摘 要:介绍监控量测数据分析方法在暗挖地铁信息化施工中的应用,主要结合北京地铁5号线东四站在暗挖施工中采用的地表沉降监测数据分析方法,以预测暗挖下穿建筑物的最终沉降值,同时采用软件计算,并与实际值比较。
关键词:地铁车站; 监控量测; 数据分析
1 工程概况
北京地铁5号线东四车站位于朝阳门内大街与东四北大街相交的十字路口东侧,南北走向,车站两端为三层三跨明挖结构,中间为单层暗挖结构(外拱为扁平马蹄形断面,二衬为三拱两柱暗挖结构) ,车站总长19915m,其中暗挖段长为99110m,暗挖段车站总宽为23186 m,高10164 m,车站中心里程为K9 + 575125。暗挖段下穿朝阳门内大街和朝内菜市场。
朝阳门大街为双向6车道,两边设自行车和人行步道,宽约35 m,为沥青混凝土路面;朝内菜市场为三层钢筋混凝土框架结构,设一层地下室,采用钢筋混凝土柱明挖扩大基础和箱形基础,明挖扩大基础深111m,箱形基础深约6m。
东四站的主体结构从菜市场下方穿过,拱顶距地面为13m,距菜市场箱形基础约7 m。菜市场横断面宽3210m,纵向长42175 m,菜市场为独立柱基础,柱基础埋深约111m,柱间距6115m,为1989年的建筑,车站的
暗挖段基本位于菜市场的正下方,长度方向全部穿越。
2 施工及监测方法
211 施工方法
根据暗挖断面结构形式,东四站采用洞柱法(亦称中柱法)施工,即将暗挖断面分为15个小断面,分柱洞、中洞、边洞,施工时先开挖柱洞1、2、3号,施工地梁Ⅰ、钢管柱Ⅱ及天梁Ⅲ,然后开挖中洞4、5、6,衬砌Ⅳ、Ⅴ完成后,最后开挖边洞7、8、9并衬砌Ⅵ、Ⅶ。见图1。
212 地表沉降观测方法
(1)朝内菜市场的沉降观测在朝内菜市场的基础角点上布设沉降观测点,在独立柱基础上采用冲击钻钻孔,埋设沉降观测点。进行柱 基础沉降观测,重点监控柱间沉降差。
(2)地表量测点布置
暗挖下穿朝阳门内大街段,在地表布设沉降观测点,地表沉降观测点横向点与点距离215～10 m,每断面布置13个点,沿车站纵向每排间距5 m,由南向北共计布置10排。
213 施工步序及阶段地表沉降情况
为下穿朝内菜市场提供施工经验,暗挖施工从南侧开始施工,即先施工下穿朝阳门内大街段。施工于2004年4月15日开始,至2005年3月底,完成南侧下穿朝阳门内大街段柱洞、中洞的开挖及衬砌,边洞完成开挖7号洞约20m, 8号洞完成开挖9 m, 9号洞仍未开挖。截止3月底,实测地表沉降最大值为22160mm。下穿菜市场段暗挖主体完成柱洞1、2、3号开挖,菜市场外部沉降最大值为29191 mm (位于最南侧)。柱间沉降差13162mm,小于3‰柱间沉降差控制标准。
3 数据分析
311 总体思路
以实测地表沉降值,预测菜市场下方暗挖主体结构衬砌全部完成后,菜市场沉降值分析采用以下3种方式:
(1)以第一、第二排沉降观测点(东西横向)从导洞开挖、柱洞衬砌、中拱开挖及衬砌几个阶段进行地表沉降值作二级、三阶多项式分析,分析推导每阶段沉降值,并预测边洞开挖沉降值及对朝内菜市场的影响;
(2)以点3、5、7、9、11五个点纵断面(南北)分各开挖阶段的沉降曲线;
(3)以第一排点3、5、7、9、11五个点在时间效应上沉降曲线分析。根据上述数据,推测在下穿朝内菜市场暗挖主体结构衬砌全部完成后的沉降值。
312 横向沉降数据分析
截止2005年3月底刚完成中洞仰拱第一段衬砌,故取南侧第一、二排点分析,第一排点里程: K9 + 532;第二排点里程: K9 + 537。考虑时间效应影响,反馈到地表沉降值按滞后7 d天左右考虑。以K9 + 537段为例分析见表1。
313 纵向沉降数据分析
纵向取3、5、7、9、11五条线分5个纵向断面分6个阶段进行沉降分析,推测纵向沉降差对菜市场的影响。现以7号点为例分析如下( 7号点各阶段沉降值见表2) 。
根据各阶段沉降值可以看出在7个施工阶段,纵向无明显的沉降差, 5 m 范围内纵向沉降差最大值13162 mm,坡度2127‰,小于3‰。
314 时间效应数据分析从时间效应上分析,以K9 + 532断面量测点的3、5、7、9、11 点数据进行分析,并作了3 阶多项式趋进线,反映地表沉降规律。现以7号点为例来进行分析(图2) 。
4 软件计算
为更准确确定在暗挖通过菜市场后的沉降终值,采用了3D σ有限元分析软件进行分析,建立模型,预测各阶段沉降量及危及建筑物情况。根据现场情况,首先采取的具体措施为: (1)根据地质及建筑构造情况,建立三维立体模型; (2)根据现场南侧已开挖段量测结果,进行反分析地层参数; (3)再进行未施工段正分析,预测各阶段地表沉降量。理论计算结果表明,地表沉降量为29 mm,朝内菜市场柱间沉降差最大为17 mm (在未调整参数的情况下,地表沉降量理论计算最大值为5519mm) 。
截止2005年10月底,东四站基本完成暗挖下穿建筑物施工, 经实测菜市场内沉降值最大为41136mm,比理论推断值大314%。菜市场沉降比过路段沉降值要偏大,原因分析如下。
(1)暗挖段分南北两段开挖,南侧开挖后,过菜市场段已有一定影响,在菜市场下方开挖时形成二次扰动,相对一次开挖沉降值要增大。
(2)降水因素:因受菜市场影响,菜市场西侧采用管井降水,其他降水依靠在暗挖东北侧设立的辐射降水井降水,尤其是柱洞2号、边洞8号洞存在黏土与砂水的分界,降水局部不彻底,黏土遇水软化成稀泥,格栅底部为稀泥,对沉降影响较大。
(3)施工组织因素:因为下穿菜市场段施工正值春节,人员组织有一定难度,施工相对缓慢,对沉降也有一定影响。
(4)菜市场本身因素影响:菜市场段结构本身重量加上店内顾客较多,相对于过路段荷载相对过大,对沉降加大也会有一定影响。
暗挖施工错综复杂,选用合适的量测方法和数据分析方法,对关键部位施工做到有的放矢,保证施工安全和周围建筑物等安全。
随着计算机业的发展和量测技术的不断进步,对施工过程中各工序可以进行数值模拟,且分析各阶段、各步骤数值情况,可以更好实现数字化、信息化施工,从而对管线、建筑物保护等进行更全面、客观、准确的分析研究。
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