上海轨道交通高架区段沉降变形监测分析研究

张金华

（1. 上海市地质调查研究院，上海 200072；2. 自然资源部地面沉降监测与防治重点实验室，上海 200072；3. 南京大学地理与海洋科学学院，江苏·南京 210023）

地面沉降是上海市最主要的地质灾害[1]，自1921年首次发现地面沉降以来，已有将近100年的历史，最大累计地面沉降量超过2m，且不均匀沉降显著，对区域内防汛墙、轨道交通、地铁、桥梁等市政基础设施沉降变形产生了重要影响[1-3]。已有的研究表明：地面沉降较大的地方，轨道交通沉降量也较大[4-5]；通过分层标监测数据，对周边基坑降水期间，地铁沉降量的变化特征进行了分析和验证[6]；将地铁车站沉降作为隧道埋深土层的沉降，通过差值拟合计算，实现了轨道交通沉降量中地面沉降影响因素的分离，得到地面沉降量占地铁隧道累计沉降量的60%[7]。因此，加强轨道交通等市政基础设施的沉降变形监测分析，有助于对其变形特征和沉降机理的进一步认识和揭示。本文拟以上海市松江区轨道交通某高架区段的年度沉降变形监测为基础，利用周边地面沉降、地下水位变化、周边工程环境影响监测、高架立柱沉降、高架道床沉降等多维度数据，对该高架区段的沉降特征和原因进行深入剖析，为制定轨道交通安全运营的维护决策提供技术支撑。

1 研究对象与数据来源

1.1 研究对象

位于上海市松江区的轨道交通某高架区段，长度约1.5km，包括1个车站B，在上海轨道交通长期沉降监测中发现，2019年度该高架段与其两侧相邻高架段相比，呈现明显的沉降漏斗，最大差异沉降量超10mm，需要对其沉降情况进行确认和深入分析。

为更好地研究该高架段的沉降变形特征和原因，本文将研究区域从该高架段拓展至两侧车站A和C，如图1所示。该研究区域内除高架段外，另包括1个深标点S9-09，2个水准点5-526和5-533，1组分层标FS72和1口水位井松470-01C。具体信息见表1。

图1 轨道交通高架段研究区段示意图Fig.1 Schematic diagram of elevated section of rail transit

1.2 数据来源

本文中采用的数据都来源于上海市地面沉降和轨道交通监测长效工作机制的实施成果。上海自1961年起就已逐步建立了地面沉降监测网，经过近60年的不断建设和完善，目前已经形成了精密水准、基岩标、分层标、地下水、自动化监测、GPS技术以及InSAR等多方法集成、多尺度融合的地面沉降监测体系。2011年上海市地质调查研究院和申通集团合作，建立了全球第一个轨道交通沉降监测基准网，目前该基准网包含48座基岩标、83组沿线分层标、170多座车站深标点和400多座城市水准点，并根据新运营线路的投入，不断优化和完善该基准网。同时申通集团实施了轨道交通隧道段一年两次、高架段一年一次的长期监测以及保护区内工程施工影响的监护监测，为其制定轨道交通安全运营维护决策提供了数据基础。

表1 地面沉降设施信息统计表Table 1 Statistical table of land subsidence facilities information

本文中采用的高架立柱、高架道床及其附近地面水准点和深标点的监测数据均采用二等水准获取，一年一次；分层标沉降监测采用二等水准获取，一月一次；地下水位数据采用水位计自动化采集获取，一月一次。均由上海市地质调查研究院实测取得。

2 高架段长期沉降数据分析

2.1 沉降特征分析

在上海轨道交通长期沉降监测中发现，2019年度该高架段沉降量较大，其中上行线最大沉降达-18mm，下行线为-16mm，如图2所示，轨道交通A车站至C车站区间上下行沉降曲线和沉降量一致性较好，高架立柱和道床的沉降特征也基本一致。其中整体沉降量基本均大于4mm，不均匀沉降显著，其中在B车站附近的高架段年度沉降量最大，相较周边相邻区段的沉降量，此处形成一个沉降漏斗，最大沉降量约18mm。同时此处的差异沉降量也最明显，最大差异沉降量约12mm，而相邻区段的差异沉降量最大约4mm。总体来看，不均匀沉降主要体现在B车站附近的沉降漏斗区域，其他区域的年度沉降量相对较小，且差异沉降不明显。因此，B车站附近区域的年度沉降特征与相邻区域存在明显差异，需要重点分析。

2.2 沉降验证分析

由图2所示，轨道交通A车站至C车站区间上下行沉降曲线和沉降量一致性较好，高架立柱和道床的沉降特征也基本一致，说明测量数据具有较好的一致性。

图2 轨道交通高架区段2019年度沉降变化Fig.2 The subsidence of rail transit elevated section in 2019

为进一步确认B车站附近沉降漏斗监测数据的可靠性，对该区段上下行均进行了复测，并与初次测量结果进行了相关性分析（图3），两者判定系数为0.91，两次测量数据吻合度高；考虑到道床和立柱监测均独立进行，这里将该区段高架道床沉降曲线和对应的立柱数据也做了相关性分析（图4），两者判定系数为0.84，高架和立柱的沉降基本吻合。以上独立测量数据之间呈现的高度相关，表明本次测量数据成果可靠，可应用于沉降分析研究。

2.3 历年沉降分析

为进一步分析此高架段的沉降特征，在沉降漏斗区，上下行各选取2个典型监测点，分析了其2015年至2019年的历年沉降特征（图5）。该沉降漏斗区域在2015年至2018年期间年度平均沉降速率小于-3mm/yr，2019年沉降速率明显加速，最大年度沉降量超过了-15mm。说明该沉降漏斗的形成非自然沉降变形所致，有额外的诱因。

图3 高架初测与复测沉降量关系图Fig.3 Relation diagram between initial survey and retest settlement of viaduct

图4 高架立柱与道床沉降量关系图Fig.4 Relation diagram of settlement between elevated column and railway road

图5 典型点历时沉降曲线图Fig.5 Diachronic settlement curve of typical points

3 沉降变形原因分析

3.1 区域地面沉降

在研究区域内，A、B、C三个车站附近均布设了地面水准点或者深标点，位置对应关系参见图1。其中地面水准点5-526（靠近B车站）、5-533（靠近A车站）2019年度沉降量较大，分别为11.3mm、8.1mm；而S9-09（靠近C车站）为深标点，埋深至高架桩基持力层，其沉降量为5.3mm，比地面水准点沉降量小，符合地面沉降的一般规律。而高架作为桩基构筑物，除沉降漏斗区域外，其他区段的年度沉降量大部分基本在4mm至6mm之间，这与深标（S9-09）沉降量基本一致，说明地面沉降引起的高架沉降量基本在5mm左右。另一方面两者的一致性也说明了高架沉降监测数据的准确性。同时，可以推断沉降漏斗区的形成除了地面沉降因素以外，还有其他原因。

3.2 地下水位变化

根据水位井（松470-01C）的月度监测数据（图6），2018年10月至2019年3月水位则比较平稳，2019年4～6月份水位开始变化，下降幅度1m多，随后水位慢慢开始回升。自2013年起，上海市对全市地下水禁采区和限采区进行了划定，并将轨道交通两侧0.5～1km区划为禁采区，因此，可以推断，该高架段沉降漏斗区域内可能有工程施工降水活动。

图6 水位井水位及分层标 项目监测沉降变化曲线图Fig.6 Curve of water level change and settlement of layer bench mark and project monitoring

3.3 分层标沉降变化

在松470-01C地下水位井位置附近，分层标FS72#3和FS72#4的月度监测数据表明(图6)，这两个标的沉降变化主要发生在2019年4-7月，与地下水位变化的时间基本吻合。FS72#3埋深位于⑥层，在⑦层承压水上部，该标沉降变化幅度也较FS72#4更加显著，说明⑦层的水位变化引起的沉降是造成标组沉降的主要原因。同时考虑到FS72#4埋深和年度绝对沉降量与附近高架立柱的一致性，可以推算该影响因子也是高架段沉降漏斗区域形成的主要原因，沉降变形时间发生4-7月份，且漏斗沉降最大处的水位变化更大。

3.4 沉降原因分析验证

在该段高架沉降漏斗发现后，第一时间进行了地面巡查，发现B车站附近有一商品住宅商业用房项目正在施工。该项目主要由14幢10层高层住宅和1幢1-4层购物中心组成。根据项目施工过程中附近高架立柱的监测数据（图5），主要沉降变形时间在2019年4-6月，正是项目基坑开挖施工的时间段，这与前面地下水水位和地面沉降分析的结果一致。因项目所测的高架立柱沉降是相对变化量，因此无法将其与年度沉降量进行对比验证。但两者沉降变化时间的高度一致性和工况描述，说明B车站附近的沉降漏斗很可能就是受该项目施工影响。结合以上地面沉降分析结果，可以得到以下推论：以该区段高架最大沉降量-18mm为例，除去地面沉降因素引起的-5mm沉降量，该项目引起的最大高架沉降量约为-13mm。

4 沉降变形分析流程

近年来，随着城市建设的不断加快，轨道交通沿线工程项目的施工已经成为其沉降变形的重要影响因素，并给其安全运营带来了重大隐患。为更好地服务轨道交通的结构变形监测，根据上海市多年的轨道交通沉降监测和地面沉降监测实践，完备的地面沉降监测基础设施、成熟的监测技术方法体系以及健全的沉降变形监测制度是三大重要的基础保障，而一套行之有效的轨道交通沉降变形分析方法则可以起到事半功倍的效果，因此，本文总结了一套基于地面沉降的轨道交通沉降变形分析流程，见图7。

图7 轨道交通沉降变形分析流程Fig.7 Flow chart of settlement analysis of rail transit

在获取轨道交通沉降监测数据第一手资料后，筛选变形异常区域，并通过复测等措施，验证其沉降变形量的可靠性和准确性。在此基础上，通过地面水准点、深标点、地下水位变化等多维地面沉降数据的对比分析，在量化地面沉降影响的同时，确认其它影响因子存在可能性。还有一个方面就是要及时开展轨道交通沿线地面巡查和结构病害巡查，进一步分析沉降变形原因，并确认沉降变形对其结构安全的影响程度。在实际分析操作中，这三个方面都是同步进行的，而且是越快响应越好，可为第一时间制定轨道交通安全运营维护决策提供依据。

5 结论与建议

本文在对轨道交通某高架段沉降异常区域的分析研究中，充分应用了上海地面沉降成果的优势，通过地面水准点、深标点、分层标、地下水位井等多维度监测数据，结合高架本身的沉降监测数据以及巡查资料，详细分析了该段高架的沉降特征和沉降原因，并在沉降影响因子量化、沉降发生时间等方面获得了新的认识。同时本文结合实际需求，总结了一套基于地面沉降的轨道交通沉降变形分析流程，对其他类型的市政基础设施也具有同样的参考意义。

为进一步发挥地面沉降在具体市政基础设施沉降变形分析方面的作用，建议加强地面沉降监测基础设施的布局和建设，并在监测技术方面加强创新研究，建立定期开展地面沉降监测的长效机制。