摘 要:介紹監控量測數據分析方法在暗挖地鐵信息化施工中的應用,主要結合北京地鐵5號線東四站在暗挖施工中采用的地表沉降監測數據分析方法,以預測暗挖下穿建筑物的最終沉降值,同時采用軟件計算,并與實際值比較。
關鍵詞:地鐵車站; 監控量測; 數據分析
1 工程概況
北京地鐵5號線東四車站位于朝陽門內大街與東四北大街相交的十字路口東側,南北走向,車站兩端為三層三跨明挖結構,中間為單層暗挖結構(外拱為扁平馬蹄形斷面,二襯為三拱兩柱暗挖結構) ,車站總長19915m,其中暗挖段長為99110m,暗挖段車站總寬為23186 m,高10164 m,車站中心里程為K9 + 575125。暗挖段下穿朝陽門內大街和朝內菜市場。
朝陽門大街為雙向6車道,兩邊設自行車和人行步道,寬約35 m,為瀝青混凝土路面;朝內菜市場為三層鋼筋混凝土框架結構,設一層地下室,采用鋼筋混凝土柱明挖擴大基礎和箱形基礎,明挖擴大基礎深111m,箱形基礎深約6m。
東四站的主體結構從菜市場下方穿過,拱頂距地面為13m,距菜市場箱形基礎約7 m。菜市場橫斷面寬3210m,縱向長42175 m,菜市場為獨立柱基礎,柱基礎埋深約111m,柱間距6115m,為1989年的建筑,車站的
暗挖段基本位于菜市場的正下方,長度方向全部穿越。
2 施工及監測方法
211 施工方法
根據暗挖斷面結構形式,東四站采用洞柱法(亦稱中柱法)施工,即將暗挖斷面分為15個小斷面,分柱洞、中洞、邊洞,施工時先開挖柱洞1、2、3號,施工地梁Ⅰ、鋼管柱Ⅱ及天梁Ⅲ,然后開挖中洞4、5、6,襯砌Ⅳ、Ⅴ完成后,最后開挖邊洞7、8、9并襯砌Ⅵ、Ⅶ。見圖1。
212 地表沉降觀測方法
(1)朝內菜市場的沉降觀測在朝內菜市場的基礎角點上布設沉降觀測點,在獨立柱基礎上采用沖擊鉆鉆孔,埋設沉降觀測點。進行柱 基礎沉降觀測,重點監控柱間沉降差。
(2)地表量測點布置
暗挖下穿朝陽門內大街段,在地表布設沉降觀測點,地表沉降觀測點橫向點與點距離215～10 m,每斷面布置13個點,沿車站縱向每排間距5 m,由南向北共計布置10排。
213 施工步序及階段地表沉降情況
為下穿朝內菜市場提供施工經驗,暗挖施工從南側開始施工,即先施工下穿朝陽門內大街段。施工于2004年4月15日開始,至2005年3月底,完成南側下穿朝陽門內大街段柱洞、中洞的開挖及襯砌,邊洞完成開挖7號洞約20m, 8號洞完成開挖9 m, 9號洞仍未開挖。截止3月底,實測地表沉降最大值為22160mm。下穿菜市場段暗挖主體完成柱洞1、2、3號開挖,菜市場外部沉降最大值為29191 mm (位于最南側)。柱間沉降差13162mm,小于3‰柱間沉降差控制標準。
3 數據分析
311 總體思路
以實測地表沉降值,預測菜市場下方暗挖主體結構襯砌全部完成后,菜市場沉降值分析采用以下3種方式:
(1)以第一、第二排沉降觀測點(東西橫向)從導洞開挖、柱洞襯砌、中拱開挖及襯砌幾個階段進行地表沉降值作二級、三階多項式分析,分析推導每階段沉降值,并預測邊洞開挖沉降值及對朝內菜市場的影響;
(2)以點3、5、7、9、11五個點縱斷面(南北)分各開挖階段的沉降曲線;
(3)以第一排點3、5、7、9、11五個點在時間效應上沉降曲線分析。根據上述數據,推測在下穿朝內菜市場暗挖主體結構襯砌全部完成后的沉降值。
312 橫向沉降數據分析
截止2005年3月底剛完成中洞仰拱第一段襯砌,故取南側第一、二排點分析,第一排點里程: K9 + 532;第二排點里程: K9 + 537。考慮時間效應影響,反饋到地表沉降值按滯后7 d天左右考慮。以K9 + 537段為例分析見表1。
313 縱向沉降數據分析
縱向取3、5、7、9、11五條線分5個縱向斷面分6個階段進行沉降分析,推測縱向沉降差對菜市場的影響。現以7號點為例分析如下( 7號點各階段沉降值見表2) 。
根據各階段沉降值可以看出在7個施工階段,縱向無明顯的沉降差, 5 m 范圍內縱向沉降差最大值13162 mm,坡度2127‰,小于3‰。
314 時間效應數據分析從時間效應上分析,以K9 + 532斷面量測點的3、5、7、9、11 點數據進行分析,并作了3 階多項式趨進線,反映地表沉降規律。現以7號點為例來進行分析(圖2) 。
4 軟件計算
為更準確確定在暗挖通過菜市場后的沉降終值,采用了3D σ有限元分析軟件進行分析,建立模型,預測各階段沉降量及危及建筑物情況。根據現場情況,首先采取的具體措施為: (1)根據地質及建筑構造情況,建立三維立體模型; (2)根據現場南側已開挖段量測結果,進行反分析地層參數; (3)再進行未施工段正分析,預測各階段地表沉降量。理論計算結果表明,地表沉降量為29 mm,朝內菜市場柱間沉降差最大為17 mm (在未調整參數的情況下,地表沉降量理論計算最大值為5519mm) 。
截止2005年10月底,東四站基本完成暗挖下穿建筑物施工, 經實測菜市場內沉降值最大為41136mm,比理論推斷值大314%。菜市場沉降比過路段沉降值要偏大,原因分析如下。
(1)暗挖段分南北兩段開挖,南側開挖后,過菜市場段已有一定影響,在菜市場下方開挖時形成二次擾動,相對一次開挖沉降值要增大。
(2)降水因素:因受菜市場影響,菜市場西側采用管井降水,其他降水依靠在暗挖東北側設立的輻射降水井降水,尤其是柱洞2號、邊洞8號洞存在黏土與砂水的分界,降水局部不徹底,黏土遇水軟化成稀泥,格柵底部為稀泥,對沉降影響較大。
(3)施工組織因素:因為下穿菜市場段施工正值春節,人員組織有一定難度,施工相對緩慢,對沉降也有一定影響。
(4)菜市場本身因素影響:菜市場段結構本身重量加上店內顧客較多,相對于過路段荷載相對過大,對沉降加大也會有一定影響。
暗挖施工錯綜復雜,選用合適的量測方法和數據分析方法,對關鍵部位施工做到有的放矢,保證施工安全和周圍建筑物等安全。
隨著計算機業的發展和量測技術的不斷進步,對施工過程中各工序可以進行數值模擬,且分析各階段、各步驟數值情況,可以更好實現數字化、信息化施工,從而對管線、建筑物保護等進行更全面、客觀、準確的分析研究。
參考文獻:
[1 ] 楊林德. 軟土工程施工技術與環境保護[M ]. 北京:人民交通出版社, 2000.
[2 ] 彭澤瑞,郭建國,等. 北京地鐵復八線土建工程施工技術[M ]. 北京:中國科學技術出版社, 2003.
[3 ] 潘昌實. 隧道力學數值分析方法[M ]. 北京: 中國鐵道出版社,1995.
[4 ] 姚海波,王夢恕. 崇文門地鐵站淺埋暗挖法穿越既有線結構沉降數值分析[J ]. 市政技術, 2004 (增刊).
[5 ] 孫 鈞. 地下工程設計理論與實踐[M ]. 上海:上海科學技術出版社, 1996.
[6 ] GB 50299—1999,地下鐵道工程施工及驗收規范(2003年版) [S].
