m，兩單洞凈寬10.85m，軌頂埋深約18.7m。 車站的左、右線雙洞分離設(shè)置，間隔約4m，車站結(jié)構(gòu)型式為直墻曲拱雙洞型式。 車站由其南側(cè)區(qū)間隧道擴(kuò)挖進(jìn)洞， 自南向北采用CRD 法施作。

車站覆土約10.6m，主要為雜填土①1層、粉土③層、粉質(zhì)粘土③1層，車站穿越地層主要為粉細(xì)土④3層、中粗砂④4層、圓礫卵石⑤層、粉土⑥層、粉質(zhì)粘土⑥2層。觀測到上層滯水、潛水、承壓水3 層地下水，其中潛水、承壓水對暗挖施工的影響較大。

受地下水的影響，隧道首先開挖右線、左線的1～4 號洞室（見圖2），其封端后再施做左線、右線5、6 號洞室，最后施做迂回風(fēng)道。

2 監(jiān)測的實(shí)施

在車站左右線隧道的拱頂及兩側(cè)每隔20m 布設(shè)一排地表沉降監(jiān)測點(diǎn)，每個監(jiān)測斷面11 個點(diǎn)，按圖2 所示的距離布設(shè)。

按照設(shè)計(jì)要求，根據(jù)開挖面到監(jiān)測斷面前后的距離確定監(jiān)測頻率：開挖面距離監(jiān)測斷面前后小于2B（注：B 為隧道直徑）時為1 次/d；開挖面距離監(jiān)測斷面前后大于2B 小于5B（注：B為隧道直徑）時為1 次/2d，開挖面距離監(jiān)測斷面前后大于5B時為1 次/周；基本穩(wěn)定后為1 次/月。監(jiān)測頻率詳見表1。

監(jiān)測頻率 表1

根據(jù)設(shè)計(jì)資料的要求，本車站的地表沉降控制指標(biāo)見表2。

沉降控制指標(biāo) 表2

3 監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)與分析

3.1 監(jiān)測結(jié)果統(tǒng)計(jì)

監(jiān)測結(jié)束后， 對所有地表監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)沉降量進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)，超過控制值的監(jiān)測點(diǎn)達(dá)到91.18%。超過6 成的監(jiān)測點(diǎn)累計(jì)沉降量在60mm～120mm 之間，其中累計(jì)沉降量在60mm～80mm之間的監(jiān)測點(diǎn)最多，約占總數(shù)的24.51%，累計(jì)沉降量分段統(tǒng)計(jì)見表3。累計(jì)沉降量最大的點(diǎn)位于車站迂回風(fēng)道側(cè)上方，其累計(jì)沉降量為-135.19mm。

從分布位置上看，車站隧道拱頂上方及左右線之間的監(jiān)測點(diǎn)，累計(jì)沉降量均超過了60mm。其中，沉降量在80mm～100mm之間的監(jiān)測點(diǎn)主要位于隧道拱頂上方，超過100mm 的監(jiān)測點(diǎn)主要分布在左線臨近右線的側(cè)壁上方、右線臨近左線的側(cè)壁上方及左右線之間的位置。

累計(jì)沉降量分段統(tǒng)計(jì)表 表3

3.2 隧道掘進(jìn)方向變形分析

經(jīng)過對數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，隧道掘進(jìn)方向監(jiān)測點(diǎn)的整體變形趨勢相似。在隧道左右線上方各選取一個典型監(jiān)測點(diǎn)，繪制時間-沉降量曲線如圖3 所示。

由圖3 曲線可以看出，監(jiān)測點(diǎn)出現(xiàn)3 次沉降速度加大的過程,對應(yīng)施工的3 個階段,分別隧道右線1 號洞室最先施工至測點(diǎn)處，此時測點(diǎn)隨著施工的進(jìn)行發(fā)生了第1 階段的沉降變化。當(dāng)左線1 號洞室到達(dá)測點(diǎn)附近時，測點(diǎn)再次發(fā)生了明顯的沉降變化，此時右線的1、2 號洞室已通過測點(diǎn)位置，右線3、4 號洞室、左線1～4 號洞室施工的多次交叉擾動，致使測點(diǎn)第2 階段的累計(jì)沉降量和沉降速率均明顯大于第1 階段，直到左線3 號洞室離開測點(diǎn)約20m，4 號洞室經(jīng)過測點(diǎn)附近后， 沉降逐漸趨于平穩(wěn)。第3 階段的沉降變化發(fā)生在左右線5、6 號洞室開挖過程中，隧道的二次施工對地表沉降產(chǎn)生了影響。此時測點(diǎn)的平均沉降速率相比于第2 階段已經(jīng)減小， 但累計(jì)沉降量仍然較大，說明下層導(dǎo)洞的開挖對地表沉降仍有較明顯的影響，這主要是因?yàn)榍捌谒淼澜邓男Ч幻黠@，導(dǎo)致下層導(dǎo)洞開挖過程中受地下水的影響較大，對土體造成一定的擾動。

由圖3 還可看出，左右線測點(diǎn)的曲線變化趨勢基本相似。這是因?yàn)閮蓚€隧道單洞凈寬10.85m， 而兩個隧道的間距只有4m，因而需要將先期開挖的左右線1～4 號洞室看成一個整體，即一個8 洞室的CRD 法施工隧道，并在施工時充分考慮左右線的相互擾動影響。

各階段沉降量統(tǒng)計(jì)見表4。

分階段沉降量統(tǒng)計(jì)表 表4

從表4 中可以發(fā)現(xiàn)， 隧道上層中層開挖過程中的地表沉降，即第1、2 階段的累計(jì)沉降量不到總沉降量的50%，而第3階段隧道下層施工過程中的累計(jì)沉降量與第1、2 階段的累計(jì)沉降量基本相當(dāng)。

受地下水的影響，隧道下層施工設(shè)計(jì)方案進(jìn)行過多次的變更，但在實(shí)際施工過程中，其仍對地表產(chǎn)生了明顯的擾動。這也表明，在不考慮地質(zhì)條件和施工質(zhì)量的情況下，帶水作業(yè)相對于無水作業(yè)對地表沉降的影響還是很大的。

3.3 監(jiān)測斷面變形分析

各監(jiān)測斷面的整體變形趨勢相類似，選取一個典型監(jiān)測斷面繪制其從監(jiān)測開始至沉降穩(wěn)定期間的歷時沉降曲線，見圖4。

由圖4 曲線可以看出，地表監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)沉降量隨監(jiān)測點(diǎn)到隧道拱頂中心的距離增大而減小， 沉降曲線基本呈漏斗形狀。雖然左右線分離設(shè)置，但由于其間距較小，0m 位置監(jiān)測點(diǎn)的歷時沉降量與-7m 和7m 處左右線拱頂位置監(jiān)測點(diǎn)的歷時沉降量基本相當(dāng)，這也證明了在上層、中層施工過程中應(yīng)將左右線看做一個8 洞室的CRD 法施工隧道，綜合考慮各洞室施工相互擾動對地表沉降的影響。 沉降量最大的點(diǎn)在-2m 位置左線的拱頂右側(cè)和2m 位置右線的拱頂左側(cè)，這是左右線施工相互擾動造成的，這也是車站整個沉降影響范圍內(nèi)累計(jì)沉降量最大的兩個位置。此外，從圖4 中也能體現(xiàn)圖3 所反映的3 個階段地表沉降變化。

4 沉降原因分析

本暗挖車站地表監(jiān)測點(diǎn)的累計(jì)沉降量整體是較大的，累計(jì)沉降量超過控制值的監(jiān)測點(diǎn)占到總數(shù)的91.18%， 將影響地表沉降的因素歸納為以下幾點(diǎn)。

4.1 工程地質(zhì)、地層條件

勘察資料顯示，地表以下存在2m 左右的雜填土層，該土層回填不密實(shí)、土質(zhì)松散；隧道拱頂為砂層，中間夾雜礫石，這種地質(zhì)條件較易引起地表沉降。此外，該區(qū)域位于永定河沖洪積扇中上部，屬于大地沉陷區(qū)，地質(zhì)條件極為復(fù)雜，并存在地下土體空洞及巖土不良區(qū)域，由于開挖過程中對土體造成擾動，土體空洞及巖土不良區(qū)域可能發(fā)生塌陷，造成地表沉降。

4.2 工程水文條件

隧道施工范圍內(nèi)存在潛水和承壓水，特別是承壓水對隧道下層施工的影響非常大。由于前期降水的效果不是很明顯，導(dǎo)致在施工過程中地層失水，土層縫隙收縮，造成地表發(fā)生沉降。

4.3 施工工法和工序

車站兩隧道間距只有4m，CRD 法施工導(dǎo)致兩隧道相互擾動，而下層洞室二次施工又對隧道造成了二次擾動，對地表沉降產(chǎn)生一定影響。

4.4 施工操作不規(guī)范

各洞室施工過程中縱向步距過小，超前支護(hù)小導(dǎo)管長度不夠，核心土留設(shè)不規(guī)范，開挖速度過快，結(jié)構(gòu)初期支護(hù)不及時等情況，均不利于地表沉降的控制。

5 結(jié) 論

綜上所述，影響地表產(chǎn)生沉降的因素是多種多樣的，各種因素相互疊加加劇了地表的沉降變化。施工單位在施工過程中應(yīng)當(dāng)重視并及時掌握監(jiān)測數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)異常時，立即分析查找原因，調(diào)整施工工序，采取有效措施，確保洞內(nèi)施工的安全和周邊環(huán)境的安全。

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[4]齊震明，李鵬飛.地鐵區(qū)間淺埋暗挖隧道地表沉降的控制標(biāo)準(zhǔn)[J].北京交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2010(3).