許 鋒

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團有限公司，天津 300308）

地鐵工程建設(shè)中，新建線路下穿既有線車站的情況時有發(fā)生。部分未考慮預(yù)留下穿條件的既有線車站，無論是土建施工還是安全監(jiān)測相比于其他工程，情況都更為復雜。既有線車站和暗挖段二者產(chǎn)權(quán)管理屬性不同，監(jiān)測單位往往也不同；既有線車站結(jié)構(gòu)底板常為土建暗挖段拱頂，因此在施工過程中如何有效準確監(jiān)測既有車站變形，一直都是地鐵工程關(guān)注的重點與難點。既有線車站內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形常采用測量機器人進行水平及豎向位移自動化監(jiān)測，該技術(shù)目前已發(fā)展成熟[1]；而在下穿既有線車站暗挖段內(nèi)拱頂沉降監(jiān)測中，通常由于場地條件的限制及工法的轉(zhuǎn)變，常規(guī)的監(jiān)測手段及精度往往無法達到預(yù)期的監(jiān)測效果，暗挖拱頂監(jiān)測常流于形式。因此在下穿既有線地鐵車站暗挖段拱頂沉降的監(jiān)測中，如何保證監(jiān)測精度和可行性則顯得十分重要。

1 工程概況

1.1 工程概述

成都地鐵8號線倪家橋站需在負三層暗挖下穿既有成都地鐵1號線倪家橋站，采用平頂直墻分步暗挖的形式，開挖寬22.7 m、高8.35 m、長18.7 m，共分為5步10個斷面進行施工。見圖1。

圖1 倪家橋站暗挖順序及結(jié)構(gòu)剖面

1.2 面臨問題

暗挖段拱頂沉降一般采用測倒尺法或者全站儀三角高程傳遞法進行監(jiān)測[2]。但由于下穿既有線車站工況特殊，暗挖段分上下臺階共10個斷面進行施工，單一的方法和常規(guī)的監(jiān)測手段往往適應(yīng)不了現(xiàn)場復雜的環(huán)境和高精度的測量要求。如采用測倒尺法進行拱頂沉降監(jiān)測，由于塔尺自身的結(jié)構(gòu)特點，觀測精度不滿足測量要求，當開挖至下臺階時，由于暗挖高度的變化，塔尺長度適應(yīng)不了空間的變化而無法監(jiān)測，若中途改變觀測方法，又會面臨無法埋設(shè)拱頂沉降監(jiān)測點的問題；如采用全站儀三角高程傳遞方法，上臺階土方開挖會出現(xiàn)通視條件不佳等問題。此外，監(jiān)測點及監(jiān)測方法的改變導致的監(jiān)測數(shù)據(jù)不連續(xù)或監(jiān)測數(shù)據(jù)異常、單一監(jiān)測方法不能進行核實比對等情況，會給暗挖段安全監(jiān)測工作造成極大不便。

2 監(jiān)測方案設(shè)計

2.1 監(jiān)測方法

結(jié)合測倒尺、全站儀三角高程傳遞兩種監(jiān)測方法的優(yōu)缺點，根據(jù)暗挖段施工和結(jié)構(gòu)特點，設(shè)計并制作一種能夠適應(yīng)現(xiàn)場環(huán)境且實施方便、測量精度高的變形監(jiān)測點和銦鋼尺尺套。

變形監(jiān)測點由監(jiān)測桿、監(jiān)測板、反射貼片、監(jiān)測掛鉤4部分組成[3]，將礦山法拱頂沉降測倒尺法與全站儀三角高程傳遞法監(jiān)測點合二為一，避免二次布點，環(huán)境適應(yīng)強。見圖2。

圖2 變形監(jiān)測點原理

銦鋼尺尺套為定制加工的高精度可組裝輔助裝置，由監(jiān)測掛鉤、不銹鋼球、連接孔、連接套筒、連接桿、監(jiān)測桿、尺套、調(diào)節(jié)螺栓、固定螺帽9部分組成[4]。現(xiàn)場可根據(jù)暗挖空間需要，自由拼接連接桿，通過掛鉤將銦鋼尺懸掛在監(jiān)測點上，采用高精度銦鋼尺取代常規(guī)塔尺或鋼卷尺等，測量精度高。見圖3。

圖3 銦鋼尺尺套原理

2.2 監(jiān)測方案

暗挖段上臺階（斷面1-1、2-1、3-1、3-3、4-1）開挖時拱頂沉降監(jiān)測采用電子水準儀+銦鋼尺尺套+銦鋼尺的方法；下臺階（斷面1-2、2-2、3-2、3-4、4-2）開挖時拱頂沉降監(jiān)測采用強制對中盤+全站儀三角高程傳遞法。見圖4。

圖4 監(jiān)測布點

3 監(jiān)測方案實施

3.1 儀器設(shè)備選擇

暗挖段工期長、施工難度大、風險級別高，現(xiàn)場必須選擇精度高、誤差小的儀器。根據(jù)監(jiān)測要求，使用Leica TS50全站儀1臺，測角精度±0.5"，測距精度±0.6 mm+10-6D（D為測得的兩點間的距離，km）；Trimble Dini03水準儀1臺，精度0.3 mm/km；配套銦鋼尺1套；銦鋼尺尺套1個；光學小棱鏡4個；溫濕度計1個；氣壓計1個；木質(zhì)腳架2個；強制對中盤2個；反射貼片、監(jiān)測條碼、變形監(jiān)測點、水準控制點若干以及其他測量輔助材料。

3.2 控制網(wǎng)布設(shè)及測量

沉降監(jiān)測工作重點關(guān)注監(jiān)測點的單次變化量、變化速率與累計變化量，不明確要求監(jiān)測點的絕對高程坐標；因此在暗挖段拱頂沉降監(jiān)測中，監(jiān)測控制網(wǎng)可采用地鐵高程系統(tǒng)，也可采用獨立高程系統(tǒng)。

1）倒銦鋼尺法。沉降控制網(wǎng)由3個基準點和4個工作基點組成：在車站遠離暗挖端選取3個測量控制點作為沉降基準點JZ01、JZ02、JZ03；在車站靠近暗挖端兩個立柱下部布設(shè)沉降工作基點GZ01、GZ02，考慮暗挖段拱頂沉降觀測需要，在兩個立柱上部（上臺階對應(yīng)位置）布設(shè)沉降工作基點GZ01’、GZ02’。GZ01、GZ02埋設(shè)于車站立柱底部側(cè)面，便于施測，采用鉆孔埋設(shè)水準點的方法布設(shè)；GZ01’、GZ02’埋設(shè)于車站立柱中部墻面，采用張貼監(jiān)測條碼的方法布設(shè)。

結(jié)合現(xiàn)場點位條件和暗挖開挖順序，擬建立兩套高程系統(tǒng)。第一套為基準點高程系統(tǒng)（地鐵高程系統(tǒng)），采用水準儀“aBFFB”觀測模式，通過JZ01、JZ02、JZ03地鐵控制點測量出GZ01、GZ02高程值；第二套為監(jiān)測高程系統(tǒng)（獨立高程系統(tǒng)），假設(shè)GZ01’點高程為500 m（假設(shè)高程值與工程結(jié)構(gòu)高度相適應(yīng)），采用水準儀“BFFB”觀測模式，通過GZ01’工作基點測量出GZ02’高程值。

2）三角高程傳遞法。沉降控制網(wǎng)由4個基準點和2個工作基點組成：在車站遠離暗挖端側(cè)墻及立柱合適位置布設(shè)4個后視基準點JM1、JM2、JM3、JM4；在車站靠近暗挖端兩個立柱下部布設(shè)工作基點Q01、Q02，確?，F(xiàn)場Q01、Q02能較好的觀測JM1、JM2、JM3、JM4及暗挖段拱頂沉降監(jiān)測點?；鶞庶c采用小棱鏡形式布設(shè)，工作基點采用強制對中盤形式布設(shè)。在暗挖段施工前，通過地鐵高等級控制點測量出4個基準點JM1、JM2、JM3、JM4高程值。

3）基準點的保護?；鶞庶c及工作基點盡量設(shè)置于隱蔽位置，防止機械碰撞及破壞，控制點接觸面用錨固劑或其他凝固膠粘牢，強制對中盤采用螺絲固定，確保基準點穩(wěn)定，同時制作并安裝警示標志牌并做好防護措施，對現(xiàn)場工作人員進行交底，加強點位保護。

3.3 監(jiān)測過程

根據(jù)施工進度，暗挖段上臺階開挖要及時布設(shè)拱頂沉降監(jiān)測點并采取有效保護措施，防止初期機械施工及噴錨泥漿破壞、遮擋監(jiān)測點，同時監(jiān)理單位組織各參建單位對監(jiān)測點進行驗收，待驗收合格后開始進行初始值采集和正常監(jiān)測工作。

3.3.1 開挖上臺階

采用電子水準儀測倒銦鋼尺法進行監(jiān)測，監(jiān)測具體流程：

1）先將銦鋼尺尺套平放，調(diào)節(jié)螺栓全部旋出，將銦鋼尺平緩放入尺套底部，通過調(diào)節(jié)螺栓旋進，使銦鋼尺固定；再將連接套筒平穩(wěn)的與連接桿相連并保證不銹鋼球可以在套筒內(nèi)正?；顒?，根據(jù)暗挖段上臺階開挖高度情況，拼接連接桿直至長度滿足現(xiàn)場需求；最后將連接桿與尺套水平連接，整個裝置組裝完成；

2）監(jiān)測人員將銦鋼尺緩慢舉起并將監(jiān)測掛鉤與暗挖段拱頂沉降監(jiān)測點相連，通過不銹鋼球的球形結(jié)構(gòu)，緩慢轉(zhuǎn)動銦鋼尺將銦鋼尺觀測面對準儀器，待裝置整體穩(wěn)定后進行拱頂沉降觀測；

3）在暗挖上臺階架設(shè)儀器，通過水準測量得到拱頂沉降監(jiān)測點GD1-1、GD1-2、……GD1-i的高程值，所有監(jiān)測點觀測完成時，緩慢取下監(jiān)測裝置并由專人負責保管及維護。

3.3.2 開挖下臺階

由于空間高度發(fā)生變化，倒銦鋼尺法無法實施，此時采用全站儀三角高程傳遞法進行拱頂沉降監(jiān)測，監(jiān)測具體流程：

1）在強制對中盤工作基點Q01上安裝全站儀，多測回觀測基準點JM1獲得Q01與JM1之間高差H1，通過觀測基準點JM2、JM3等完成基準點復核；

2）全站儀多測回依次觀測GD1-1、GD1-2、……、GD1-i等沉降監(jiān)測點，分別獲得工作基點Q01與監(jiān)測點的高差h1、h2、h3、……、hi；

3）已知基準點高程值和各段高差值，通過計算便可得到各監(jiān)測點高程值和監(jiān)測點變化量、累計變化量。

4 誤差來源

4.1 工作基點

工作基點因為位于暗挖段附近，不可保證在施工過程中不被破壞或位置絕對不發(fā)生變化,因此定期需對工作基點進行復核。GZ01’、GZ02’采用張貼監(jiān)測條碼的方式且與車站內(nèi)基準點不在同一高度，因此工作基點復核時應(yīng)對分別位于同一根中立柱上的工作基點GZ01、GZ02進行測量，即采用JZ01—GZ01—GZ02—JZ02—JZ03的線路模式進行水準測量。通過對GZ01、GZ02的測量，可判斷GZ01’、GZ02’的穩(wěn)定性。當發(fā)現(xiàn)工作基點高程發(fā)生變化或破壞時，可通過其他控制點及時進行修正及修復。

4.2 銦鋼尺懸掛

銦鋼尺在懸掛過程中可能傾斜，為減少懸掛誤差，監(jiān)測人員在懸掛銦鋼尺后，首先檢查裝置中不銹鋼球是否能自由活動，其次檢查銦鋼尺氣泡是否居中，最后用水準儀豎絲檢查銦鋼尺是否垂直。確認銦鋼尺垂直靜止后方可進行監(jiān)測。

4.3 高差觀測

倒銦鋼尺法監(jiān)測采用中間位置設(shè)站方式，直接后視工作基點、前視觀測監(jiān)測點進行測量，最大限度減少測量線路累計傳遞誤差及水準儀i角誤差；全站儀三角高程傳遞法觀測本質(zhì)為豎直角和斜距的觀測，斜距觀測時應(yīng)進行溫度、濕度、氣壓的改正；豎直角觀測則通過多測回取均值的方式減少誤差[5]。

4.4 儀器設(shè)備

暗挖段施工環(huán)境差、濕度高、灰塵大、惡劣環(huán)境不可避免地對監(jiān)測儀器造成影響；銦鋼尺尺套為精密部件，相當于一個固定常數(shù)，在監(jiān)測實施中一旦發(fā)生損傷破壞，都會造成較大數(shù)據(jù)誤差。因此監(jiān)測儀器設(shè)備的保養(yǎng)及管理顯得尤其重要。

4.5 數(shù)據(jù)分析

暗挖工程的安全與否不能只通過暗挖拱頂沉降這個單一數(shù)據(jù)的變化來判斷，還需要對其他監(jiān)測數(shù)據(jù)進行統(tǒng)一分析，如既有線車站內(nèi)的道床結(jié)構(gòu)豎向、水平向位移數(shù)據(jù)，道床左右、縱向差異沉降數(shù)據(jù)，暗挖段型鋼軸力數(shù)據(jù)、暗挖段凈空收斂數(shù)據(jù)等。

5 結(jié)論

1）變形監(jiān)測點將暗挖段測倒尺法監(jiān)測掛鉤和三角高程傳遞法反射貼片監(jiān)測點合二為一，避免重復布點，環(huán)境適應(yīng)強；銦鋼尺尺套可以較好地保證監(jiān)測精度、減少誤差，滿足暗挖段拱頂沉降監(jiān)測相關(guān)要求。

2）兩套高程系統(tǒng)可以較好地解決暗挖段監(jiān)測面與基準點不在同一高程面上的問題；工作基點定期復核可有效減小工作基點誤差，提高測量精度；通過調(diào)整水準儀架設(shè)位置，改變傳統(tǒng)水準觀測線路，采用直接觀測單個監(jiān)測點的模式，可以有效減小監(jiān)測線路傳遞誤差及水準儀i角誤差。

3）全站儀三角高程傳遞法觀測過程中，采用強制對中盤和固定小棱鏡形式布設(shè)基準網(wǎng)，降低了人為對中誤差；采用高程傳遞，無需量取儀器高和棱鏡高，降低人為量取誤差；觀測中測量溫度、濕度、氣壓等參數(shù)，同時多次觀測取均值，提高了觀測精度。

4）采用測倒銦鋼尺法和三角高程傳遞法組合監(jiān)測方案進行暗挖拱頂沉降監(jiān)測，操作性和環(huán)境適應(yīng)性強，保證了測量精度又增加了復核條件。該技術(shù)可為類似下穿既有線車站及采用CD、CRD、臺階法施工礦山法隧道等工程拱頂沉降監(jiān)測提供技術(shù)參考。