双侧洞暗挖地铁车站沉降控制分析

双侧洞暗挖地铁车站沉降控制分析

摘 要：通过对北京地铁 5 号线张自忠路站暗挖段地表监控点埋设、仪器选择、方法确认，利用“五固定”外业观测方法采集数据，经数据分析、筛选、比较，屏除测量多余数据构成测量成果，为双侧洞法浅埋暗挖地铁车站施工成套技术提供了数据支持。

关键词：地铁；双侧洞；暗挖；沉降；监控量测

1 工程概述

北京地铁5 号线张自忠路站位于平安大街与东四北大街相交的十字路口，东四北大街现状道路东侧，呈南北走向。 东西向平安大街已改造完毕，南北向东四北大街现状道路宽约20 m，规划道路宽 70 m（尚未实现规划）；现状道路交通繁忙拥挤，规划道路由现状道路向东侧扩宽实现，张自忠路车站位于规划道路红线范围内。

张自忠站为地下岛式站台车站，车站主体结构轮廓纵向剖面呈凹字形，两端为明挖结构 ，中间为双侧洞暗挖结构。

暗挖车站为单层三跨两柱连续结构，由侧墙、梁、板、柱及三拱等构件组成，施工顺序见图 1。

2 地表沉降测点布置与监测方法

2. 1 测点布置

1） 张自忠车站监控量测设计要求为： 每 10～50 m为

1 个断面，每个断面布设 7～11 个监测点；在工法变化的部位、车站与区间、车站与风道以及马头门等部位均应设置监测断面。

2）考虑采用 2D－δ 有限元程序对双侧洞法施工进行数值模拟，以分析地层响应规律，并及时与实测结果拟合分析。

3）考虑到平安大街交通繁忙，因此在主路的隔离带和两侧辅路上布设了3 个断面供地表沉降观测，以减少对交通的干扰。

2. 2 监测仪器选择

该工程地表沉降观测采用能够满足设计精度要求的DiNi12 精密电子水准仪及其配套铟钢尺。

2. 3 量测方法分析

水准基点联测按照国家一等水准测量的标准及技术要求进行，每公里偶然中误差不得大于 0.45 mm；沉降监测点位按照国家二等水准测量的标准及技术要求进行，每公里高差偶然中误差不得大于 1.0 mm。每次对监测点的高程测量均采用环路方式进行，并以设在附近的水准基点为观测基点，确保成果的可靠性。水准基点之间的联测一般每3 个月进行 1 次。 水准、沉降测量按文献[1]、[2]要求进行。

定期按附合路线进行基准点之间的往返引测；每次必须进行基准点某一点至建筑物上的某一点往返引测；每次必须按照规定的几何图形路线进行沉降观测点之间的观测。在施工区域内利用已经埋设好的基准点和监测点布设3 条附合水准线路，用精密水准仪按一定周期观测监测点高程。 把所得高程数据加以比较，来反映监测对象的沉降变化情况。

地表沉降监测采用《建筑变形测量规程》二级要求，观测精度及限差见文献[1]、[2]。

3 测量成果分析

3. 1 成果的重测和取舍

测段往返测高差不符值超限，应先就可靠程度较小的往测或返测进行整测段重测，并按下列原则取 舍：

1）若重测的高差与同方向原测高差的不符值超过往返测高差不符值的限差，但与另

一单程高差的不符值不超出限差，则取用重测结果；

2）若同方向两高差不符值未超出限差，且其中数与另一单程高差的不符值亦不超出限差，则取同方向中数作为该单程的高差；

3）若 1）中的重测高差 （或 2）中同方向两高差中数）与另一单程的高差不符值超出限差，应重测另一单程；

4）若超限测段经过 2 次或多次重测后，出现同向观测结果靠近而异向观测结果不符值超限的分群现象时，如果同方向高差不符值小于限差之半，则取原测的往返高差中数作往测结果，取重测的往返高差中数作为返测结果；

5）区段 、路线往返测高差不符值超限时 ，应就往返测高差不符值与区段（路线）不符值同符号中较大的测段进行重测，若重测后仍超出限差，则应重测其他测段；

6）符合路线和环线闭合差超限时，应就路线上可靠程度较小（往返测高差不符值较大或观测条件较差）的某些测段进行重测，如果重测后仍超出限差，则应重测其他测段；

7）每千米水准测量的偶然中误差 M 超出限差时，应分析原因，重测有关测段或路线；

8）测段重测与原测时间超过 3 个月，且重测高差与原测高差之差超过检测限差时，应按规定进行该测段两端点可靠性的检测。

3. 2 地表沉降观测点保护及意外情况处理

变形观测是一项长期而复杂的测量工作，变形观测点在使用过程中若被人为破坏，往往会导致变形观测数据的中断，因此，对观测点的保护应被高度重视。

在观测前3 d，对变形观测点的安全情况进行确认，如个别变形观测点受到破坏时，应及时补点，并进行1 次加强观测，以保证变形观测起始数据的精度和观测工作的持续进行（数据中断 1 次）。

在数据分析时，可在单点沉降曲线图上用上（N-1）次和下（N+1）次内插的方法求出中断次（N 次）的近似沉降值，以减少对整个数据分析的影响。

3. 3 沉降观测数据处理

结束沉降观测外业工作后，及时进行观测成果的整理和检查。 沉降值计算时以地表监测基点为标准水准点（高程已知），监测时通过测得各测点与水准点（基点）的高程差ΔH，可得到各监测点的标准高程 Δht，用本次与上次测得高程进行比较，差值Δht（1， 2）即为该测点的沉降值，即：

Δht（1， 2）=Δht（2）-Δht （1）。

采用经典严密平差法进行平差计算和处理，计算出各沉降观测点的高程和各点1 个观测周期内的沉降量、累积沉降量，填写沉降观测成果表，计算沉降速率等。

3. 4 数值模拟分析

科研组采用2D－δ 有限元程序对双侧洞法施工进行数值模拟，分析地层响应规律 ，并以现场监测数据进行拟合研究。

分析表明：侧洞开挖后的地表沉降是主要部分，占最终沉降的72.7 %，侧洞二衬施作完后的沉降占最终沉降的83.8 ％；各施工步序开挖产生的地表沉降分别占最终沉降的百分比见表1。

由表1 可知，1 步开挖（1 号导洞开挖）所占的百分比最大； 隧道中心线左侧 6 m 地表测点沉降随施工变化呈抛物线形，最大 45 mm。

3. 5 地表沉降实测数据与数值模拟结果对比

从地表沉降实测与数值模拟的结果上看，隧道中心线正上方在两侧中柱支护施工完毕后数值模拟计算的地表累计下沉量为-33.17 mm，实际监测的地表 A、B、C 断面累计下沉量分别为-32.67，-42.95，-51.25 mm。3 个断面的沉降均值为-42.29 mm。 数值模拟结果与地表A 断面监测结果基本吻合，略小于 B 断面的测值，C 断面的监测结果较大的原因为在施工过程中该断面附近有大量上层滞水所致。 另外从数值模拟结果来看，各分部沉降占最终沉降的百分比最大为18.99 %（导洞3 开挖支护），最小为 8.59 %（导洞 4 开挖支护），而实际（平均断面）监测结果占百分比最大为21. %（导洞3 开挖支护），最小为 5.22 %（导洞 1 开挖支护）。 可见，数值模拟能基本反映隧道开挖地层相应规律；但对于开挖过程中出现渗水等特殊情况时预测数值模拟会出现较大偏离。

3. 6 沉降监测结果分析

图2～4 为地表 A、B、C 断面不同时间的沉降时态曲线图。

从图中可以看到：

1）隧道开挖的初期地表沉降值增加较快，一般能在30 d 后趋于平缓。 同时沉降值的波动受相邻导洞开挖和初次支护影响较大，当初支结构封闭不够及时，即1 号导洞短台阶较长时，地表沉降量较大。

2）车站开挖后地表沉降主要发生在中线两侧 10 m范围内，隧道影响范围为中线两侧 24 m 左右，可见影响范围较小（仅为 3D，D 为隧道跨度）。 管棚预加固对控制地表沉降效果明显。

3）中洞开挖前地表沉降横断面沿隧道中线呈正态分布，地表沉降的最大值出现在隧道正上方，而不是两侧导洞的正上方；随着中洞的开挖，隧道正上方测点的地表沉降还有增长的趋势。可见，左右侧导洞开挖的沉降槽叠加后，两者中心测点的沉降值最大。

4）各导洞开挖地层损失的 Peck 曲线累加后，地表沉降槽曲线仍为Peck 曲线，地

表、拱顶沉降将在中柱施作后基本趋于稳定。 地表沉降的横向分布图形接近Peck 曲线。

地表测点沉降历时曲线线形基本一致，以主体暗挖地表A10 测点沉降历时曲线为例，见图 5。

由图5 可见：

①地表沉降历时曲线基本有 2 个拐点，主要是由1、3 号导洞开挖引起地层突变，其他导洞开挖引起的沉降量较小，均匀发展至稳定。

②地表 A 断面下方隧道 5 号洞部分初期支护已拆除，故沉降有波动，并有发展的趋势。

③由于车站施工步序复杂，暗挖侧洞法施工共有15 个不同的施工步序，因此，对施工引起的地表沉降用简单的单一函数回归难度较大。 从各曲线中看到中柱施工前基本有

2 个拐点， 而随着后期中洞开挖和支护，曲线将又会出现一定的沉降，因此对地表沉降历时曲线可以分段回归。

4 结语

张自忠路站地表监控量测施工技术严格按照国家二等水准测量要求布点、施测，严格执行“五固定”的观测方法[3]，准确地反映了地表沉降的实际情况，为张自忠站暗挖段最终地表沉降值控制在44.44 mm 内奠定了基础，成为北京地区类似工程施工监控量测的成功范例。

通过对地表沉降点数据与应力应变数据的相互验证，并与数据模拟相对照，比较准确地掌握围岩、支护结构、地表及构筑物的动态，及时预测和反馈，用动态信息及时调整施工工序、步距，保证了工程施工安全和顺利进行。

依据监控数据及时采用了地表跟踪补偿注浆、洞内实时变换施工方案与监控量测技术一体化施工技术，为在复杂环境条件下 ，超浅埋单拱大跨双侧洞法浅埋暗挖地铁车站施工技术提供了数据支持和现场验证，可供类似工程施工借鉴。

参考文献：

[1] 国家技术监督局. GB/T 127-2006 国家一 、二等水准测量规范[S]. 北京：中国标准出版社，2006.

[2] 建设综合勘察研究设计院. JGJ 8-2007 建筑变形测量规范[S]. 北京：中国建筑工业出版社，2007.

[3] 北京城建勘测设计研究院有限责任公司. GB 50308-2008 城市轨道交通工程测量规范[S]. 北京 ：中国建筑工业出版社 ，2008.