地鐵暗挖車站監測技術方法淺析

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［摘要］近年來隨著我國地鐵建設事業的快速發展，地鐵暗挖車站安全事故時有發生，由于地鐵施工會引起周邊土體初始應力狀態發生改變，同時擾動周邊地層，引起周邊地層損失及地層內部含水滲出，產生土體固結沉降，進而引發周邊土體產生沉降變化，引起周邊環境出現較大變形。第三方監測數據和相關分析資料可作為處理風險事務和工程安全事故的重要參考依據。

［關鍵詞］地鐵暗挖車站；控制網測量；地表沉降；管線沉降；監測數據

０引言

近年來隨著我國地鐵建設事業的快速發展，地鐵暗挖車站安全事故時有發生，由于地鐵施工會引起周邊土體初始應力狀態發生改變，同時擾動周邊地層，引起周邊地層損失及地層內部含水滲出，產生土體固結沉降，進而引發周邊土體產生沉降變化，引起周邊環境出現較大變形。在地鐵土建施工過程中通過對工程自身關鍵部位和工程周邊環境進行監測，掌握工程自身結構、周邊環境和周邊土體的動態，全面地掌握工程施工安全控制程度，為業主、監理、設計、施工單位提供參考依據；為建設管理單位對軌道交通工程建設風險管理提供支持，為信息管理平臺提供基礎數據，對施工過程實施全面監控和有效控制管理；另外，地鐵監測數據和相關分析資料可作為處理風險事務和工程安全事故的重要參考依據；通過積累資料和經驗，可以為今后同類工程設計、施工提供類比依據。因此，監測工作在鐵土建施工過程中起著非常重要的作用。本文結合北京地鐵某號線工程某暗挖車站主體監測的實際工程，從工程概況、工程地質及水文條件、監測技術方法、監測數據成果分析五個方面，對施工監測內容和技術方法進行了論述，并對監測數據進行了分析和總結，通過對監測數據變化規律的研究分析，提出有效控制變形措施的建議，為今后類似工程在監測方面提供參考，積累相關經驗，供同類項目的相關技術人員參考。

１工程概況

１１車站概述

本站為雙層暗挖（局部３層）島式車站，８個施工導洞，洞柱法逆筑施工。車站主體總長為２６０ｍ，其中車站西端３層結構長４６ｍ，雙層段長２１４ｍ，車站底板埋深為２６～３０ｍ，車站結構覆土７４～１３１ｍ。上導洞及下導洞尺寸４５ｍ×５０ｍ；在上導洞內向下施工圍護樁，圍護結構采用人工挖孔樁?１０００＠１５００，下導洞施做基礎地基梁，澆筑圍護樁。車站主體共計４個軸端橫導洞、１４個下層橫導洞，軸端橫導洞尺寸３３ｍ×３５ｍ，下層橫導洞尺寸３０ｍ×２７ｍ（見圖１，２）。

１２周邊環境及風險源

車站主體下穿城市主路，車站范圍內城市主為城市快速路，規劃紅線寬８０ｍ。目前東北城市下穿城市鐵路，城鐵兩側現況有南北向的道路橋，西側橋面寬２４ｍ，東側橋面寬１２ｍ。為盡快疏散東北城市路出城的車輛，城市快速路由西向北及由東向北均設置了定向匝道，由北向西的定向匝道非機動車道，直行的主干路直接與二、城市次干路溝通。主體結構所處區域城市輔路下地下管線縱橫交錯，主要有?１９５０ｍｍ和?２０００ｍｍ雨水管、?１９５０ｍｍ污水管及?１４００ｍｍ上水管等。同時車站主體南北兩側側穿高速匝道橋橋樁，均為一級風險源（見圖３，４）。

２工程地質及水文條件

２１工程地質

本工程處于下穿城市主路下拉槽內，地勢起伏較大，地面標高３８５４０～４２１４０ｍ，主要地質土層由上而下依次為：雜填土①１層、黏質粉土～砂質粉土③層、粉質黏土③１、粉土④層、粉質黏土④層、粉細砂⑤２層、粉質黏土⑥層，車站拱部主要位于粉土③層和粉質黏土③１層，底板位于粉質黏土⑥層。

２２水文地質

本站范圍內存在３層地下水分別為上層滯水（一）、層間水（三）、層間潛水（四）。其中上層滯水（一）：含水層巖性為粉土③層和粉細砂③３層，穩定水位標高為３５０９０～３９９６０ｍ，穩定水位埋深為２３０～４０ｍ。層間潛水（三）：含水層巖性為卵石⑦層、中粗砂⑦１層及粉細砂⑦２層，透水性良好，穩定水位標高為１８７５０～２０１６０ｍ，穩定水位埋深為１８００～２１８０ｍ。承壓水（四）：含水層巖性為中粗砂⑦１層及粉細砂⑦２層，透水性良好，該層水水頭高度為１０～３０ｍ穩定水位標高為１１３４０～１３６９０ｍ，穩定水位埋深為２４２０～２９２１ｍ。主要含水層為粉細砂⑤２層，靜止水位標高１８７５０ｍ（水位埋深２１８ｍ）（見圖５）。

３主要監測項目及技術要求

３１車站監測等級及范圍

１）監測等級暗挖車站主體結構自身為一級風險工程，周邊環境風險均為一級風險工程。２）監測范圍本工程監測范圍為工程自身施工及影響范圍內的周邊環境和巖土體。工程自身監測范圍：暗挖車站主體結構。周邊環境的監測范圍：道路及地表沉降監測點、地下管線沉降監測點取１０倍基坑開挖深度范圍；周邊建（構）筑物沉降監測點取１５～２０倍開挖深度范圍。

３２監測的項目、儀器及精度

本工程監測的主要項目內容包括：道路及地表沉降、地下管線沉降、管側土體深層沉降、周邊建筑物沉降、周邊建筑物傾斜，本工程監測儀器對象、項目及精度如表１所示。

３３監測頻率及周期

１）本工程監測頻率及周期如表２所示。２）巡視頻率同監測頻率，周邊環境巡查在施工開挖前進行首次巡查，結構施工完成，變形穩定后停止，工程自身巡查在開挖后開始，結構完成后停止。

４監測技術方法

本工程以該線地鐵工程施工高程控制系統為基準建立，起始并附合于施工控制網精密水準點上。根據本工程位置及周邊建筑物、地下管線和道路地表等監測對象分布情況，控制網布設成獨立網。周邊道路地表沉降、管線沉降及周邊建筑物沉降采用幾何水準測量方法，使用監測精度為１０ｍｍ的電子水準儀進行觀測。建筑物傾斜觀測采用前方交會的方法，使用全站儀進行觀測，采用全站儀多測回測角觀測記錄程序，記錄外業觀測數據文件。

５監測數據成果分析

５１控制網施測成果精度分析

監測工作進場前以該線獨立高程控制系統為基準，進行了首次高程控制網聯測，測量精度滿足ＧＢ／Ｔ５０３０８—２０１７《城市軌道交通工程測量規范》二等垂直位移監測網技術要求。為保證復測基準網與正常監測時候的基準網的一致性，在基準網平差計算時選取了較為穩定的且有一定距離間隔的４個工作基點參與平差。使用平差后的基準網高程進行復測工作。基準點聯測復測成果如表３所示。復測成果顯示，基準網的復測以及監測點復測的測量精度均符合《城市軌道交通工程測量規范》相關要求，基準點處于穩定狀態。

５２車站初期支護結構變形監測數據變化趨勢分析

本車站自２０１７年９月１日采集初始值，至今共計布設６４３個測點，其中地表沉降測點２８４個，管線沉降測點１８８個，建筑物沉降測點６０個，建筑物傾斜測點４１個（見表４）。車站主體小導洞Ｂ軸Ｃ軸地表沉降變形速率較為明顯，累計沉降最大為－１３６７ｍｍ（控制值：－２００ｍｍ），變形速率＋０８２ｍｍ／ｄ（控制值：２００ｍｍ／ｄ），測點位于車站Ｃ軸１號橫通道向東２０ｍ處，截至２０１９年１２月該區域測點變形速率平穩（見圖６）。通過對該部位監測數據分析，自初始值采集完開始，車站上層小導洞施工引起地面階段變形量為３０～３５ｍｍ，車站下層小導洞施工引起地面階段變形量為４６～６５ｍｍ，車站下層橫導洞施工引起地面階段變形量為１５～２０ｍｍ，至監測預警發布后，地面沉降最大累計變形值為－１３６ｍｍ。

５３監測預警及風險管控分析

通過第三方監測單位現場監測及巡視發現，在施工破除下層橫導洞洞門期間，下層小導洞初支格柵變形，變形位置位于上下臺階連接角板上１０～２０ｃｍ處，縱向混凝土裂縫１０ｍｍ左右，最大收斂值１４０ｍｍ。同時車站上方道路地表沉降測點連續出現紅色監測預警，自２０１８年１２月２８日至２０１９年１月５日，累計發布紅色監測預警１０５點次，共發布１個紅色巡視預警、２個橙色巡視預警，其中道路沉降階段變化量為２０～４５ｍｍ，地表變形嚴重超限。第三方監測單位及時將監測數據及現場巡視情況通過電話、電子郵件、短信、平臺等即時通信設備反饋至建設單位、監理單位、施工單位及相關產權單位（見圖７）。第三方監測單位發布預警后，各參建單位積極響應，召開專項專家論證會制定應急處置措施，主要內容為：①現場立即停工，進行工字鋼支撐加固；②車站下層導洞１號井向東至車站東端２１１６ｍ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ軸及橫導洞，采用Ｉ２５口字形對撐，八字形豎向支撐，縱向間距１５００ｍｍ，縱向兩側腰梁連接；③剩余導洞及橫導洞開挖，拱部采取深孔注漿（初支外皮１５ｍ，內皮０５ｍ）；④后續車站初支扣拱，扣拱部位管棚?２１９熱軋鋼管，環向間距＠４００；ＤＮ３２鋼焊管，每榀打設，Ｌ＝２ｍ。通過施工單位采取應急措施，第三方監測單位加密監測頻率，該位置后續監測數據變形平穩，地面沉降情況得到有效控制，監測數據趨勢如圖８所示。通過施工單位采取應急加固措施前后的監測數據變形趨勢對比可明顯發現：１）通過監測數據變形趨勢，車站初支變形主要因車站下層導洞及橫導洞施工階段，階段變形量為６０～８５ｍｍ，施工過程中未及時調整控沉措施，導致最大累計變化值達到－１３６ｍｍ。２）車站自打設大管棚后，車站底縱梁、邊樁施工階段變形量為２～５ｍｍ，車站初支扣拱階段變形量為５～１５ｍｍ，監測數據變形趨勢平穩，有效的控制了車站的沉降變形。３）截至２０１９年１２月車站下層導東底縱梁施工完成，施工期間為保證車站整體結構穩定，經專家論證后，對下層導洞工字鋼支撐不進行拆除，保證車站后續初支扣拱、二襯扣拱結構安全。

６結語

通過對監測風險管控及監測數據變化趨勢分析研究可以得到如下結論。１）本工程中第三方監測單位監測數據準確，編制了合理的第三方監測方案，精心組織和實施，為本工程及時提供了真實、準確、可靠的監測成果。２）第三方監測單位發布監測預警的及時性，準確性，可提前達到預警的作用。同時做好預警事務的處理配合及跟蹤，只有預警事務得到正確、及時的處理，才能消除工程安全隱患，真正實現對風險的控制目標。３）現場發現初支變形后，各方積極響應，經過多次專家論證，提出了合理有效的處置措施，遏制了暗挖車站初支變形的進一步發展。４）通過本工程監測數據分析，本站的沉降變形是持續的過程，在下導洞結構出現異常前，地表、管線、建構筑物等變形速率未超過控制值，但累計值呈持續增大趨勢，通過本工程大量現場監控量測數據的統計分析，ＰＢＡ工法暗挖車站，上層導洞施工引起沉降量占總沉降量２５％，下層導洞施工引起沉降量占總沉降量４６％，車站下層橫導洞及梁柱體系施工引起沉降量占總沉降量１５％。所得結論可用于初步判斷車站施工引起的最大地表沉降，并可為地鐵車站施工環境影響預測提供依據。

作者:王浩 單位:北京城建勘測設計研究院有限責任公司