摘  要:为了解地层变形引起的管线沉降规律,依托北京地铁10号线黄庄站工程,基于地表和管线沉降的实测数据,利用时程曲线分析车站洞桩法施工引起的邻近典型管线变形规律。洞桩法车站施工引起的管线沉降主要分为3个变化阶段:初期缓慢变化期,掌子面通过测点时的急剧变化期和掌子面通过后的稳定期。管道与土体在车站施工过程中产生一定的沉降差,在管道正下方土体开挖时差异沉降迅速增大,掌子面通过测点一定距离后,差异沉降趋于稳定。

关键词: 地铁车站; 洞桩法; 地下管线; 管线沉降

 

      北京地铁目前在建新线共7条,至2015年,总通车里程将达561 km,形成“三环、四横、五纵、八放射”的线网格局。北京地铁建设规模之大,线路之多,前所未有。

      城市地铁工程多处于热闹繁华的城市中心地带,地铁车站往往布置于十字路口下方,各种地下管线错综复杂,车站施工不可避免会扰动周围地层,由于管线刚度远大于土体刚度,地层变形将引起管线的附加变形,影响其正常使用,甚至会造成安全事故。为保证道路及周边建(构)筑物的安全,车站周边地表沉降及建(构)筑物变形控制标准往往较高。洞桩法结合了暗挖法与盖挖法的优势,能够有效地控制地层变形,该工法力系转换频繁,对邻近地下管线的影响规律尚不明确,迫切需要研究洞桩法施工引起的邻近管线变形规律。

      在地铁洞桩法施工引起的地层位移与周边建(构)筑物变形方面已有一些研究:肖广智^[1]研究了天安门西站主体结构的施工方案比选和优化过程,详细描述了浅埋暗挖洞柱逆作法的施工过程;刘维宁等^[2]研究了北京地铁复八线天安门西车站暗挖施工对地层沉降以及管线变形的影响;吴波等^[3]结合深圳地铁大剧院科学馆区间隧道工程,采用离心试验、数值模拟及现场量测的方法,研究了非降水施工对管线的影响,给出了管线安全性的评价标准;何海建^[4]分别从空间效应、时间效应、邻近桥基差异沉降的概率分析3个方面探讨了地铁洞桩法施工对邻近桥桩的影响;申国奎^[5]以北京地铁10号线苏州街—黄庄区间工程为背景,采用有限元分析结合现场实测数据的方法,研究了洞桩法施工时地表沉降的规律特点。此外,国内近年来还有包括洞桩法施工技术、地层沉降规律及管线变形预测等方面的研究^[6-10]。

      已有研究中关于地铁车站洞桩法施工对邻近管线的影响研究较少,而本文是以北京地铁10号线黄庄站工程为背景,通过车站上方典型管线与地表沉降的监测结果对比分析,系统研究洞桩法车站施工引起管线沉降的变化规律。

 

      地铁黄庄站为4号线与10号线的十字换乘站,两站在平面上斜交,且10号线在4号线上方通过,见图1。车站上方管线密布,车站导洞、主体结构上方多处与管线距离很近,距离车站结构最小净距仅3m。管线类型多样、材质各异、剩余承载能力和变形能力差别较大。车站主体采用4导洞的洞桩法施工,施工步序见图2。黄庄站规模大、埋深浅、结构和施工工艺复杂,施工难度和风险很大,对邻近管线的影响十分突出。

      从地表向下土层依次为:杂填土 ₁层、粉土素填  土层、粉细砂④₃层、粉土（四）层、粉质黏土（四）₁层、粉土 ₂层、粉细砂 ₃夹层、卵石圆砾 层、中粗砂  ₁层、粉土  3层、粉土  ₂层、中粗砂⑧₁层、卵石圆砾⑧层。车站简化后的地质情况见图3。

      车站场区第四纪地层中赋存上层滞水、潜水和承压水。上层滞水赋存于粉土（四）层或粉土 ₂层,潜水赋存于粉细砂 ₃层、卵石圆砾  层、粉土  ₂层。承压水赋存于卵石圆砾⑧层及粉细砂⑧₁层,水头位于结构底板以下。

      黄庄站下方管线较多且大部分埋设在道路中间车站正上方,经过改移处理后,确定了6条受车站施工影响较大、需密切监测的管线。基本情况见表1,车站结构与监测管线的剖面位置关系见图4,管线测点平面布置如图5所示,测点布置采用套筒式,如图6所示。

      黄庄站监测管线共布置测点28个,由于被钢格栅、钢板或路面混凝土浇筑遮挡,有效测点共16个。管线及其正上方的地表沉降监测结果如表2所示。管线初测时地表已发生部分沉降,终测时车站结构中跨拱部土体已经贯通。因黄庄路口修补恢复路面,管线监测点此后被覆盖无法观测,由于管线下方暗挖施工都已完成,管线沉降都已经稳定,故可近似认为此时的管道沉降为车站施工完成时的最终沉降。

      管径为1 400mm的上水钢管共设置6个测点,其中有效测点有5个。沉降最大的是JS14-5号测点,沉降值为39. 1mm。沉降时程曲线如图7所示。

      由于管线位于10号线车站主体结构南侧的上方,主要受西端南侧导洞开挖影响。西端南导洞是自西向东开挖,由JS14-1—JS14-5依次通过各测点。初测时,西端南侧导洞已通过JS14-1, JS14-2测点,此时各测点上方地表已发生不同程度的沉降,故管道各测点在初测时有部分沉降没有测到。

      初测时掌子面与管道测点的距离越远,管道和地表沉降监测初值就越接近于0,此时越接近实际情况,如图7(d), 7(e)所示,故下面以JS14-4, JS14-5测点的时程曲线分析管线与地表沉降的规律。

      如图7(d), 7(e)所示,导洞掌子面未开挖到管道测点时,管线和地表沉降以相同趋势缓慢增加。导洞掌子面通过管道测点时,管线和地表沉降迅速增大,地表沉降曲线的斜率大于管线沉降曲线,管道与底部土体迅速发生差异沉降。当掌子面通过管道测点一定距离后,管线与地表沉降曲线逐步趋于平缓,沉降差基本保持常数变化,导洞贯通后JS14-4, JS14-5测点沉降差分别为20.6mm和14.3mm,中拱开挖通过测点时进一步加大,最终差值分别为27.3mm和18.6mm。说明管道具有一定抵抗变形的能力,由于地铁开挖引起的地中沉降要大于地表沉降,分析可知管道底部土体沉降应大于地表沉降,故实际管土差异沉降值应大于管道与地表沉降差。

      管径为800mm的上水钢管共设置5个管线测点,其中只有JS8-3为有效测点。管道沉降时程曲线如图8所示。

      管道位于10号线北侧端部,主要受西端北导洞开挖影响。由图8可以看出,初测时地表仅发生4mm的沉降,该图能够反映实际管道与地表沉降的变化规律。当管道与隧道开挖方向平行时,管道沉降变化规律与纵向地表沉降规律类似,大致可分为3个主要变化阶段:初期缓慢变化期,掌子面通过测点时的急剧变化期和掌子面通过后的稳定期。当掌子面逐步接近的阶段,管道与地表沉降缓慢增加;随着掌子面各开挖步分别通过,地表和管道沉降均急剧增加,且地表沉降增大的速率更大,此时迅速发生管土差异沉降。掌子面各步均通过一定距离后,管道与地表沉降开始缓慢下降,沉降差Δ₁基本保持为常数,导洞开挖结束时为16mm左右,中拱开挖后稳定在24mm。实际管道与底部土体的沉降差值Δ₂应大于Δ₁,如图9所示(图中虚线为推测得到的管道底部土体沉降时程曲线)。

      通过研究可知,管线和地表沉降随车站施工的变化规律基本趋于一致,限于篇幅,选取其他管线典型测点进行研究,典型管线测点沉降与正上方地表沉降时程曲线如图10—13所示。

      根据上述6条管线与地表沉降时程曲线的变化规律分析可知,当管道与隧道平行时,管道沉降时程曲线符合纵向地表沉降曲线,大致可分为3个主要变化阶段:初期缓慢变化期、掌子面通过测点时的急剧变化期和掌子面通过后的稳定期。

      掌子面通过管道测点时,管线和地表沉降迅速增大,在掌子面逐步接近测点(地表和管道)的阶段,管道与地表沉降以相同趋势缓慢增加,二者沉降值基本一致,这个变形一致的区间范围与隧道埋深、开挖进度以及地表沉降槽的特征参数有关;随着掌子面各开挖步分别通过测点,地表和管道测点沉降均急剧增加,且地表沉降曲线的斜率更大,此时管道与周围土体迅速发生差异沉降;掌子面各开挖步均通过测点一定距离后,管道与地表沉降开始缓慢下降,沉降差近似为常数,管道与下部土体沉降差值大于该沉降差。

      由于监测管线大部分与车站平行,仅有直径800mm的上水铸铁管与车站垂直,故对于管道与隧道垂直的情况分析较少。通过800mm的上水铸铁管与其他管线沉降时程曲线的比较,可大致推断管道与隧道垂直时管道沉降时程曲线规律和平行时类似,也分为3个变化阶段。在掌子面通过时的急剧变化期,管道和地表沉降速率相对于平行时要大;掌子面通过后的稳定期管道和地表沉降的速率相对于平行时要小。