北京地铁6号线浅埋暗挖法车站施工地表沉降规律研究

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(中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600)

1 北京地铁6号线暗挖车站概况

北京地铁6号线是一条贯穿中心城东西方向的轨道交通线，分两期建设。一期西起五路，东至草房，全线长30.740 km，线路走向见图1。一期共设车站20座，全部为地下站。其中全部采用暗挖施工的车站为花园桥站、车公庄西站、车公庄站、北海北站、东四站、朝阳门站、东大桥站，部分采用暗挖的车站为南锣鼓巷站、甜水园站，合计占一期车站总数的45%。

图1 6号线一期线路走向

6号线二期起于一期工程终点草房站东端，终于通州区东小营站，线路全长12.44 km，全部为地下线，共设车站7座，其中物资学院站为全部暗挖车站。二期线路走向见图2。

图2 6号线二期线路走向

在北京地区，地铁6号线暗挖车站有其非常典型的特点。①暗挖车站数量多。目前在建的北京地铁线路，6号线的暗挖车站数量占到60% ～70%。②6号线线路贯穿北京中心城东西方向。地势上，北京城西高东低，西部车站埋深相对较深，向东车站埋深逐渐减小;地层上，第四纪地层的岩相自西部山麓向东部平原逐渐变化，表现出从上游到下游颗粒由粗到细的递变规律，地层上的这种特殊性给暗挖车站施工沉降带来了不同程度的影响。③6号线暗挖车站站位自西向东分布相对较均匀，基本涵盖了北京地区各种复合地层。

本文围绕暗挖法地铁车站施工引起地表沉降特征与地质条件、施工方法、埋置深度和施工管理水平等因素，开展相关研究。6号线暗挖车站覆土厚度6.96～14.00 m，开挖面积 212.80～482.19 m2，结构高度10.27～18.32 m，结构宽度11.8～23.3 m。车站上覆地层比较相似，主要包括渣土、粉土填土、粉质黏土、粉土、粉细砂等地层，地质沉积层的“相变”十分明显，上述地层在各车站上方的层厚不等。线路自西向东，车站开挖范围内的地层由厚度较大的圆砾卵石变为细颗粒的粉细砂、粉质黏土、粉土等。

2 地表沉降

由于6号线地铁车站主体均位于车公庄西大街、朝阳北路等主干路下方，上方管线沉降测点埋设时均无法采用抱箍法埋设，而采用与地表沉降测点埋设方法相同的浅层埋点法。故本次暗挖车站地表沉降数据统计时，将管线沉降值视为地表沉降值列入统计范围。表1为地表沉降统计结果，最大值的变化范围为－26.81～－120.26 mm，均值的变化范围为－16.42～－84.04 mm。

表1 地表沉降统计结果

依据表1、地表沉降与车站埋深、开挖面积的关系拟合曲线分别见图3、图4。

图3 车站埋深与地表沉降的关系拟合曲线

图4 车站开挖面积与地表沉降的关系

从图3可知:车站埋深7.0～8.5 m时，地表最大沉降值及平均沉降值均较大，3个车站中2个位于线路东部，而埋深11～14 m的几个车站在线路上主要分布在中东部，地表最大沉降值突破100 mm，埋深在8.5～10.5 m的车站主要集中在线路西端，其沉降相对较小。车站埋深与地表沉降大小不成反比，最大沉降值与平均沉降值拟合曲线均表现出此特点。线路东四站(含)～物资学院站(含)之间的暗挖车站地表最大沉降值、平均沉降值分别突破100 mm，60 mm。该段线路上暗挖车站在地层上表现出相似的特征，如上覆地层均包含厚度2～5 m的粉土、粉质黏土，车站开挖范围内的地层也以细颗粒的粉土、粉质黏土、粉细砂等为主。

从图4可知:车站开挖面积相对较小的东大桥单层暗挖段最大沉降值和平均沉降值均较大，而开挖面积360～420 m2的车站，线路中东部车站地表最大沉降值与平均沉降值明显大于线路西部车站;站位地质条件类似的线路中东部车站表现出地表平均沉降值随车站开挖面积增大而增大的特征。

为了保证地表沉降区间概率分布统计数据的准确性，对6导洞、8导洞暗挖施工车站991个测点的沉降值进行统计，结果见表2。

表2 地表沉降区间概率分布统计

地表沉降区间频率分布曲线见图5，大于相应地表沉降值的发生概率见图6。

图5 地表沉降区间频率分布曲线

图6 大于相应地表沉降值的发生概率

由图5可知，地表沉降区间频率分布曲线服从正态分布，由图6可以看出，大于相应地表沉降值的发生概率与地表沉降值成线性关系。

3 地表沉降分析

为研究6号线暗挖车站施工地表沉降规律，自西向东沿线路分别选取西部的车公庄西站、中东部的朝阳门站、甜水园站以及东部的物资学院站地表沉降数据进行分析。

3.1 地表沉降历时曲线分析

车公庄西站、朝阳门站、甜水园站、物资学院站典型测点的沉降曲线分别见图7、图8、图9、图10。

图7 车公庄西站主体上方DB-20-03测点沉降历时曲线

图8 朝阳门站主体上方DB-47-03测点沉降历时曲线

图9 甜水园站主体上方DB-21-03测点沉降历时曲线

图10 物资学院站主体上方沉降测点历时曲线(2012年)

由于甜水园站主体暗挖段长度43 m，横通道施工时，暗挖段上方的测点就已经开始监测，图9沉降历时曲线中包含了横通道开挖引起的部分沉降。

将以上4个暗挖车站沉降值进行汇总统计，结果见3。

从表3可以看出，暗挖车站在主体小导洞及桩、柱体系施工阶段引起的地表沉降最大，初支扣拱施工阶段引起的沉降次之，而二衬扣拱施工阶段引起的沉降最小，见图11。3个施工阶段引起的地表沉降比值大约为38∶14∶5。其余车站沉降规律类似。

表3 各阶段平均沉降值及其贡献比重汇总统计

图11 暗挖车站主体3个主要施工阶段引起沉降比值

3.2 地表沉降槽规律

自西向东沿线路分别选取西部的车公庄西站、中部的朝阳门站、东大桥站以及东部的物资学院站进行沉降槽研究，每个车站选取3个主监测断面，采用Peck公式进行拟合，如式(1)所示。

式中:S为距离隧道中线处的地表沉降，mm;Smax为y=0处的地表最大沉降值，mm;y为地表沉降测点与隧道中线的水平距离，m;i为沉降槽反弯点与隧道中线的水平距离，反映了隧道开挖对地表的影响范围，m。

地层损失指沿隧道纵向单位距离的沉降槽体积。对式(1)进行积分可得到地层损失V的计算公式

地层损失率指沿隧道纵向单位距离沉降槽体积与隧道开挖体积之比，它反映开挖对地层的扰动程度。

式中:Vs为地层损失率，D为隧道的等效直径。

以车公庄西站为例，其主体沉降槽拟合曲线见图12。典型车站地表沉降槽统计分析结果见表4。由表4绘制Smax，i与线路站位关系图，见图13。

图12 车公庄西站主体沉降槽拟合曲线

表4 典型车站地表沉降槽统计分析结果

图13 Smax，i与线路站位关系

从图13可知，线路自西向东的地表最大沉降值逐渐增大。结合表3，线路以东四站为分界线，东四站(含)以东暗挖车站地表沉降明显大于东四站以西。平面位置上，以东二环附近为分界线，以东暗挖车站地表沉降大，以西暗挖车站地表沉降小。

反弯点距隧道中线水平距离i主要集中在10～14 m，因此自车站中线向外15 m范围内的管线、建(构)筑物为重点监测风险源。

地层损失率0.3% ～0.7%，主要是北京地区地质条件较好的缘故，另一方面由前面的沉降历时曲线可知，地层损失主要发生在车站主体小导洞、桩柱体系施工阶段，无论是8导洞还是6导洞暗挖施工车站，该部分开挖面积约占到车站总开挖面积的31%，而本次计算时采用总开挖面积，也是地层损失率比较小的一个原因。

4 结语

本文对北京地铁6号线采用浅埋暗挖法施工引起的地表沉降进行分析，结论如下:

1)车站埋深与地表沉降大小不成反比，与车站上覆土及车站开挖范围内地质水文条件有关，以东四站为分界线，东四站(含)以东的暗挖车站地表最大沉降值及平均沉降值明显大于东四站以西暗挖车站。

2)车站开挖面积相近时，中东侧车站沉降明显大于西侧车站，东四站(含)以东的暗挖车站地层及水文条件相似，以细颗粒粉质黏土、粉土为主，开挖范围内均有含水层，地表最大沉降值随开挖面积的增大而增大。

3)地表沉降区间频率曲线服从正态分布，地表沉降－40～－60 mm出现频率较大，大于相应地表沉降值发生概率与地表沉降值成正比关系。建议北京地区以东二环为界，以东暗挖车站地表沉降控制值适当放宽，不应按目前北京市地方标准规定的－60 mm统一控制。

4)暗挖车站主体小导洞及桩柱体系、初支扣拱、二衬扣拱3个施工阶段引起的地表沉降比值大约为38∶14∶5。

5)沉降槽反弯点距离等效隧道中线10～14 m，地层损失率0.3%～0.7%。

6)由车站沉降规律可在各施工阶段提前采取控制沉降措施，优化各施工阶段沉降控制指标，预测地表沉降槽反弯点距离及地层损失率取值范围、地表最大沉降值。

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