受沉降凹槽影响下的三爻站特殊处理方案
摘 要 以西安地铁 2 号线三爻站工程实例为背景，通过现场实测沉降数据分析，阐述沉降槽影响下的地铁结构处理方案及结构计算，提出了“加大结构构件尺寸，增加结构整体刚度; 加大结构净空，预留变形量; 采用柔性碎石道床”的应对措施。
关键词 沉降槽 地铁 处理措施 结构计算
1 地面沉降及车站情况介绍
1． 1 地面沉降测量数据
西安市地铁二号线南延段水准测量数据显示，会展中心—杜陵路段普遍产生了地面沉降，地面沉降总体形态为凹槽状( 见图 1) 。
凹槽中心位置大致为绕城高速北侧—军警路口( 右 DK21 +360 ～右 DK21 +795) 。凹槽中心位置沉降量较大，边缘部位沉降量较小。2008 年9 月至2010 年4 月凹槽中心最大累积沉降量为225． 7 mm( 11 号观测点，三环辅道处，右 DK21 + 390) ，年平均沉降量为142． 55 mm，月平均沉降量为 11． 88 mm。
凹槽北侧最大沉降坡度段位于绕城高速———南三环辅道南段 ( 右DK21 + 90 至 右 DK21 +360，9 ～ 11 号观测点之间 ) ，原始地面坡率为1∶ 158． 1，沉降后地面差异沉降坡率为 1 ∶ 2 879． 8。其中差异沉降坡率为相邻两个观点的沉降差与两点间水平距离的比值，即由地面差异沉降引起的坡率变化。
凹槽南侧最大差异沉降坡率段位于中石油长安南路加油站———西安外事学院附属中专段( 右DK22 + 156 至右 DK22 + 321，13 至 14 号观测点之间) 。该段原始地面坡率为1∶ 26． 909 091，沉降后地面差异沉降坡率为 1∶ 208 17．8。
1． 2 地面沉降趋势预测
( 1) 按观测点观测数据的趋势预测，未来几年内该段沉降量将不断减小，直至减小为 0。由观测点累积沉降量统计表预估该段最终沉降量小于1． 500 0 m。沉降凹槽南端最大差异沉降坡率为1∶ 416 7，北端最大差异沉降坡率为 1∶ 649 5。
( 2) 根据西安城市地面沉降量观测数据预测，由西安城市地裂缝分布及地面沉降量等值线图《西安城市工程地质图集》( 西安地图出版社，1998 年) ，几个沉降凹槽沉降坡率最大在观音庙及邮电学院处附近水平距离约 600 m，而差异沉降量则为0． 500 0 m。当地铁二号线该段地面沉降与此沉降状况相同时，则沉降凹槽边缘最大差异沉降坡率为1∶ 1 200。
( 3) 极端情况下的沉降预测，根据西安地区地面沉降的观测和研究结果，推测该地段出现极端沉降现 象为沉降凹槽中心最终累计沉降量达2． 000 0 m，而凹槽两端的最终累计沉降量为0． 800 0 m，该状况下，凹槽南端最大差异沉降坡率为 1∶ 710，北端最大差异沉降坡率为 1∶ 855． 8。
1． 3 地面沉降成因分析
调查走访获知，东三爻村居民总数约 2 万余人，生活、生产用水全部来源于开采深层承压水，近年来随着生产发展，生活水平提高，用水量急剧增加，导致深层承压水开采量增加。此外，西三爻村华城国际 ( f10 和 f11 之 间) 小区内也有两口深井( 250 m) 在开采地下水。结合西安地区经验判定: 过量开采深层承压水是该段产生较大地面沉降量的主要原因。
1． 4 车站情况
三爻站为双层岛式车站，全长 179． 60 m，标准段宽度 18． 70 m，轨面埋深 14 ～ 18 m。车站前后区间均为暗挖区间。车站北端里程 DK21 + 799，基本位于沉降槽中心范围内，车站中心里程 DK21 + 912距沉降槽中心约 117 m。围护结构采用 DN1 000@1 650( 南端加深段采用 DN1 000@ 1 500) 的钻孔灌注桩加 DN609 钢管内支撑体系，桩间网喷混凝土护壁，明挖顺作法施工，按钻孔桩与车站主体结构共同受力考虑。地下水埋深 18． 20 ～22． 20 m，位于在车站底板下，故不考虑基坑降水。
2 车站工程处理措施
2． 1 结构上可采取加大净空，预留变形量
按区间预留变形量及线路调坡的需要，并考虑安全系数 2． 0，车站站台层净高加高 300 mm。站台层净高加高，楼扶梯提升高度增加，费用有所增加。
2． 2 采用柔性碎石道床
将三爻站整体道床改为碎石道床( 见图 2) ，轨面距底板距离由 560 mm 调整为 750 mm，是有必要且可行的。相应的，部分过轨管线需提前埋设在结构底板内，势必加大结构底板并对管线检修形成一定影响。经核实: 给排水存在两根 DN300 的管线需过轨接入废水泵房。其他专业过轨管线尚需进一步梳理，较大管线可考虑在轨行区上方过轨。
2． 3 区间与车站接口预留调坡条件
现站前坡度约为 16‰。经核算，考虑差异沉降后，线路调坡能满足行车要求。
2． 4 加大结构尺寸，以抵御差异沉降
考虑到车站范围内可能产生不均匀沉降，主体结构目前有两种主要办法处理: 一是“放”，即设沉降缝，允许车站各部分自由沉降，互不影响，避免由沉降差产生的过大内力。区间结构采取此类应对措施，但与区间隧道( 线型结构) 不同，车站总长约180 m，其整体刚度较大，且车站设缝，对车站结构防水，轨道，轨顶风道，屏蔽门，电扶梯等各方面不利，不宜采用。二是“抗”即采用刚度很大的结构尺寸，不允许自由沉降，车站横向亦可抗扭，有利于车站百年工程的正常使用和维护。但是会产生较大内力，导致车站结构尺寸加大，造价增高。
综合考虑，拟采用加大结构尺寸，沿车站纵向不设缝，抵御差异沉降的措施。
3 车站计算分析
3． 1 主体结构计算
3． 1． 1 三维计算
车站纵向刚度较小，受地面沉降影响较大。根据对极端状态下的地层沉降分析，沉降坡率最大地段位于凹槽南端，为 1 ∶ 710。输入最大位移值220 mm。沿车站纵向梯度施加位移。
计算结果显示: 在差异沉降工况下，车站结构纵向发生明显挠曲，最不利位置位于车站中部。车站梁柱体系内力相应发生一定变化。在调整板厚的情况下，车站结构对差异沉降的敏感性降低，同时弱化了梁柱体系在整个结构中的作用。经核算，当底板增加到 1． 2 m，端墙、侧墙厚调整到 0． 8 m时，整个结构体系能抵御极端情况下差异沉降，保证结构不开裂。
3． 1． 2 二维计算
在保证弹簧刚度不变的情况下，对底板施加地面均匀沉降位移，经过计算，得出基本组合下板及墙弯矩及剪力值基本无变化。
在保证弹簧刚度不变的情况下，对底板施加不均匀沉降位移，一端 220 mm，一端 185 mm，两端差异沉降 35 mm，通过计算，得出基本组合下底板的弯矩值及剪力增大，增幅都约 15%，墙的弯矩及剪力值略有增加。
由于没有横向沉降坡度，暂时按上述 2 种情况下最不利弯矩，初步拟定底板厚度1 200 mm，主筋 D28 @ 150 能满足要求裂缝及承载力要求; 侧墙厚度800 mm，外侧配筋 D28@150 能满足裂缝及承载力要求。
3． 1． 3 温度应力
车站全长 180 m，不设缝需考虑温度应力。
根据西安地区温度情况，地下结构温度变化影响使用阶段按15 ～46 ℃考虑，施工期间砼内部峰值温度按75 ℃考虑。为了考虑徐变的影响，当按弹性体计算构件的温度应力时，可将砼的弹性模量乘以0． 7 的系数。
主体结构施工图中将按计算结果和其他城市地铁车站不设缝的经验，适当增加纵向分布钢筋，控制施工工序，以尽可能地消除温度应力对结构带来的影响。
3． 2 围护结构计算
由于围护结构图纸已出，则需要变更处理。
结构净空加高，结构尺寸加大导致基坑埋深加大 0． 8 m，基坑宽度增加 0． 4 m，车站起始里程有所变化，需向区间隧道设计单位提资。在保证 DN1 000桩径及 1 650 mm 桩间距不变的情况下，进行围护结构调整。
经检算，嵌固深度增加1 m，桩长增加约1． 8 m，配筋稍作提高即可。
4 结论及建议
( 1) 在沉降凹槽影响范围内提出的车站结构不设变形缝、结构扩大断面、预留净空量、采用碎石道床等应对措施，能够解决地铁二号线南段( 会展中心 － 杜陵路段) 地面沉降对地铁工程影响的问题。
( 2) 在此段范围内开展长期地面沉降观测工作，并制定合理的地下水采灌方案。
( 3) 向管理机构提出控制承压水的开采量，以减缓地面沉降的活动性，从根本上消除地面沉降对地铁工程的不良影响。
参考文献 ＜资料 ＞
1 骆建军，张顶立，王梦恕． 地铁施工沉降监测分析与控制［J］． 隧道建设，2006( 1)
2 西安地铁 2 号线沉降槽对三爻站结构危害性研究［R］．西安理工大学，2010
3 张庆贺，朱合华，庄荣． 地铁与轻轨( 第二版) ［M］． 北京:人民交通出版社，2006
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