姜雁飛，馬全明，唐紅軍，楊 強(qiáng)

(1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710062;2.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018;3.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

地裂縫和地面沉降條件下的城市軌道交通工程高程控制測量探討

姜雁飛1，2，馬全明3，唐紅軍2，楊 強(qiáng)3

(1.陜西師范大學(xué)旅游與環(huán)境學(xué)院，陜西西安710062;2.西安市地下鐵道有限責(zé)任公司，陜西西安710018;3.北京城建勘測設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，北京100101)

對(duì)城市地裂縫和地面沉降條件下城市軌道交通工程的高程控制測量、變形監(jiān)測基準(zhǔn)、施工放樣及正施工的土建結(jié)構(gòu)等方面受到的影響進(jìn)行分析，運(yùn)用現(xiàn)代測量數(shù)據(jù)處理和平差理論，結(jié)合西安地鐵工程測量實(shí)際案例，對(duì)在不均勻沉降環(huán)境條件下的城市軌道交通測量基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)、數(shù)據(jù)處理及平差方法以及復(fù)測成果的使用等方面提出若干措施和建議。

地裂縫;地面沉降;城市軌道交通;高程測量;變形監(jiān)測;施工放樣

西安是國內(nèi)首次在黃土地區(qū)修建城市軌道交通的城市，由于市區(qū)范圍存在不同程度的地裂縫和地面沉降等地質(zhì)災(zāi)害，因此將嚴(yán)重影響地鐵的設(shè)計(jì)與施工。在地鐵勘察設(shè)計(jì)階段，這一問題已引起各方面的關(guān)注，所以在施工工法和隧道斷面設(shè)計(jì)尺寸上考慮了未來運(yùn)營100年可能的變形影響。然而，在地鐵工程建設(shè)期間的高程控制測量方面，如何解決這類地質(zhì)災(zāi)害對(duì)施工帶來的負(fù)面影響，保證土建結(jié)構(gòu)施工能按設(shè)計(jì)要求的位置和尺寸準(zhǔn)確貫通和就位，是目前困擾參建單位的重要問題。筆者根據(jù)近年來從事城市軌道交通測量的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，就有關(guān)問題展開探討，并提出了若干措施和建議。

一、西安地裂縫和地面沉降概述

隨著城市化進(jìn)程的加快，城市基礎(chǔ)設(shè)施和建(構(gòu))筑物不斷增多，地面沉降和地裂縫成為人們重點(diǎn)關(guān)注的環(huán)境地質(zhì)問題。在我國，迄今已有60多個(gè)城市存在不同程度的地面沉降和地裂縫現(xiàn)象。近年來西安、上海等市的相關(guān)勘察研究單位陸續(xù)進(jìn)行了一系列地面沉降、地裂縫的觀測和專題研究。

地裂縫和地面沉降是西安市主要的地質(zhì)災(zāi)害之一，而且有不同于其他城市類似地質(zhì)災(zāi)害的特殊性。地面沉降及其差異性沉降往往造成以下各種不同程度的災(zāi)害:地面破裂與變形，建筑物沉降和傾斜甚至開裂，城市管網(wǎng)(天然氣、給水、排水等)設(shè)施發(fā)生變化或遭破壞，以致影響單位和居民正常工作和生活，甚至危害公眾的生命財(cái)產(chǎn)安全。地面沉降形成的槽形低洼(沉降漏斗)，加劇了城市暴雨內(nèi)澇災(zāi)害等。

目前國內(nèi)已有30多個(gè)城市已建和正在修建地鐵，西安是國內(nèi)首次在黃土地區(qū)修建地鐵的城市，同時(shí)該項(xiàng)目是西安市目前投資最大的重點(diǎn)工程項(xiàng)目，社會(huì)關(guān)注度很高。因此，地面沉降和地裂縫災(zāi)害對(duì)地鐵隧道可能帶來的質(zhì)量和安全風(fēng)險(xiǎn)，在設(shè)計(jì)、施工、運(yùn)營中各階段都必須引起各方面足夠的重視。

近30年來，很多單位分別或綜合運(yùn)用了地質(zhì)勘察、精密水準(zhǔn)測量、分層標(biāo)連續(xù)觀測、GPS測量以及InSAR技術(shù)等多種傳統(tǒng)或現(xiàn)代技術(shù)手段研究西安地裂縫和地面沉降問題，基本弄清楚了這類地質(zhì)災(zāi)害的分布和變化情況，并對(duì)其成因具有了一些基本一致的看法，對(duì)城市規(guī)劃和建設(shè)起到了一定的指導(dǎo)作用。

相關(guān)成果［1-4］表明，西安地裂縫包括已出露地表的地裂縫和未在地表出露的隱伏型地裂縫，目前已發(fā)現(xiàn)有14條，均分布在黃土梁洼地貌范圍內(nèi)，面積覆蓋約150 km2，地裂縫出露總長度72 km，延伸長約103 km，單條地裂縫出露最長達(dá)到11.38 km。最短也達(dá)2 km。地裂縫自東西兩側(cè)延伸分布，東邊越過浐河，西邊到皂河邊。長安區(qū)已發(fā)現(xiàn)數(shù)條地裂縫，由于勘察、研究工作較少，其成因、分布、活動(dòng)特征等有待進(jìn)一步研究。

另一方面，西安地區(qū)是一個(gè)地面下沉區(qū)域，基底構(gòu)造沉降速率平均3 mm/a。自1959年從城市測量中發(fā)現(xiàn)西安地面沉降開始，到1972年總沉降量在70 mm以內(nèi)，大部分地區(qū)沉降速率小于3 mm/a，基本上是以基底的構(gòu)造沉降為主。到1972年以后沉降速率平均加快3～6倍。到1978年總沉降量超過100 mm，面積達(dá)到85 km2，局部地區(qū)沉降量超過300 mm。1978—1983年總沉降量超過100 mm的面積已達(dá)127 km2，超過 300 mm的面積擴(kuò)大到50 km2。1983年后沉降速率明顯加快，如1993—1997年地面沉降的分布是:西郊、北郊年沉降速率8～20 mm，舊城區(qū)、東北郊年沉降速率90～170 mm，總沉降量超過100 mm的面積為168 km2，大于300 mm的面積93 km2。1997年由于黑河引水工程通水，逐步減少了自備井的開采量，大部分地區(qū)承壓水位趨于穩(wěn)定，部分地區(qū)水位有明顯回升，近幾年地面沉降速率有所減緩。

西安市現(xiàn)階段的全部地面沉降中，地下水作用造成的沉降量是主要的，構(gòu)造性沉降量是次要的，而且在一定的歷史時(shí)期內(nèi)，構(gòu)造性沉降基本穩(wěn)定在一個(gè)水平上。構(gòu)造性沉降在新近地質(zhì)歷史時(shí)期一直存在著，已有幾百萬年的歷史。地下水作用造成沉降只在一定環(huán)境條件下產(chǎn)生，迄今為止在西安只有30多年的歷史。前者人類無法控制，后者與人類活動(dòng)有關(guān)，可以控制?，F(xiàn)階段承壓水位下降是引起西安地面沉降的主要因素，也是西安地裂縫強(qiáng)烈活動(dòng)的主要因素。

總之，西安市長期過量開采市區(qū)地下承壓水，引起水位持續(xù)下降，水位下降導(dǎo)致了地面沉降，地面沉降導(dǎo)致和促使了地裂縫的發(fā)展。地裂縫災(zāi)害的易出現(xiàn)部位為沉降梯度陡變處，即沉降梯度最大處。地裂縫與地面沉降漏斗的相關(guān)性很大，西安地面沉降總體上屬于不均勻沉降。西安地鐵二號(hào)線穿越地裂縫情況如圖1所示。

圖1 西安地鐵二號(hào)線地裂縫分布示意圖

二、引起的高程控制測量的問題分析

地鐵工程建設(shè)中的平面和高程控制測量是分級(jí)布設(shè)和實(shí)施的，高程控制測量主要采用精密水準(zhǔn)測量的方式。

由于近幾年我國各城市才開始大力發(fā)展地鐵，各參建單位對(duì)地鐵控制測量的認(rèn)識(shí)程度深淺有別，包括專業(yè)城市測繪部門在內(nèi)，在提供合理可靠的基礎(chǔ)控制測量資料方面，還依然存在一些不十分明確的認(rèn)識(shí)。工程測量必須和實(shí)際工程密切地聯(lián)系起來才能真正滿足工程的需要。

針對(duì)西安地鐵縫及地面沉降影響，實(shí)際測量工作中將會(huì)遇到如下問題:

1)西安地處比較深厚的黃土覆蓋層，高程基準(zhǔn)的深埋樁建設(shè)應(yīng)該如何選址和建造。

2)地面普通水準(zhǔn)標(biāo)石的穩(wěn)定性如何保證。

3)水準(zhǔn)網(wǎng)復(fù)測的頻率該怎樣選取。

4)正在施工的土建主體結(jié)構(gòu)如何選擇水準(zhǔn)復(fù)測數(shù)據(jù)從而保證幾何尺寸按照設(shè)計(jì)參數(shù)施工。

5)監(jiān)測基點(diǎn)發(fā)生區(qū)域性沉降變化后，日常監(jiān)控量測數(shù)據(jù)如何處理。

6)如何解決市政道路和地下管網(wǎng)的建設(shè)引用的高程系統(tǒng)不一致造成密貼結(jié)構(gòu)之間的沖突。

三、西安地鐵高程控制測量典型實(shí)測數(shù)據(jù)的分析

現(xiàn)以西安地鐵二號(hào)線為例說明相關(guān)情況。西安地鐵二號(hào)線位于西安市南北中軸線附近，北起鐵路北客站，南至長安區(qū)韋曲南站，正線全長26.3 km。二號(hào)線分兩期建設(shè)，一期工程從北客站至?xí)怪行?，全長20.3 km，設(shè)站17座，自2007年8月開工建設(shè)，2010年5月已經(jīng)實(shí)現(xiàn)全段軌通;二期工程從會(huì)展中心站至韋曲南站，全長6 km，2010年3月開工。

近年來，由于西安黑河引水工程的實(shí)施，原有一些沉降嚴(yán)重的漏斗趨于穩(wěn)定。在二號(hào)線一期工程施工期間，小寨以北線路所經(jīng)地段水準(zhǔn)點(diǎn)經(jīng)過多次復(fù)測表明基本趨于穩(wěn)定，但小寨以南水準(zhǔn)點(diǎn)沉降明顯，尤其是二期工程經(jīng)過會(huì)展中心站和東三爻站之間的繞城高速附近區(qū)域沉降問題明顯。表1中h1為2010年3月復(fù)測與2008年12月初測的二號(hào)線南延段(會(huì)展中心站以南)水準(zhǔn)的變化值;h2為該段2010年9月與2010年3月兩次測量的變化值。

表1 二號(hào)線南延段(會(huì)展中心站以南)水準(zhǔn)測量變化對(duì)照表 mm

表1中h1水準(zhǔn)復(fù)測時(shí)間跨度為15個(gè)月，h2水準(zhǔn)復(fù)測時(shí)間跨度為6個(gè)月。從表中可以看出，繞城輔道的地面水準(zhǔn)點(diǎn)沉降在21個(gè)月的時(shí)間累計(jì)達(dá)238.8 mm，附近其他點(diǎn)也存在著不同變化速率的明顯沉降，對(duì)應(yīng)地裂縫分布，該區(qū)域剛好在f10和f11地裂縫之間。根據(jù)有關(guān)研究成果，這里又正好處在近年西安地裂縫和地面沉降活躍的位置。地鐵精密水準(zhǔn)測量的數(shù)據(jù)也基本印證了其他手段對(duì)該地段沉降漏斗的研究判斷。

四、地鐵首級(jí)高程控制網(wǎng)標(biāo)石的建立

地裂縫及地面沉降對(duì)地鐵高程測量的直接影響首先是水準(zhǔn)標(biāo)石的穩(wěn)定性問題。我國對(duì)水準(zhǔn)標(biāo)石的穩(wěn)定性研究也是近十幾年才開始的，隨著國家水準(zhǔn)網(wǎng)的復(fù)測，人們逐漸有了較深的認(rèn)識(shí)。根據(jù)有關(guān)文獻(xiàn)，對(duì)表層水準(zhǔn)標(biāo)石來說，兩期高程的變化，如果不顧及測量誤差，則包括標(biāo)石自身的不穩(wěn)定性、地面沉降和現(xiàn)今地殼垂直運(yùn)動(dòng)三部分，其中基巖水準(zhǔn)標(biāo)石主要反映地殼的垂直位移。

從城市軌道交通工程建設(shè)角度而言，結(jié)合西安特有的地裂縫和地面沉降的地質(zhì)災(zāi)害背景進(jìn)行分析。西安地處黃土地區(qū)，覆土深厚，由于黃土濕陷性及其他城市建設(shè)因素，普通水準(zhǔn)標(biāo)石自身的穩(wěn)定性易受干擾，要求在選點(diǎn)時(shí)充分考慮位置環(huán)境的影響，埋石后需要有一個(gè)自然沉降趨于穩(wěn)定的過程，一般要經(jīng)過一個(gè)雨季。

針對(duì)地裂縫和地面沉降的現(xiàn)狀，建設(shè)地鐵高程控制測量首先要解決的問題是水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)的建設(shè)。西安不像其他沿海城市基巖較淺，基巖水準(zhǔn)點(diǎn)也容易建造。西安地處黃土高原，覆土深厚，在城區(qū)軌道交通覆蓋范圍埋設(shè)真正意義上的基巖點(diǎn)成本過大，難以實(shí)現(xiàn)。根據(jù)多年的研究發(fā)現(xiàn)，西安的地下水采集深度范圍在100～300 m之間，抽水后土體壓實(shí)造成一定厚度的土體沉降。經(jīng)過地質(zhì)部門的勘探資料和相關(guān)專家的意見，地鐵專用水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)宜在西安市長安至臨潼大斷裂兩側(cè)的主城區(qū)南北兩個(gè)地方埋設(shè)，深埋鋼管水準(zhǔn)標(biāo)石鉆孔設(shè)計(jì)孔深約360 m。標(biāo)底選在穩(wěn)定的土體持力層上，分別在張家堡城市運(yùn)動(dòng)公園內(nèi)和曲江航天大道附近建設(shè)深層標(biāo)二座，作為今后西安地鐵高精度水準(zhǔn)測量的起算點(diǎn)。需經(jīng)過一定時(shí)間的多期沉降觀測，確認(rèn)穩(wěn)定后，才能投入使用。

西安地鐵采用1985國家高程系統(tǒng)，起算點(diǎn)采用了西安市南邊秦嶺腳下的太乙宮基巖點(diǎn)和淳化縣北部山區(qū)基巖點(diǎn)永樂環(huán)1，構(gòu)成附合水準(zhǔn)線路。為了給這兩座深埋鋼管水準(zhǔn)標(biāo)石測定高程，另外考慮到聯(lián)測永樂環(huán)1點(diǎn)水準(zhǔn)路線要經(jīng)過渭河，一等水準(zhǔn)精度很難保證，且不屬于同一沉降單元，其穩(wěn)定性與西安所建地鐵區(qū)域關(guān)系不大。因此，在一號(hào)線和二號(hào)線南延段建立高程控制網(wǎng)時(shí)，由太乙宮基巖點(diǎn)起算，組成一個(gè)閉合環(huán)，舍棄原來用的永樂環(huán)1。由此采用國家一等水準(zhǔn)測量的方法專為西安地鐵建立了兩個(gè)深埋鋼管樁高程基準(zhǔn)點(diǎn)。

五、水準(zhǔn)測量數(shù)據(jù)處理與平差方法

在地裂縫及地面沉降條件下，針對(duì)西安地鐵建設(shè)的實(shí)際情況，需要選擇合適的水準(zhǔn)高程測量的數(shù)據(jù)處理和平差計(jì)算方法。

起算點(diǎn)的選擇方法的不同直接決定著數(shù)據(jù)處理方法與平差方法的不同選擇。對(duì)于水準(zhǔn)網(wǎng)(點(diǎn))測量平差來說，具有兩個(gè)以上的起算點(diǎn)可作約束平差;一個(gè)起算點(diǎn)可作經(jīng)典自由網(wǎng)平差;沒有起算點(diǎn)的情況下作秩虧自由網(wǎng)平差時(shí)，附加約束條件又有重心基準(zhǔn)的秩虧自由網(wǎng)平差和擬穩(wěn)基準(zhǔn)的秩虧自由網(wǎng)平差。

在地鐵工程地面水準(zhǔn)測量中，通常由專業(yè)測繪部門提供初次和多次復(fù)測全線(段)的精密水準(zhǔn)測量網(wǎng)點(diǎn)。由于地鐵工程建設(shè)的工期緊，有的地鐵線路離專用水準(zhǔn)基點(diǎn)較遠(yuǎn)，不是每次都能和深埋基準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測，同時(shí)由于單次測量網(wǎng)點(diǎn)內(nèi)的點(diǎn)位有可能發(fā)生標(biāo)石隨地面沉降引起高程的變化，這種情況下可以采用重心或擬穩(wěn)平差基準(zhǔn)的秩虧自由網(wǎng)平差。在西安地鐵一號(hào)線施工中，由于線路沿東西方向，距離南北兩個(gè)深埋鋼管樁基點(diǎn)較遠(yuǎn)，第二次復(fù)測時(shí)沒有聯(lián)測兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，而是比較高差變化，選擇部分相對(duì)穩(wěn)定的點(diǎn)位原高程值構(gòu)成擬穩(wěn)平差的約束條件，解算出整體的所有同期觀測的點(diǎn)位高程復(fù)測成果。

六、水準(zhǔn)高程復(fù)測數(shù)據(jù)成果的使用

對(duì)于地面不均勻沉降對(duì)地鐵施工造成的影響，采取的措施除了前面探討的建立穩(wěn)定的基準(zhǔn)、選擇合適的數(shù)據(jù)處理及平差方法外，在地鐵施工過程中最重要的一個(gè)環(huán)節(jié)是要定期對(duì)高程控制點(diǎn)進(jìn)行復(fù)測。由于地鐵工程大多采用分標(biāo)段施工，參建單位多，一般要求施工單位對(duì)各自標(biāo)段內(nèi)的高程控制點(diǎn)三個(gè)月復(fù)測一次，特殊地段甚至一個(gè)月一次，起算點(diǎn)要求附合到業(yè)主測量隊(duì)提供的首級(jí)高程控制點(diǎn)上。業(yè)主測量隊(duì)負(fù)責(zé)對(duì)全線水準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行檢測，全線范圍的高程控制點(diǎn)復(fù)測需要半年復(fù)測一次，對(duì)明顯變化的地段要加大頻率。并在綜合分析全線點(diǎn)位穩(wěn)定性后，將確認(rèn)可靠的成果提供給各參建的施工、監(jiān)理以及第三方監(jiān)測單位。而參建單位在得到新成果時(shí)也要根據(jù)業(yè)主測量隊(duì)的意見使用復(fù)測成果。

淺埋暗挖法或盾構(gòu)法隧道施工期間也會(huì)得到多次水準(zhǔn)復(fù)測的成果資料，一般地鐵隧道長度都在1 km以上。當(dāng)?shù)罔F穿越城市不均勻沉降嚴(yán)重的地區(qū)時(shí)，一個(gè)區(qū)間的隧道長度可能超過沉降漏斗半徑，這種帶狀范圍內(nèi)的不均勻沉降會(huì)對(duì)最終的隧道貫通和結(jié)構(gòu)斷面凈空尺寸產(chǎn)生影響。因此首先要保證隧道開挖和接收面所引用的水準(zhǔn)高程成果是同期觀測計(jì)算成果，并需要根據(jù)地面復(fù)測數(shù)據(jù)及時(shí)調(diào)整地下水準(zhǔn)控制點(diǎn)數(shù)據(jù)。在保證隧道貫通的情況下，可能在地面沉降變化明顯地段會(huì)對(duì)最終隧道凈空斷面高程造成一定偏差，但由于地鐵穿越地裂縫等地段在設(shè)計(jì)階段已考慮了一定變形，這種復(fù)測值取值問題基本在設(shè)計(jì)裕量容許的范圍內(nèi)，在貫通后將把隧道測量的斷面數(shù)據(jù)經(jīng)過設(shè)計(jì)部門進(jìn)行限界判定后，如果偏差稍大可以通過調(diào)線調(diào)坡來適當(dāng)糾正。

對(duì)變形監(jiān)測來說，通常地面沉降30 mm的控制值是針對(duì)施工造成的影響制訂的，對(duì)第三方監(jiān)測單位的工作意義還在于，當(dāng)?shù)罔F施工與周邊產(chǎn)權(quán)單位發(fā)生糾紛時(shí)，其提供的監(jiān)測數(shù)據(jù)及報(bào)告要起到公正的作用，因而對(duì)監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的選擇應(yīng)在距離基坑一定距離外的穩(wěn)定位置。對(duì)業(yè)主測量隊(duì)提供的全線水準(zhǔn)復(fù)測成果資料，不能盲目使用，應(yīng)該分析原因后把非施工造成的區(qū)域性地面沉降量分離，主要提供與施工中的降水及開挖密切相關(guān)的沉降變形數(shù)據(jù)，這樣監(jiān)測數(shù)據(jù)成果對(duì)設(shè)計(jì)和施工才能起到真正的指導(dǎo)作用。

七、結(jié)論和建議

1)在地裂縫及地面沉降較大環(huán)境條件下的城市修建地鐵，地裂縫及地面沉降對(duì)高程控制測量及結(jié)構(gòu)施工都會(huì)產(chǎn)生一定的影響，需要用動(dòng)態(tài)以及相對(duì)的理念解決相關(guān)問題。對(duì)高程控制網(wǎng)經(jīng)常性的復(fù)測并合理選用復(fù)測成果是重要的手段。

2)在黃土覆蓋深厚的西安地區(qū)，地鐵工程應(yīng)建立深埋樁水準(zhǔn)標(biāo)石作為專用高程基準(zhǔn)，結(jié)合地勘資料在城市地鐵規(guī)劃范圍內(nèi)建立至少兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，標(biāo)底處在只受基底板塊大范圍均勻沉降影響的持力層上。

3)專用高程基準(zhǔn)建成穩(wěn)定后，應(yīng)與國家一等水準(zhǔn)網(wǎng)基巖點(diǎn)聯(lián)測，并定期復(fù)測。地鐵建設(shè)期間的首級(jí)水準(zhǔn)網(wǎng)測量，可以用地鐵專用測量基準(zhǔn)點(diǎn)作為起算點(diǎn)，初測時(shí)可以用單點(diǎn)基準(zhǔn)，采用經(jīng)典自由網(wǎng)平差。復(fù)測時(shí)為節(jié)省投資、提高效率，離深埋樁較遠(yuǎn)的線路，可以用重心基準(zhǔn)或擬穩(wěn)基準(zhǔn)的秩虧自由網(wǎng)平差。

4)對(duì)于多期復(fù)測成果，正在施工的結(jié)構(gòu)要根據(jù)具體情況慎重使用，保證貫通和結(jié)構(gòu)質(zhì)量是關(guān)鍵。

5)施工變形監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)要保持獨(dú)立性，應(yīng)該分離出區(qū)域性地面沉降影響造成的非施工因素沉降量。但有條件時(shí)應(yīng)與施工控制網(wǎng)聯(lián)測，以便了解監(jiān)測對(duì)象在所采用的系統(tǒng)中的變形狀況。

6)地鐵周邊的其他市政工程建設(shè)應(yīng)注意與最新的地鐵高程成果進(jìn)行聯(lián)測，避免與密貼地鐵結(jié)構(gòu)物發(fā)生沖突。

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On Vertical Control Surveying for Urban Rail Transit Project under the Condition of Ground Cracks and Land Subsidence

JIANG Yanfei，MA Quanming，TANG Hongjun，YANG Qiang

0494-0911(2011)03-0048-04

TU196

B

2010-11-23

姜雁飛(1967—)，男，陜西西安人，博士生，高級(jí)工程師，主要從事GIS集成及城市軌道交通的管理與研究。