区域差异沉降对城市轨道交通工程的影响研究

李文雅 赵秀琴

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300038）

城市轨道交通工程具有线路较长，跨区域较大，施工周期长，各车站、区间开工节点存在差异等特点。区域的差异沉降使轨道交通工程产生质量隐患，当区域沉降差异达到一定程度，容易造成不同期作业面出现错台，导致影响盾构接收、结构的侵限等问题。为了确保轨道交通工程的施工质量，国内外学者对城市区域差异沉降及其对轨道交通工程和铁路工程的影响和应对措施进行了研究。李政[1]以京雄铁路为例采用InSAR技术对铁路沿线的区域进行区域不均匀沉降的定量分析，提出了通过调整高程控制网复测频率减少沉降对施工的影响。尚金光等[2]以段高铁实例为研究样本，对区域的自然沉降和工程本身的沉降进行对比量化分析，并进行判别，指出了沉降与基准点的埋设深度关系，提出从沉降测量方法和数据处理两个方面进行评估区域沉降和工程沉降。刘运明[3]以北京轨道交通14号线工程为例进行分析，以地面沉降对贯通误差的影响，总结区域地面沉降对地铁施工期间的影响并提出施工测量的应对措施。张会[4]以于广州地铁工程某标段为例，分析区域沉降地质灾害对车站、车站与区间的衔接、区间等的影响并制定了相应的改进措施以保证轨道交通工程施工安全。汪宝存等[5]对郑州市2007—2017年的合成孔径雷达、人工监测数据进行分析，从时间、空间角度研究了城中村的发展与郑州市地面沉降的演变规律。王爱国[6]通过对监测区域的三种沉降监测方式数据进行融合对比，结合郑州市的地质构造、断裂带、地下水开采等资料，进行了郑州市区域沉降与水文地质的解读。吴振国[7]分析了区域沉降对轨道交通工程的影响并结合工程实例从优化线路结构、地下线埋深、高架段不同桩深等措施出发，减弱区域沉降对轨道交通的影响。

区域的差异沉降容易在轨道交通的建设中造成错台、侵限、衔接不上、盾构接收偏差等影响，易被忽视[8-15]。文章以于郑州市轨道交通4号线工程为例，对线路所在区域的不均匀沉降进行分析，提出区域差异沉降在轨道交通工程建设中的应对措施。

1 郑州地铁4号线区域的差异沉降

随着城市的发展，地面沉降这种不良地质问题日益突出[5]。2006—2013年郑州市沉降主要分布在北部、东北部、东部以西地区、南部地区等4个地区[6]，2013—2016年，北部和东部沉降区域合并为一个沉降区，南部沉降区域沉降速率逐渐放缓，2016—2017年北部沉降区域放缓，整体沉降趋势向东部、西部和南部的郊外扩展[5]。郑州市轨道交通4号线呈数字“7”字形分布，西北起于惠济区江山路以西老鸦陈站，途经金水区，东南止于南四环以北管城回族区郎庄站。龙湖段市政配套工程（龙湖岛站、副CBD内环路、鑫融路站）于2012年7月开工，郑州地铁4号线全线开工时间为2017年3月1日。在全面开工后根据沉降差异，将郑州地铁4号线划分为3个沉降区域，Ⅰ、Ⅱ区域位于北部沉降区，三个区域按沉降速率排序为Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ。郑州地铁4号线沉降区域划分如图1所示。

图1 郑州地铁4号线沉降区域划分

2017年3月及2019年1月观测龙湖岛站加密高程及底板沉降量如图2所示。

图2 龙湖岛站加密高程及底板沉降量

龙湖段市政配套工程，位于Ⅱ区域，由于开工时间不同，高程为不同期的数据，以龙湖岛站为例，于2014年3月完成全部底板浇筑，2017年全线开工后，龙湖岛站主体结构已经完工，全线进行复测更新高程成果后，对龙湖岛站附近的水准点及车站的底板结构标高进行测量，2019年1月在施作站台板前，对底板结构标高进行了沉降的观测，与2017年3月的加密高程水准点、底板结构沉降进行对比分析。

2017年1月—2019年3月的郑州市地铁4号线轨道二等高程控制网累计沉降曲线以及面精密水准成果变化趋势如图3、图4所示。

图3 2017年1月—2019年3月的郑州市地铁4号线轨道二等高程控制网累计沉降曲线

图4 2017年1月—2019年3月的郑州市地铁4号线地面精密水准成果变化趋势

对比两期的观测数据，第一阶段2014～2017年加密高程点每年平均沉降量在[-30,-20] mm，车站底板结构沉降量在[-50,-30] mm，主体结构完工后第二阶段2017年—2019年加密高程点每年平均沉降量在[-20,-12] mm，车站底板结构沉降量在[-30,-20] mm，车站结构的沉降量略大于加密高程点的沉降量。同样第一阶段的沉降大于第二阶段的沉降量，地下水的开采与地面沉降有一定的关系，可能原因为主体施工阶段及周边市政配套的建设基坑降水导致第一段的沉降大于第二阶段。

根据2017—2019年的郑州市地铁4号线高程控制网复测的数据统计，结合轨道二等高程控制网及精密水准王的复测的历时曲线变化，Ⅰ区域地面沉降速率为[-15,-10] mm/a，Ⅱ区域地面沉降速率为[-50,-12] mm/a，Ⅲ区域地面沉降速率为-10 mm/a之内。

2 区域差异沉降对轨道交通工程建设的影响分析

2.1 对车站的影响及措施

车站施工周期较长，存在分期施工的影响，在主体结构施工期间出现了沉降，一般车站附近的水准点和加密高程点也随着一块沉降，如对高程控制点进行了更新，按更新后的控制点进行施工则会出现错台现象，在轨顶风道和站台板施工时，容易造成结构的侵限，后期若未进行调线调坡将导致列车无法通行或站台高度与列车车门高度不匹配。

某站在站台板和轨顶风道施工前对控制网进行复测，发现车站底板控制点A（原有高程为a）下沉5 cm，站台底部与车站底板控制点原有设计高差为H1=b-a，如果采用最新高程A=a-5，按原有的设计标高施制作站台板，在不考虑施工误差条件下施做后的站台底部与车站底板控制的高差H2=b-(a-5)，H2-H1=5 cm。在施工轨顶风道时候也会出现原有的结构尺寸关系与设计文件不相符。施工期间不同位置所受荷载存在差异且不断变化，车站结构沉降和地表控制点沉降存在差异，若始终采用地表控制点旧有高程成果进行施工，将对施工造成影响。在进行第一块底板结构浇筑时，应以钢筋笼上方预埋底板高程控制点作为后期施工的高程基准点，不进行高程数据更新，使后续完成的结构基准与第一块底板的施工基准保持一致，主体结构施工完成后与铺轨前，进行高程更新，采用最新的高程成果进行断面结构的测量，方便后期的调线调坡。矩形车站横断面如图5所示。

图5 矩形车站横断面

2.2 对区间的影响影响及措施

区间施工一般在车站主体或者竖井施工完毕，强度满足盾构始发或暗挖要求后进行，由于地面的不均匀沉降，造成盾构始发站和接收的车站存在差异沉降，需要在盾构始发和接收阶段对盾构钢环进行复核，如车站副CBD内环路在主体结构施工时将盾构钢环预埋至主体结构中，在准备盾构前对盾构钢环的圆心进行复核，副CBD内环路洞门圆心高程与设计值偏差-72 mm，若按照原有的设计竖曲线进行盾构，则盾构机无法顺利始发进洞，应在盾构始发前及时与设计单位沟通，重新对设计图纸的竖曲线进行调整，满足盾构始发条件。盾构区间纵剖面如图6所示。

图6 盾构区间纵剖面

城市轨道交通区间一般为1 km左右，长大区间可达3 km，对于长大区间一般盾构施工周期较长，如果始发和接收两个车站存在差异沉降，且两个车站地表高程控制未及时联测更新高程数据，将影响盾构的接收，盾构机可能会紧贴钢环边缘出洞，严重时会破坏钢环导致无法顺利出洞。

在盾构接收前100环或在施工贯通面150 m左右，对地面高程控制网进行复测，并保证对两个车站地面高程点进行联测，如果两个车站的区域同时沉降且差异沉降较小，则按照盾构始发测量的高程成果继续掘进，不进行高程成果更新。当两个车站存在差异沉降，则需要更新高程成果，对接收的盾构钢环进行复核，根据接收洞门的实际位置及时缓慢地对盾构机姿态进行调整，保证区间顺利贯通。

2.3 对附属结构施工的影响

在车站主体结构施工完成后再进行附属结构施工。采用新高程数据将造成附属与主体的衔接出现错台，影响施工质量。在附属结构施工时应采用原有车站的底板高程控制点作为起算点，将底板高程控制点成果引用至附属结构施工，保证附属结构与主体结构的衔接部位在同一高程。

2.4 对铺轨、装修阶段的影响

轨道施工前应对全线高程进行复测更新，保证高程在同一基准，对轨行区结构断面进行测量，并进行调线调坡处理。在铺轨阶段比较容易忽视的部位是车辆段和停车场，车辆段、停车场土建施工阶段采用最初的控制点高程，无特殊情况不进行更新处理，如铺轨施工阶段未进行结构复核，铺轨采用最新高程值进行放样，将导致检修墩与轨道高程不匹配。在施工后期各工作面交叉作业，轨顶风道、站台施工，铺轨施工、机电安装、装修施工同时进行，常出现站台高度与地铁列车门高度不统一，接触网安装后净空不满足设计要求等情况。参建单位在施工过程中应重点关注，统一作业高程基准。城市轨道交通工程铺轨阶段普遍采用任意设站控制网，铺轨和装修阶段采用统一任意设站控制网高程基准，确保限界满足工程要求，复核数据的真实性，及时地调整设计文件，保证后期运营的安全。

3 施工期间的测量

轨道交通工程的施工周期较长，对于有经验的轨道交通控制测量检测单位（第三方测量单位），在轨道交通工程施工过程中，加大了区域控制网的复测频率，增加了人工成本，很难做到高程控制点数据及时更新。针对郑州4号线控制点高程和已完工结构的持续沉降问题，提出解决思路。

按照常规的控制网复测流程，如发现控制点沉降，应及时更新高程成果，针对4号线文章提出在不同的施工阶段采取相对高程进行施工，即“土建施工阶段起算唯一性、贯通之后统一调整”的思路。如果车站和区间均沉降较大的Ⅱ区域，在主体结构和附属施工及盾构施工期间，不对复测成果实时更新，保证起算依据的唯一性。一般车站附近应保证有3个控制点，使某一控制点作为起算点，其他2个作为检核点，在施工过程中不因区域沉降对控制点进行更新，保证车站的各结构顺利衔接。对于结构沉降与地面沉降不匹配情况，在制作第一块底板结构时，安排两个底板控制点，将高程成果引用至底板，作为后期施工起算点。

4号线施工过程中，存在区间跨不同沉降区间，如Ⅱ、Ⅲ区域存在较大差异沉降，区域差异沉降对区间贯通误差具有较大影响。在盾构至贯通面前100环或施工到达贯通面前150 m左右时，由始发端车站控制点对接收端车站附近的控制点进行联测，采用始发端高程作为起算基准，对盾构接收的钢环进行复核，及时调整盾构机姿态，按照现状洞门高程进行接收。减少区域差异沉降带来的贯通误差。

在车站主体施工及区间贯通结束后，站台、铺轨、装修等施工前则需要对全线的起算的高程进行统一的调整，按照全线最新的复测成果进行地下控制点的恢复测量，然后进行断面的检测，当存在因区域沉降造成于设计偏差较大及时与设计单位沟通进行调线调坡，在施工过程中应与设计单位保持密切的联系。

4 结语

区域沉降是一种常见的地质灾害，对于轨道交通工程施工及运营的影响是不可能避免的，而且是长期存在的。文章分析了郑州市轨道交通4号线工程区域的差异沉降，针对沉降区域较大的Ⅱ的地铁施工采用了“土建施工阶段起算唯一性、贯通之后统一调整”的思路，解决了因区域差异沉降造成的施工质量问题，在4号线施工过程中未出现因测量造成是施工质量事故，保证了所有区间的顺利贯通，结构顺利的衔接，铺轨装修按期完成，于2020年的12月26日郑州地铁4号线开通运营。对城市的轨道交通工程测量工作提供了参考且具有指导意义。