地面沉降對地鐵施工測量的影響及應(yīng)對措施

耿長良，陳大勇，李承鵬

(北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

地面沉降對地鐵施工測量的影響及應(yīng)對措施

耿長良，陳大勇，李承鵬

(北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

以北京市地鐵某線路為例，介紹地面沉降對施工過程中測量工作的影響，同時(shí)針對地面沉降的影響給出應(yīng)對措施，供相關(guān)工程參考。

地面沉降;地鐵施工測量;影響;應(yīng)對措施

一、前 言

隨著我國城市化進(jìn)程的加快，許多城市的城市軌道交通工程建設(shè)呈爆發(fā)式增長，為了滿足市民的出行需求，一些線路不得不穿越城市的地面沉陷區(qū)。與此同時(shí)隨著城市經(jīng)濟(jì)建設(shè)發(fā)展的需要，城市用水量逐步增加，地下水的過量超采導(dǎo)致地下水位持續(xù)下降，近年來這些地面沉陷區(qū)的沉降量總體上呈逐年增長的趨勢，給城市的規(guī)劃建設(shè)、國民經(jīng)濟(jì)造成了諸多影響。嚴(yán)重的地面沉降對地鐵建設(shè)的影響也越來越顯著，一些城市在單條線路的建設(shè)周期里地面沉降可能達(dá)到50 mm以上，差異沉降也會達(dá)到30 mm，個(gè)別地區(qū)這兩個(gè)數(shù)值可能更大。這樣的沉降量對地鐵施工測量造成很大的影響:如地面高程控制點(diǎn)高程出現(xiàn)變化，高程閉合差超限;建設(shè)中的隧道、高架橋、地面線路結(jié)構(gòu)高程貫通誤差過大或超限;同一位置不同時(shí)間測量出現(xiàn)較大高程差異等。我國地面沉降比較顯著的城市如北京、天津、西安、杭州等均面臨這樣的問題。本文以北京市某地鐵線路為例，介紹地面沉降的影響，并提出相應(yīng)的測量解決方案。

二、地鐵線路沿線沉降情況介紹

該地鐵線路基本呈東西走向，穿越城市繁華區(qū)，線路全長30 km以上。在工程開工之前，于2008年初完成了首級GPS控制網(wǎng)、精密導(dǎo)線網(wǎng)及軌道交通二等水準(zhǔn)網(wǎng)的測設(shè)工作。根據(jù)工程需要，每隔1年對上述3個(gè)控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，以確定控制網(wǎng)的穩(wěn)定性。通過2009年、2010年的復(fù)測，對數(shù)據(jù)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)線路東部地面高程控制點(diǎn)有明顯的區(qū)域性沉降變化，自西向東沉降逐漸變大，且沉降趨勢和年沉降量基本相同。

通過對沉降區(qū)域地表沉降資料收集、分析，認(rèn)為造成水準(zhǔn)控制點(diǎn)初測、復(fù)測結(jié)果相差較大的原因是由于線路東段處于北京市一個(gè)區(qū)域沉降中心，即東郊八里莊—大郊亭沉降中心，因此該區(qū)域地表沉降造成東段水準(zhǔn)控制點(diǎn)普遍發(fā)生了沉降。

三、地面沉降對施工控制測量的影響

1.對高程控制點(diǎn)的影響

受地面沉降影響，本工程由終點(diǎn)向西約10 km范圍內(nèi)精密導(dǎo)線點(diǎn)和軌道交通二等水準(zhǔn)點(diǎn)發(fā)生不同程度的沉降。其中受區(qū)域沉降影響的二等水準(zhǔn)點(diǎn)共21個(gè)，沉降最小的點(diǎn)沉降量為0.017 m，最大的點(diǎn)沉降量為0.118 m;精密導(dǎo)線點(diǎn)共52個(gè)，沉降最小的點(diǎn)沉降量為0.007 m，最大的點(diǎn)沉降量為0.096 m。全線精密導(dǎo)線沉降曲線如圖1所示，軌道交通二等水準(zhǔn)點(diǎn)沉降曲線如圖2所示。

圖1 精密導(dǎo)線點(diǎn)沉降曲線圖

圖2 軌道交通二等水準(zhǔn)點(diǎn)沉降曲線圖

2.對施工測量的影響

水準(zhǔn)控制點(diǎn)沉降對于地鐵施工測量會造成一定的影響。首先，由于各工點(diǎn)一般使用不同的水準(zhǔn)控制點(diǎn)，這些水準(zhǔn)點(diǎn)之間的差異沉降將造成相鄰工點(diǎn)之間的土建結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)及設(shè)備的銜接出現(xiàn)偏差，如果差異沉降較大，銜接偏差有可能超出設(shè)計(jì)允許的范圍。其次，在單體工程施工時(shí)，由于土建施工工期較長，所依據(jù)的水準(zhǔn)點(diǎn)高程處于變化之中，如果水準(zhǔn)點(diǎn)和結(jié)構(gòu)本身發(fā)生差異沉降，有可能造成不同時(shí)期施工的土建結(jié)構(gòu)出現(xiàn)錯(cuò)臺現(xiàn)象。

3.對高程貫通測量的影響

地鐵工程為線性工程，一般從車站或區(qū)間豎井進(jìn)行開挖，不同開挖面之間存在高程貫通問題。由于地面沉降的不均勻，造成不同開挖面之間存在差異沉降。差異沉降對豎向貫通精度的影響體現(xiàn)在兩方面，一方面貫通面的相鄰工點(diǎn)所使用的水準(zhǔn)點(diǎn)之間存在差異沉降，以各自水準(zhǔn)點(diǎn)為依據(jù)所施工的土建結(jié)構(gòu)、軌道結(jié)構(gòu)、線路及設(shè)備的銜接將出現(xiàn)偏差，如果差異沉降較大，銜接偏差有可能超出設(shè)計(jì)允許的范圍;另一方面，盾構(gòu)接收環(huán)或貫通面預(yù)留結(jié)構(gòu)在施工時(shí)雖然是按照設(shè)計(jì)高程施工的，但是由于隧道工程工期長，等到隧道即將貫通時(shí)，盾構(gòu)接收環(huán)或貫通面預(yù)留結(jié)構(gòu)本身已經(jīng)發(fā)生了沉降，這部分沉降也會體現(xiàn)在豎向貫通誤差之中。

4.對鋪軌測量的影響

地鐵隧道鋪軌前要進(jìn)行鋪軌基標(biāo)測量工作，用以指導(dǎo)軌道的鋪設(shè)。受地面沉降的影響，車站及區(qū)間結(jié)構(gòu)底板高程發(fā)生了沉降，如果按原設(shè)計(jì)基標(biāo)高程進(jìn)行鋪軌，軌道將高于設(shè)計(jì)位置，造成結(jié)構(gòu)凈空緊張或不滿足行車要求。同時(shí)由于差異沉降導(dǎo)致車站及區(qū)間的沉降速率不一致，貫通后的隧道實(shí)際坡度與設(shè)計(jì)值不一致，對鋪軌測量都將產(chǎn)生影響。

四、測量工作的應(yīng)對措施

1.總體思路

地鐵工程建設(shè)周期往往在數(shù)年以上，在此期間地面沉降不斷地影響著建設(shè)過程，而由于技術(shù)手段及成本的原因，高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)難以做到實(shí)時(shí)更新，埋設(shè)穩(wěn)固的基巖標(biāo)石雖能保證控制點(diǎn)高程數(shù)據(jù)穩(wěn)定，但是一方面在某些城市受地質(zhì)條件所限埋設(shè)基巖標(biāo)石的費(fèi)用驚人;另一方面此方法不能解決已完工結(jié)構(gòu)隨著地面一起沉降造成銜接誤差過大的問題。存在地面沉降的情況下，地鐵建設(shè)面臨的是控制點(diǎn)高程、已完工結(jié)構(gòu)的高程不斷變化的局面，因而需要針對這種情況提出專項(xiàng)對策。

按常規(guī)來說，高程控制點(diǎn)經(jīng)過復(fù)測如果發(fā)現(xiàn)沉降，似應(yīng)及時(shí)更新施工所用的高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。然而筆者認(rèn)為施工所用的高程控制點(diǎn)數(shù)據(jù)既不應(yīng)也無必要隨著復(fù)測成果更新。理由如下:

1)由于地面沉降是不斷發(fā)展的，而高程控制網(wǎng)復(fù)測次數(shù)是一定的，復(fù)測成果只給出了復(fù)測當(dāng)時(shí)控制點(diǎn)的準(zhǔn)確高程，隨著地面沉降的發(fā)展復(fù)測成果會逐漸失準(zhǔn)，距上次復(fù)測時(shí)間越長，控制點(diǎn)的高程變化越大，而受到成本等因素的制約，復(fù)測的頻次不可能無限加密，因此在施工的大部分時(shí)間里高程控制點(diǎn)的準(zhǔn)確成果都是難以獲得的。復(fù)測一次就更新一次顯得意義不大。

2)因?yàn)榈罔F工程的車站結(jié)構(gòu)往往是分部施工的，不同部位的施工有一定的時(shí)間間隔，區(qū)間的掘進(jìn)同樣需要一段相當(dāng)長的時(shí)間，如果施工使用的高程成果隨著復(fù)測而更新，再用更新后的成果指導(dǎo)新建結(jié)構(gòu)的放樣，依據(jù)舊的控制網(wǎng)成果完成的既有結(jié)構(gòu)與依據(jù)更新的成果放樣的新建結(jié)構(gòu)之間就會出現(xiàn)矛盾，這種情況下不得不通過設(shè)計(jì)變更來解決矛盾，即需要調(diào)整未施結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)標(biāo)高。施工控制成果更新一次，就需要進(jìn)行一次設(shè)計(jì)變更，這顯然是不經(jīng)濟(jì)的。

3)即使高程成果能夠做到實(shí)時(shí)更新，或者埋設(shè)了穩(wěn)固的基巖標(biāo)石，在整個(gè)施工期間能夠提供穩(wěn)固的、統(tǒng)一的高程基準(zhǔn)，然而地鐵結(jié)構(gòu)修建在沉降區(qū)，結(jié)構(gòu)本身會隨地面一同沉降，在分部修建的結(jié)構(gòu)進(jìn)行銜接時(shí)，由于差異沉降存在，銜接還是會出現(xiàn)問題。

根據(jù)上述情況，筆者提出了“單體施工起算唯一，施工過程誤差可控，貫通之前一次調(diào)整”的解決思路，下文對此思路進(jìn)行詳細(xì)論述。

2.高程起算依據(jù)的選取

地鐵高程控制網(wǎng)布設(shè)時(shí)一般在車站附近布設(shè)3個(gè)以上的控制點(diǎn)，在施工過程中每個(gè)車站選取一個(gè)高程控制點(diǎn)作為車站及附近施工豎井的起算依據(jù)，其他控制點(diǎn)作為檢核使用，整個(gè)地鐵建設(shè)過程中不因地面沉降而對控制點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行更新。這樣保證了各車站及豎井開挖過程中，單體結(jié)構(gòu)銜接的準(zhǔn)確性。但由于數(shù)據(jù)不更新，差異沉降也隨之帶入結(jié)構(gòu)施工中，不同單體貫通時(shí)除了施工誤差外，高程貫通誤差中還包含了不同點(diǎn)位之間的差異沉降量。在貫通前可按本文貫通測量應(yīng)對措施進(jìn)行消除。

由于地面沉降，為工程布設(shè)的專用高程控制網(wǎng)也隨之沉降，加之差異沉降的存在，控制點(diǎn)之間的沉降速率也不盡相同。在地鐵建設(shè)過程中雖不對控制點(diǎn)高程數(shù)據(jù)進(jìn)行更新，但應(yīng)加強(qiáng)對控制網(wǎng)的復(fù)測工作，掌握高程控制點(diǎn)及地面沉降規(guī)律，利用數(shù)據(jù)分析地鐵隧道結(jié)構(gòu)可能發(fā)生的沉降量，這樣就能保證施工過程中高程誤差在可控范圍內(nèi)，對隧道貫通及設(shè)計(jì)線路調(diào)整提供參考依據(jù)。

3.車站施工測量應(yīng)對措施

地鐵車站施工工法一般分為明挖法、暗挖法、蓋挖法，不同的工法對應(yīng)著不同的工序。為避免沉降導(dǎo)致車站結(jié)構(gòu)錯(cuò)臺，在車站一塊結(jié)構(gòu)底板施工完成時(shí)，通過高程聯(lián)系測量將地面高程傳遞至地下埋設(shè)于結(jié)構(gòu)體的水準(zhǔn)點(diǎn)上，并在以后整個(gè)車站結(jié)構(gòu)施工過程中始終以地下水準(zhǔn)點(diǎn)的高程指導(dǎo)施工。由于地下水準(zhǔn)點(diǎn)將隨結(jié)構(gòu)體本身一起沉降，這樣單體工程施工將有一個(gè)相對穩(wěn)定的、統(tǒng)一的高程放樣依據(jù)，可以保證車站結(jié)構(gòu)不同部位之間的銜接。在實(shí)施過程中，埋設(shè)于地下結(jié)構(gòu)體的水準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)在3個(gè)以上，由于施工過程中始終以此控制點(diǎn)為高程施工依據(jù)，因此需要注意點(diǎn)位的保護(hù)，且定期對水準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差進(jìn)行復(fù)測。

在與相鄰工點(diǎn)貫通前需要對與其他工點(diǎn)進(jìn)行銜接的已完成結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵部位高程進(jìn)行復(fù)核，這里的結(jié)構(gòu)關(guān)鍵部位是指車站底板、中板、頂板、出入口等預(yù)留結(jié)構(gòu)開口位置、盾構(gòu)洞門圈、馬頭門等部位。一旦發(fā)現(xiàn)關(guān)鍵部位由于沉降影響而使原有結(jié)構(gòu)高程與設(shè)計(jì)值偏差過大，可能造成相鄰工點(diǎn)的結(jié)構(gòu)與原有結(jié)構(gòu)不能順利對接時(shí)，應(yīng)與設(shè)計(jì)單位協(xié)商進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

4.區(qū)間施工測量應(yīng)對措施

區(qū)間施工主要從車站或者施工豎井向前開挖，施工開始之前，通過高程聯(lián)系測量將高程從地面?zhèn)鬟f至位于豎井或車站結(jié)構(gòu)上的地下穩(wěn)固水準(zhǔn)點(diǎn)上，并以上述地下水準(zhǔn)點(diǎn)指導(dǎo)施工掘進(jìn)。每次在隧道內(nèi)增設(shè)新的水準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)均從位于豎井或車站的地下穩(wěn)固水準(zhǔn)點(diǎn)開始起算，地下穩(wěn)固水準(zhǔn)點(diǎn)成果不隨地面高程控制點(diǎn)的更新而更新，在距貫通面一定距離(盾構(gòu)為200～300 m，暗挖為100～150 m)時(shí)，對存在貫通面的相鄰工點(diǎn)之間的地下水準(zhǔn)控制點(diǎn)進(jìn)行連測，統(tǒng)一兩個(gè)工點(diǎn)之間的高程系統(tǒng)，然后利用統(tǒng)一后的高程數(shù)據(jù)測量開挖面以及貫通面預(yù)留結(jié)構(gòu)(盾構(gòu)洞門圈或暗挖隧道已完成襯砌)實(shí)際高程，根據(jù)實(shí)測結(jié)果調(diào)整開挖高程，以實(shí)現(xiàn)順利貫通。

5.附屬結(jié)構(gòu)施工測量應(yīng)對措施

車站附屬結(jié)構(gòu)的施工，一般是在車站主體結(jié)構(gòu)施工完成后進(jìn)行的。在進(jìn)行附屬結(jié)構(gòu)施工時(shí)，首先將原地下水準(zhǔn)高程控制點(diǎn)高程引測至附屬結(jié)構(gòu)施工現(xiàn)場，附屬結(jié)構(gòu)施工時(shí)以引測的高程數(shù)據(jù)為準(zhǔn)進(jìn)行放樣，實(shí)現(xiàn)主體與附屬結(jié)構(gòu)銜接部位高程的對接。

6.高程貫通測量應(yīng)對措施

貫通誤差是施工過程中的測量誤差和施工誤差的綜合反映，為了保證高程貫通精度，減小差異沉降對貫通精度的影響，可采取以下方法實(shí)施:

1)盾構(gòu)隧道施工至距貫通面200～300 m左右時(shí)(避免在貫通前由于可調(diào)整距離過短，在調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)過程中出現(xiàn)明顯的環(huán)片錯(cuò)臺)、暗挖隧道施工至距貫通面100～150 m左右時(shí)，或在預(yù)計(jì)貫通時(shí)間之前約一個(gè)月時(shí)，相關(guān)施工單位應(yīng)及時(shí)對本工點(diǎn)地面高程控制點(diǎn)、地下高程控制點(diǎn)與相鄰的存在貫通面的工點(diǎn)之間的高程控制點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，統(tǒng)一兩個(gè)工點(diǎn)之間的高程系統(tǒng)，保證貫通之前相鄰工點(diǎn)的高程控制基準(zhǔn)一致，減小由于控制點(diǎn)差異沉降帶來的豎向貫通誤差。

2)根據(jù)聯(lián)測結(jié)果對盾構(gòu)接收環(huán)的中心高程進(jìn)行測量，對隧道內(nèi)指導(dǎo)盾構(gòu)機(jī)掘進(jìn)的高程控制點(diǎn)進(jìn)行測量和成果更新，及時(shí)調(diào)整自動導(dǎo)向系統(tǒng)，減小由于施工誤差以及結(jié)構(gòu)體本身沉降所帶來的貫通誤差。

7.其他措施

城市軌道交通從設(shè)計(jì)到土建結(jié)構(gòu)竣工一般需要3～5年，由于地表沉降的影響，竣工后結(jié)構(gòu)實(shí)際的高程與設(shè)計(jì)高程會出現(xiàn)明顯差異，原設(shè)計(jì)車站覆土厚度、管線空間布置等也會發(fā)生變化;同時(shí)由于差異沉降的存在，造成后續(xù)施工的結(jié)構(gòu)與既有結(jié)構(gòu)之間不能正確銜接，區(qū)間隧道坡度與設(shè)計(jì)不符等，這些情況需要設(shè)計(jì)單位密切關(guān)注，必要時(shí)進(jìn)行設(shè)計(jì)變更。

在區(qū)間貫通及貫通數(shù)據(jù)更新前，建議不要進(jìn)行軌行區(qū)的站臺板施工、設(shè)備安裝等工作。因?yàn)橛捎诔两涤绊懀炌ㄇ昂蟮母叱虜?shù)據(jù)會相差較大，相差過大時(shí)可能引起設(shè)計(jì)變更。提前進(jìn)行軌行區(qū)的施工可能會導(dǎo)致無法對接或位置偏差過大。

五、結(jié)束語

隨著各個(gè)城市地鐵建設(shè)規(guī)模的不斷擴(kuò)大，加之城市建設(shè)導(dǎo)致地面沉降的加劇，地面沉降對地鐵施工及運(yùn)營的影響會越來越明顯。

本文介紹了地面沉降在地鐵建設(shè)過程中對測量工作的影響，并針對沉降特性，提出了相應(yīng)的解決措施，對保證地鐵線路正確貫通，結(jié)構(gòu)正確銜接具有指導(dǎo)作用。同時(shí)對其他穿越沉降區(qū)域的地鐵線路也具有一定的參考意義。

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Influences and Measures of Surface Subsidence to Subway Construction Surveying

GENG Changliang，CHEN Dayong，LI Chengpeng

0494-0911(2011)11-0053-04

P258

B

2010-12-02

耿長良(1979—)，男，北京人，工程師，主要從事地鐵工程測量、大型精密工程測量方法的研究及應(yīng)用工作。