地铁施工时, 临近施工隧道的地面建筑物不可避免地会因施工而受到影响, 产生异变。分析异变成因, 乃因地铁隧道通常情况下的深埋处理均相对较浅^[1]。因而隧道施工时, 隧道上方的覆岩围岩应力必然因受力而重新分布, 因此导致覆岩围岩出现裂变及地面下沉状况, 地面建筑物也可能出现不均匀下沉, 既有地面建筑结构不可避免地会因此而受损, 危及建筑物安全及建筑物的使用寿命, 也易埋下社会矛盾隐患或引发纠纷^[2]。

长期以来, 施工过程中始终面对扰民困惑。在不影响施工进度及有效防范施工风险的前提下, 如何有效杜绝扰民, 或降低扰民程度, 是地铁隧道在施工中不可回避的难题, 也是亟待化解的头号难题^[3]。显而易见, 探究地铁中医药大学省医院站因隧道施工而导致的地面下沉状况, 分析其规律, 探讨地面下沉而导致的建筑物损伤状况及形成机理与特征, 探寻行之有效的防治对策, 具有不可忽视的学术价值及重要的工程意义, 同时具有积极的社会效益。

中医药大学省人民医院站的平面布置如图1所示。

根据中医药大学省人民医院站地质详勘报告, 该通道位于 (2) _9-4密实砂卵石层中, 该地层地质特性为:卵石含量>70%, 卵石粒径2～20cm, 含漂石, 磨圆度较好、分选性差, 圆砾、中砂充填。据颗粒分析试验:粒径>20mm的颗粒含量为70.8%～82.5%, 粒径为2～20mm的含量为3.6%～8.7%。隧道周边局部地段分布有中砂透镜体, 中砂透镜体对区间隧道围岩稳定性影响较大。总体围岩地质条件差, 围岩稳定性差, 围岩综合分级为VI。

渗透系数取值k=22.0m/d, 自然水位为地下5～6m, 该暗挖通道水头高度21m。地下水对区间隧道围岩稳定性影响较大。

本站位于一环路与清江东路交叉路口, 周边建筑物林立, 主要建筑物如表1所示。

为了尽量满足暗挖实施条件, 需尽可能降低地下水, 但降水必然带来地面及周边建筑物的不均匀沉降, 受降水影响的建筑物主要有西南站厅温哥华广场、2/4号线车站结构。通过理论计算得出降水对既有建筑物影响计算如下。

地面沉降计算如下。

根据JGJ 111—2016《建筑与市政工程地下水控制技术规范》, 降水井引起的既有建筑基础沉降可根据下式计算:

式中:s为降水引起的既有建筑物基础或地面的固结沉降量 (m) ;ψ_w为沉降计算经验系数, 应根据地区工程经验取值, 无经验时, 可取ψ_w=1;Δσ'_zi为降水引起的地面下第i层土中点处的有效应力增量 (kPa) , 考虑黏性土, 取降水结束时土的固结度有效应力增量;Δh_i为第i层土的厚度 (m) ;E_si为第i层土的压缩模量 (MPa) , 取土的自重应力与有效应力增量之和的压力段的压缩模量值。

沉降量如表2所示。

经计算, 降水引起的既有建筑物沉降量为51.26mm。

本站在2009年修建2/4号线时降水工程及深基坑开挖工程已对周边建筑物造成扰动, 其中高层建筑温哥华广场经现状测量已向地铁车站方向发生倾斜, 倾斜度0.13cm/m;再次降水将引起温哥华广场二次不均匀沉降和倾斜, 倾斜程度不好控制, 难以估计。

在降水和开挖过程中, 必然会对2/4号线既有车站沉降造成影响。经验算, 矿山法施工期间2/4号线车站轨道理论沉降值为2.7mm, 施工期间由于降水及其他问题造成施工影响, 会造成轨道沉降加剧, 进而影响2/4号线正常运营。

实际情况表明, 通过将分层总和法作为理论基础所得到的沉降量通常与现场测量的沉降有较大出入^[4], 包括有限差分、有限体积法在内的大部分数值模拟方法的计算参数无法准确表达, 同时施工人员无法迅速掌握, 又由于施工地点存在既有线运营、周边建筑复杂等因素的影响, 使用数值分析的方法将所有因素考虑进去较困难;风险评估方法中的灰色理论法和神经网络法均无较完善理论基础^[5]。相比之下, 通过实际测量的沉降数据值拟合成一条曲线预估未来很长一段时间沉降的方法所得到的预测结果更加真实可靠。

曲线拟合法是一种通过实测沉降数据拟合成曲线的方法, 包括双曲线法、指数曲线法、对数曲线法等^[6], 相比于其他方法具有操作简单、计算结果准确等优点, 在各类工程中得到广泛应用。本文以成都中医药大学省人民医院站测点数据为例, 以对数曲线法对沉降量原始数据进行预测, 并与现场实测沉降值做对比, 最终得到精度高的沉降量预测的拟合曲线。

对数曲线法预测模型中的曲线与对数函数的曲线形状相似, 呈现为一条单调递增曲线, 并且前期增长速度较快、后期增长速度减慢, 这种函数的增减趋势刚好符合地基沉降量这种随着时间不断增加, 但增长速度在不断减小直到不再增加的预测对象^[7]。

对数曲线法的预测公式如下:

式中:t为监测天数 (d) ;a, b为待定系数;S_t为对应监测天数t的沉降量 (mm) 。

求得对数模型中的参数a, b是使用对数曲线模型来预测地面沉降的第1步, 将监测天数t的对数值 (lnt) 设置为一个变量T, 则对数曲线模型便可转换成一个线性相关的一元一次直线模型^[8], 这样便可使用待定系数法求得直线模型参数的a, b值。得到参数a, b后便可对实际施工地面沉降进行预测, 转换后的对数曲线预测公式如下:

按式 (4) 结合本项目在2017年9月到2018年10月的实际监测数据, 可拟合求出待定系数a为-144.2, b为182.62, 则实际预测公式为:

在所有地面预设置的监测点中, DM9的沉降量也最大, 也是实际软土最厚点, 使得监测数据与实际情况相吻合。所以DM9是试验段最关注的监测点^[9], 故本文单列出DM9监测点的具体预测情况 (见图2) 。使用对数曲线法分别对前期所有实际监测数据和已预留的后5期对比数据的实测数据与对数曲线上的预测值做对比, 再计算出全部预测值的均方根误差^[10]。

由图2可看出, 对数曲线预测曲线图与实测曲线图总体的拟合度为0.992 8, 这说明对数曲线法预测地面沉降量可行性较高^[11], 但监测前期和后期的预测误差仍较大, 前期预测值偏大而后期预测值偏小。

隧道施工前, 首先应确定建筑物损坏等级, 并根据不同的损坏等级采取相应的风险减缓或规避措施^[12], 具体建筑物各损坏等级接受准则及风险规避或减缓措施如下。

由于隧道采用矿山法施工, 除了严格遵循浅埋暗挖法施工的一般技术原则外, 还应注意以下事项。

1) 减小隧道结构初期支护格栅钢架的纵向间距, 必要时采取密排格栅、双排小导管、加设临时仰拱等措施。

2) 施工中应尽量通过控制施工工艺、较小一次性开挖断面、缩短循环进尺、及时封闭初支等手段减小隧道开挖对地层的扰动。

3) 在隧道开挖中, 可适当增加横向支撑, 从而起到限制隧道围岩的收敛作用。

4) 加强洞内位移及地表建筑物沉降的监控量测, 发现异常数据及时反馈并采取有效措施控制异常情况继续发展。

本文通过对隧道施工周边建筑及既有线的沉降量计算分析, 对隧道施工的周边建筑安全进行评估并提出对隧道施工的周边建筑风险控制措施。