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)鍵在于加強沉降監(jiān)測，改善施工工藝，提高對施工的管理力度[1]。

國內(nèi)外就地鐵車站施工引起地面沉降的問題進行了深入研究。Peck[2]在1969年通過分析多項具體施工案例，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)測提供了一個基本方法。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)測模型應(yīng)用于信息系統(tǒng)進行地表沉降測量。劉歡歡等[4]基于京津高鐵北京段開展研究，對地面沉降進行監(jiān)測，并利用監(jiān)測結(jié)果分析出沉降原因。徐澤民等[5,6]通過對地鐵工程不同階段的沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，得到不同施工階段對建筑物變形的影響規(guī)律及特點。陳樹[7]通過分析某地鐵站深基坑的監(jiān)測數(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性分析方法。Jieming Li等[8]建立數(shù)值模擬對豎向位移監(jiān)測的關(guān)鍵位置進行研究，并結(jié)合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)驗證主梁豎向位移大于底板的結(jié)果。Karmen Fifer Bizjak和Borut Petkov?ek[9]采用三維收斂測量方法研究隧道施工對地表的影響。王霆等[10]基于北京地鐵10號線黃莊站工程建立有限元模型分析車站洞樁法施工對地層和管道的影響，證明“導(dǎo)洞開挖支護”和“中跨扣拱及拱部土體開挖支護”兩個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比總結(jié)兩者異同。通過上述研究發(fā)現(xiàn)，對于地表沉降問題，均需加強對地表沉降觀測，并對其觀測數(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，對其沉降進行觀測并基于SPSS方法對其沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，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個斷面。車站施工設(shè)置3個施工豎井，1號豎井、3號豎井分別利用1號排風(fēng)井和2號安全口作為豎井，2號豎井為新增豎井，位置與F1出入口相交。豎井均采用倒掛井壁法開挖支護。

車站的總體施工順序是首先進行施工豎井及橫通道開挖，然后由三個施工通道同時向兩側(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)測方案設(shè)計

2.1 監(jiān)測方案設(shè)計

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對周邊環(huán)境產(chǎn)生較大影響，因此在施工過程中應(yīng)重點做好道路、管線及周邊建筑物等的變形監(jiān)測和數(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個測點，且均勻分布，地表沉降監(jiān)測點布置如圖2所示。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

對于城市地鐵車站的施工監(jiān)測項目主要有：地表沉降監(jiān)測、建構(gòu)筑物沉降及傾斜監(jiān)測、地下管線沉降監(jiān)測等。

作業(yè)開始時先對控制點進行觀測，作業(yè)過程中定期對控制點進行復(fù)測，檢驗其穩(wěn)定性。在施工過程中應(yīng)固定觀測路線、觀測人員及儀器，選擇最佳觀測時間并在基本相同的環(huán)境和條件下觀測。每次觀測結(jié)束后，核對和復(fù)查觀測結(jié)果，計算得出本次觀測值減去上次觀測值，求出各觀測點的位移及沉降變化值。

2.3 監(jiān)測方法

沉降監(jiān)測可根據(jù)監(jiān)測對象附近的永久基準點或工程施工中的臨時基準點作為基準點或工作基點。道路及地表沉降監(jiān)測點的埋設(shè)，在道路交通流量小且有環(huán)境條件鉆孔作業(yè)的地方，首先用鉆機鉆透硬化路面，成孔以后打入鋼筋測點，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。測點要埋設(shè)牢固，上部可安設(shè)保護蓋，同時做好標(biāo)記。地表測點埋設(shè)示意圖如圖3所示。

沉降監(jiān)測方法采用精密水準測量方法：工作基點和附近基準點聯(lián)測取得初始高程。監(jiān)測時各項限差宜嚴格控制，對不在水準路線上的觀測點，一個測站不宜超過3個，如超過時，應(yīng)重讀后視點讀數(shù)，以作核對。

監(jiān)測時通過測得各測點與基準點(基點)的高程差ΔH，可得到各監(jiān)測點的高程Δht，然后與上次測得高程進行比較，差值Δh即為該測點的沉降值，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)，以便進行平差處理，提高觀測精度，然后按照測站進行平差，求得各點高程。

3 沉降監(jiān)測分析

3.1 SPSS軟件

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

3.2 地表沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

根據(jù)圖2，選取1,2兩個測點的地表沉降數(shù)據(jù)，分析數(shù)據(jù)并繪制地表沉降趨勢圖如圖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。測點2的沉降值較測點1的沉降值大，原因是測點2距施工豎井及橫通道較近。

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

表1 地表變形控制標(biāo)準

1,2測點沉降觀測值最大分別為-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測點沉降變化趨勢的回歸方程分別為：

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)計學(xué)原理可認定此次擬合結(jié)果較為符合實測變化趨勢，具有較高的可靠性和參考價值，可用式(1)，式(2)進行后期沉降數(shù)據(jù)的預(yù)測。

4 地鐵施工地表沉降控制措施

根據(jù)對其觀測數(shù)據(jù)的分析得知，測點距離豎井及橫通道越近，沉降值越大，且隨著時間的推移，沉降曲線呈拋物線形狀，并將趨于穩(wěn)定。同理，測點3～測點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)沉降計算與預(yù)測：工程施工前，根據(jù)場地的工程地質(zhì)、水文地質(zhì)等條件并結(jié)合土力學(xué)實驗結(jié)果，采用上述建立的沉降預(yù)測模型對可能發(fā)生地表沉降的區(qū)域進行地表沉降量的計算和預(yù)測；

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)測措施：施工過程中加強巡視和沉降監(jiān)測，及時采取應(yīng)對措施；

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

5 結(jié)語

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

1)需設(shè)計好符合洞樁法施工特點的沉降觀測方案，觀測結(jié)果表明，本文提出的設(shè)計方案符合施工沉降特點；

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

3)采用洞樁法施工產(chǎn)生的地表沉降點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；

4)提出的適合洞樁法施工特點的沉降觀測數(shù)據(jù)的回歸分析模型，可較好地對沉降發(fā)展趨勢進行預(yù)測。