暗挖法地铁车站监控量测技术研究

路 晓 凤

(中铁十八局集团第三工程有限公司，河北 涿州 072750)

城市轨道交通施工涉及到城市地下工程施工，施工在地层内部进行，无论其埋深大小，导致地层出现不可避免的扰动，特别是在城市中心地面建筑物高大密集、交通繁忙地段、地下管线十分丰富的环境施工，施工中引起的地层变形甚至会导致地面沉降或坍塌，致使道路损坏、地下既有管线破损以及附近高大建筑物变形或塌陷，出现类似问题会对人民生命财产安全及工程的建设造成不可估量的伤害，问题严重者直接造成重大经济损失和社会负面影响[1].所以在繁华的城市中心地下进行施工时，监控量测不但充当着工程施工的眼睛，时刻了解施工土体动态，而且对于施工组织管理和施工安全也具有重要意义[2].

1 工程概况

长春市解放大路站为地铁1号线和2号线换乘车站，位于人民大街与解放大路十字路口交汇处，为地铁1号线和2号线“十”字换乘暗挖车站.2号线解放大路站沿东西向跨路口设置，2号线车站主体为侧式站台，有效站台宽6.8 m，为标准双层、双跨拱顶直墙结构，采用6导洞PBA工法施工，暗挖车站主体总长206.7 m，净宽21.6 m，车站覆土7.5～9.5 m，底板埋深25.94～27.94 m.

2 监控量测的目的

监控量测是施工的重要组成部分，通过监测掌握围岩、支护结构、地表及周围文物建筑的动态，及时了解施工对土质的影响，积极预测和反馈，用监测数据调整设计，用于指导施工，在最大限度减少对周围环境的影响的同时，尽可能的降低工程造价，并为以后的工程施工做技术储备[3].

1)保证施工完全.在地铁暗挖车站中，监控量测可直观反映出开挖工程在地层中的应力扰动而形成的影响，控制地下工程施工对环境的影响程度，为了确保施工中车站在地下开挖造成对周边环境的潜在危险，及时通过在施工过程中的现场量测勘探的结果，更好的为设计和施工提供重要的监测数据并及时通过监测数据的处理、计算、效验、分析、判断及时预测地层的变化的发生及发展，更好反馈到施工中，为工程项目和周边环境安全提供可靠的依据；

2)优化施工.施工方法的不同引起的地层扰动程度也不同，为保障周围建筑物与结构本身的安全，及时将现场监测数据与预测值相比较，调整设计、施工参数，完善并修正设计方案，确定合理的施工工艺和施工工序，优化施工；

3)预测事故的发生.掌握被监测物的变形情况，根据变形的发展趋势进行预测，确定是否需要采取安全保护措施，以确保施工的正常运营.

4)提供时间依据.验证支护结构型式、支护参数在工程中的合理性，及时的对支护结构施工方法的合理性及其安全性做出评价及建议，为确定二次支护的时间提供合理依据.

5)总结工程经验.对研究围岩性质、地下水条件、施工工艺与地表沉降和地质变形的关系提供可靠数据，为今后的类似在建项目设计提供类比依据.

3 监控量测项目及要求

监控量测项目严格按照设计要求进行，依据项目周围环境、工程中施工的方式方法及重要性等选择测试项目.根据实际施工情况，监测项目主要方式选定位移监测，在应力监测为辅的同时，添加其他监测数据相互对应，使监测结果方便可行[4].

1)车站监控量测布设，见图1.

2)车站主体双层地段监控量测数据见表1.

图1 车站监控量测布设图

表1 解放大路站施工监控量测表

据解放大路车站实例，目前涉及到的监测项目包括地表沉降监测、地下管线监测、拱顶沉降监测、围岩收敛监测、建筑物沉降监测五项.

4 测点布置及监测方法

首先建立水平位移和垂直位移监测控制要点.针对监测对象的关键位置，采用地平面测点做主控点建立水平位移监测网，根据工程结构设计为轴线形；利用某一部位高程控制网作为重要控制点，建立垂直位移监控网，与地表沉降监测地点形成地面高程位移监控网，同时将主控点高程通过临时施工竖井引测至井底，在竖井底部埋设水准基点，设置定期复测点，确保数据及时准确.监测点要坚固、稳定，主控点埋设坚固、稳定，安全可靠，定期进行联测[5].

4.1 建筑物地表沉降监测

4.1.1 测点布置及埋设

为了确保保护测点不遭到破坏，采用人工开挖或凿钻成孔的方式埋设，要求必须透过硬质地面，而且交通要道及地表沉降的测点标志都是选用窖井测点(地面观测沉降点埋设，见图2).测点增加保护盖措施，孔径为150 mm.地表沉降监测测点应于地面保持平整，防止凹凸不平影响市民通行，同时，测点埋设准确定点，明确标示，方便保存[6].路面地表监测点埋设照片见图3、4.

图2 地面观测沉降点埋设

4.1.2 地表平面位移观测

根据现场平面及既有导线控制点分布情况，在地铁区间结构两侧30 m范围内且不小于1.5H(H为基坑深度)的既有地表四周及容易产生沉降的承重部位(变形特征点)埋设测点[7].地表平面位移观测采用全站仪按照监测频率直接测定位移观测点的坐标，根据多次采集的坐标发生的变化测定位移；并根据变形体沿水平方向的位移值，提供变形趋势及稳定预报[8].

图3 路面地表点埋设(Ⅰ)

图4 路面地表点埋设(Ⅱ)

在测点与水准点的中间位置通过水准仪加以测量，直接取测点形成的高度差，在闭合差允许范围内计算地表沉降点的高程，通过地表测点高程的变化量来反映其沉降量.例如由基点通过水准测量测出建筑物沉降观测点的初始高程为H0；在施工过程测出的高程为H1，则高差ΔH=H1-H0即为地表的沉降值[9].

4.1.4 观测方法

水平位移采用交会法，采用莱卡ts1201全站仪，首先在工作基点上架设全站仪，观测两个基准点的方位角和距离值，求得测点的坐标值.然后变换工作基点重复上述操作，求得每一工作基点的坐标值.每期观测数据与第一期数据做对比，以及相邻两期数据对比，求得数据差发现变化大点位，及时处理所在地区[10].

地表沉降采用水准线路法，用美国天宝DINI03数字水准仪，首先在基准点上立尺，读取数据，然后在每个每个工作点上立尺做好记录.在观测时要多次测量剔除错误度数取平均值法作为最终数据.后期按照规范要求定期观测数据，求取每次度数之间的量差，以及每期观测与初始数据的量差，发现变化超出规范要求的需要停止施工，对地层做相应加固处理[11].

4.2 地下管线变位监测

4.2.1 测点布置及埋设

测点的布置应选在管线接头端，或是对位移变化比较敏感的位置；顺着管线伸长方向间隔为5～20 m距离增设一个测点[12].布点沿用在管线顶面直接打入测杆到管顶，并在测杆顶端加置窑井盖(图5所示)或抱箍式埋设测杆(图6所示).当采用抱箍式时，把扁铁做成抱箍紧固在管身，为了保护测点在抱箍上端焊一测杆，使测杆位于地面下方(见图7)，并布置窖井加盖，便于车辆通行.

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图5 测杆端加窑井盖

4.2.2观测方法

地下管线监测也采用美国天宝DINI03数字水准仪施测，沉降观测作业前半个月应埋好标志，稳定后方可开始观测；按国家二等水准技术规范要求进行[13].在作业过程中采用相同的观测路线和观测方法，使用同一仪器，并尽量长期固定司镜人员.

沉降计算方法如下：本次沉降=本次高程-上次高程

图6 抱箍式埋设测杆

图7 测杆焊于抱箍上端示意图

累积沉降=上次累积沉降+本次沉降

初测规定为两次，即观测两个往返，成果取平均值使用，以保证初测成果的可靠性.

按照《建筑变形测量规程》规定，观测点测站高差中误差二级≤0.5 mm.沉降量是否进入稳定阶段，应由沉降量与时间关系曲线判定[14].

4.3 拱顶沉降监测

4.3.1 测点布置及埋设

拱顶下沉测点安放位于拱顶中心线上，与周围的位移监测点在同一水平断面上，先进行格栅拱架安装，完毕后，再将预埋件依次焊于拱顶部位，紧接着喷射混凝土，待完全凝固后，为了更准确的读取初始值量测必须将杂物清扫干净；净空收敛测点，先行格栅拱架的安装，再把预埋件焊于拱腰位置，两预埋件在近可能放在一条轴线位置上.等待该部位混凝土凝固后收拾干净方可量测.

4.3.2 观测方法

拱顶沉降监测也采用天宝DINI03电子水准仪进行测量，拱顶下沉在支护结构完成后的12 h内取得初始读数，其余按照表1监测频率进行定期监测，在发生变形较大时应加密监测，并向施工单位提出预警.观测完成后整理数据分析制作拱顶沉降测点布置图、拱顶沉降位移变化与时间的曲线趋势变化图、位移-时间分析资料[15].

4.4 围岩收敛监测

4.4.1 测点布置及埋设

与拱顶下沉测点布置在同一断面上，每断面1条测线，埋设时保持水平.将Ф6圆钢弯成边长为20 cm的U形钩，焊接到安装好的格栅上，初喷后钩子露出砼面3 cm左右，用油漆做好标记，并挂设标识牌，作为洞内收敛的测点，见图8.现场收敛点监测照片见图9、10.

图8 洞内收敛测点布设示意图

图9 监测图片

图10 监测图片

4.4.2观测方法

收敛监测利用钢尺式收敛仪，当测量两点间的距离时，先将两挂钩挂在待测两点的钩子上.将定位销针插进临近测尺的定位孔中，调整调节螺母使游动线与指示线重合(使拉力弹簧保持在恒力状态)，便可读取百分表数值，加上尺子测值，即可得出两点间的距离.收敛计观测窗面板上有一条直线称为第一条直线，在观测窗的中央.观测窗内还有一条直线称为第二直线，收敛观测时，转动调节螺母使钢尺收紧到观测窗内第二条直线与面板上的直线重合时读取测值.测得断面两基点距离的相对变形和变形规律的量测，为了精准度采取每次连续重复测量读取至少三次数值，以三次的平均值作为本次测点读数.

4.5 建筑物沉降监测

4.5.1 测点布置及埋设

建筑物沉降观测点布设在建筑物四周及容易产生沉降的承重部位.在进行埋设沉降测点时，采用冲击电钻在构筑物基础及墙面钻孔的方式，再放入长200～300 mm，半径10～15 mm的半圆头呈弯曲型的钢筋，用水泥砂浆将四周充实并稳固.每个建(构)筑物不少于3个测点.为了方便测点观测埋设位置和高度应选取合适地点，避免在施工过程中受到破坏.测点埋设如图11所示.现场监测点埋设照片见图12.

图11 建筑物测点布设示意图

图12 现场监测点埋设照片

4.5.2监测方法

建筑物沉降监测采用几何水准测量方法，使用天宝DINI03电子水准仪进行观测，以既有基准点为依据测定受测点的高度距离，根据反馈数值变化从而计算建筑物变形情况.例如由基点通过水准测量测出建筑物沉降观测点的初始高程为H0；在施工过程测出的高程为H1，则高差ΔH=H1-H0即为建筑物或地表的沉降值，测出沉降值后可进行建筑物倾斜值计算；根据多次采集的坐标发生的变化测定位移，并根据变形体沿水平方向的位移值，提供建筑物的变形趋势及监测预报.

5 地表沉降的控制

5.1 地表沉降机理分析

地铁暗挖工程施工的岩层或土层在自然状态下，处于平衡状态.在地下暗挖施工中，通过人工开凿、机械开挖等方式进行施工.施工过程中降低结构的可靠性，引起周围围岩的松动，继而导致周边建筑物失稳，这种状态在较短时间或者长时间的质变才能显露出来，可能会出现出地表坍陷或建筑房屋变形等现象.

地表沉降即地表发生垂直位移.地表垂直位移不均匀从而引发地表塌陷、变形.

5.2 地表沉降原因分析

1)解放大路车站主体所在地质情况比较复杂，围岩稳定性较差，在开挖过程中容易发生变形，引发地表沉降；

2)解放大路车站主体场地为富水地层，土层呈软塑或硬塑状态，失水后收缩性强，透水性差.持续施工容易引发变形，发生地面沉降；

3)施工过程中存在质量差的问题，比如初支背后缝隙的空洞会造成上方岩土的位移，从而影响地表产生沉降；

4)解放大路站车站主体施工区间上层地表为交通繁忙的地段，车来车往，过多的车辆经过，地表压力过大从而引起地表沉降；

5)解放大路站车站施工土体受所在地区气候影响，冬季气候相对过低，地层中的水分冻结和冰体的增长引起土地膨账、发生变形，地表不均匀隆起引发地表沉降.

5.3 地表沉降控制措施

1)针对地质条件差、围岩自稳能力差的特点，在开挖和初期支护等工序中严格按照“管超前，严注浆，短开挖，强支护，快封闭，勤测量”十八字方针实施施工.并采取适当的辅助措施加固地层，如小导管超前支护注浆加固地层.

2)针对结构强度低于要求的问题，除了采用补强加固措施外，结合预测数据和实际测量的资料，同时采用辅助施工，如台阶法、增设锁脚锚管、架设临时仰拱直至采用CRD工法.

3)针对富水地层大量渗漏水导致过大地表沉降的情况，采取排堵结合，因地制宜的方式，对渗漏的水应采取增设降水井等方式，选择合适的排水体系，注重初支背后注浆的防水作用.

4)针对解放大路站上层地表车辆繁多的情况，在地面铺设钢板，有效分散车辆行驶过程中对地面产生的压力，降低地表沉降.

6 结 语

监控量测作为城市暗挖工程施工的重要内容，在施工监测过程中围岩动态的信息，判定隧道围岩的稳定增长状态，以及所定支护结构参数和施工的合理性，确保隧道施工顺利进行，及时了解围岩和支护在施工中的力学动态及稳定程度，更好的保护施工安全，为评价和修改初期支护参数、力学分析及二次衬砌施作时间提供重要信息依据，是保障地铁建设成功必不可少的手段.目前地铁监控量测技术已有很大发展，但是还有许多地方值得我们不断探索和改进.