陶茂枕

(南昌市城市規(guī)劃設(shè)計研究總院，江西 南昌 330038)

1 引 言

目前國內(nèi)已經(jīng)有許多城市地鐵線路建成運營，通過對一些已運營的線路調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，在建設(shè)過程和運營期間，其隧道、高架橋、U型結(jié)構(gòu)、路基擋墻等主體結(jié)構(gòu)均有變形發(fā)生，從而引起線路沉降、軌道變形，嚴(yán)重時則影響運營安全。為了及時掌握地鐵主體結(jié)構(gòu)的變形情況，及時消除安全隱患，在運營期間，對主體結(jié)構(gòu)采取適宜的變形監(jiān)測是非常必要的，選擇代表性部位進(jìn)行沉降變形監(jiān)測，對變形較大的地段及時采取適當(dāng)?shù)难a救措施，確保運營安全，延長結(jié)構(gòu)使用壽命，對保證地鐵安全運營和長期節(jié)約維修成本具有重要的意義[1，2]。

2 監(jiān)測技術(shù)與方法

隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測主要是監(jiān)測隧道結(jié)構(gòu)的底板，實質(zhì)上是對隧道道床進(jìn)行沉降監(jiān)測，通過隧道道床的沉降監(jiān)測來反映隧道結(jié)構(gòu)底板的變形。主要包括區(qū)間隧道的沉降監(jiān)測、車站的沉降監(jiān)測和隧道與車站交接處的差異沉降監(jiān)測[3，4]。

2.1 監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

沉降監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)是沉降監(jiān)測的參考系，基準(zhǔn)點的穩(wěn)定直接影響監(jiān)測成果的正確性，基準(zhǔn)網(wǎng)通常采用三級層次進(jìn)行布設(shè)，分別為基準(zhǔn)點、工作基點、監(jiān)測點，網(wǎng)形宜布設(shè)成閉合或附合水準(zhǔn)路線[5]。

2.2 沉降監(jiān)測

2.2.1 隧道沉降監(jiān)測

(1)盾構(gòu)隧道

盾構(gòu)隧道內(nèi)道床上沉降監(jiān)測點每隔15環(huán)布設(shè)一個，采用頂部呈半球型的不銹鋼膨脹螺栓為標(biāo)志，統(tǒng)一規(guī)格，用鉆孔機(jī)引孔用混凝土填充后打入道床軌枕內(nèi)，一般布設(shè)在軌道中心線上。標(biāo)志的一頭帶有十字或?qū)χ行A點，露出道床約 5 mm。布設(shè)示意圖如圖1所示。

圖1 隧道沉降監(jiān)測點布設(shè)示意圖

(2)明挖矩形隧道

區(qū)間矩形隧道沉降監(jiān)測點的布設(shè)以矩形隧道變形縫間的隧道為單位，每節(jié)矩形隧道在側(cè)距變形縫 5 m處的整體道床線路中心位置各布設(shè)一個沉降監(jiān)測點。如有其他設(shè)備設(shè)施影響，可實地進(jìn)行縱橫向小范圍調(diào)整，布點方式與盾構(gòu)隧道布點方式一致。布設(shè)示意圖如圖2所示。

圖2 明挖隧道沉降監(jiān)測點布設(shè)示意圖

2.2.2 車站結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測

車站結(jié)構(gòu)在站臺有效距離上下行的1/4、1/2、3/4處分別布沉降監(jiān)測點，同時在車站與區(qū)間分界線5m處各布設(shè)2處沉降監(jiān)測點，即每個車站上下行線各布設(shè)5個監(jiān)測點，如圖3所示。

圖3 車站沉降監(jiān)測點布設(shè)示意圖

2.2.3 隧道與車站交接處差異沉降監(jiān)測

以車站與區(qū)間隧道分界線為準(zhǔn)，在車站距其 5 m、隧道第一環(huán)(距分界線約 1 m)處分別布設(shè)1個沉降監(jiān)測點，通過兩點之間變化量差值來計算差異沉降量。如圖4所示。

圖4 車站隧道差異沉降監(jiān)測點布設(shè)示意圖

3 監(jiān)測實施

本文以南昌市軌道交通2號線首通段為例。南昌市軌道交通2號線首通段于2017年8月開通運營，全長約 20 km，均為地下線，設(shè)置車站17站，換乘站1座，其中南路站～西站南廣場站為明挖矩形隧道，全長約 8.2 km，西站南廣場站～地鐵大廈站為盾構(gòu)隧道，全長約 11.8 km。

南昌軌道交通2號線首通段于2017年4月開始進(jìn)行點位布設(shè)，6月完成初始值采集工作，截至2020年7月共完成9次監(jiān)測。

3.1 基準(zhǔn)網(wǎng)測量

3.1.1 基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

基準(zhǔn)網(wǎng)采用遠(yuǎn)離線路且穩(wěn)定的基巖水準(zhǔn)點作為高程起算點，并在沿2號線線路行駛方向上選取3個穩(wěn)定的基巖點作為工作基點，組成了圖5所示的監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)。

圖5 監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)示意圖

基準(zhǔn)網(wǎng)以4個基巖水準(zhǔn)點布設(shè)成閉合水準(zhǔn)路線，測量采用標(biāo)稱精度為 ±0.3 mm/km的天寶DINI03電子水準(zhǔn)儀，并配備相應(yīng)的銦瓦水準(zhǔn)尺按照軌道一等幾何水準(zhǔn)測量的要求進(jìn)行施測。觀測頻率為每年復(fù)測一次、截至2020年7月，共觀測4次。

3.1.2 數(shù)據(jù)處理

(1)水準(zhǔn)標(biāo)尺尺長誤差改正

本項目所采用的水準(zhǔn)尺為因瓦條碼水準(zhǔn)尺，平差計算前應(yīng)對測量的高差數(shù)據(jù)進(jìn)行尺長誤差改正。按測段進(jìn)行高差改正，改正量計算公式為：

△h=0.01×(Hi+1-Hi)

其中，Hi及Hi+1為測段兩端點的近似高程值。

(2)水準(zhǔn)面不平行改正

南昌軌道交通工程2號線首通段為南北走向，長度約 20 km，兩點地球重力值受緯度影響有一定的差異。按照《國家一、二等水準(zhǔn)測量規(guī)范》進(jìn)行水準(zhǔn)面不平行誤差改正。

將改正后的測段數(shù)據(jù)采用科傻(COSA)軟件以距離為權(quán)倒數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密平差計算，表1為3個工作基點4期的高程值。

工作基點各期高程值(單位/m) 表1

3.1.3 數(shù)據(jù)分析

依據(jù)《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ8-2016)5.4節(jié)要求，沉降基準(zhǔn)點穩(wěn)定性檢驗分析應(yīng)符合下列規(guī)定：

①基準(zhǔn)點網(wǎng)復(fù)測后，對所有基準(zhǔn)點應(yīng)分別按兩兩組合，計算本期平差后的高差數(shù)據(jù)與上期平差后高差數(shù)據(jù)之間的差值。

②當(dāng)計算的所有高差差值均不大于按下列公式計算的限差時，認(rèn)為所有基準(zhǔn)點穩(wěn)定：

式中：δ為高差差值限差(mm)；n為兩個點之間的測站數(shù)；μ為對應(yīng)精度等級的測站高差中誤差(mm)；

按照《建筑變形測量規(guī)范》(JGJ8-2016)中表3.2.2取值，根據(jù)本項目測量精度，μ值為 0.15 mm。

根據(jù)上述公式可得，各段高差限差及各點穩(wěn)定性如表2所示。

基準(zhǔn)網(wǎng)各期檢測高差較差 表2

由以上分析數(shù)據(jù)可知，工作基點均處于穩(wěn)定狀態(tài)，但考慮到監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的精度要求，尤其是相對精度要求明顯高于施工控制網(wǎng)精度，為減少基巖點自身高程精度對后期監(jiān)測網(wǎng)的約束影響，監(jiān)測基準(zhǔn)網(wǎng)的高程值以初始測量值為準(zhǔn)[6]。

3.2 沉降監(jiān)測

沉降監(jiān)測按照《城市軌道交通工程測量規(guī)范》(GB/T 50308-2017)二等水準(zhǔn)的技術(shù)要求，在上行隧道區(qū)間、下行隧道區(qū)間各布置一條附合水準(zhǔn)線路，水準(zhǔn)線路聯(lián)測該區(qū)間的所有沉降監(jiān)測點，地面工作基點與地下監(jiān)測點通過車站樓梯進(jìn)行上下水準(zhǔn)測量[7，8]。如圖6所示。

圖6 沉降監(jiān)測網(wǎng)示意圖

3.2.1 數(shù)據(jù)處理

將改正后的測段數(shù)據(jù)采用科傻(COSA)軟件以測站為權(quán)倒數(shù)進(jìn)行嚴(yán)密平差計算，本項目平差分為三個區(qū)段進(jìn)行平差，分別為：

第一區(qū)段：地鐵大廈站～臥龍山站；

第二區(qū)段：臥龍山站～站前南路站；

第三區(qū)段：站前南路站～南路站。

計算時采用地面基巖工作基點為高程起算點，按附合線路進(jìn)行平差。

3.2.2 數(shù)據(jù)分析

本項目共完成監(jiān)測沉降監(jiān)測點3 952個，其中車站479個，明挖隧道618個，盾構(gòu)隧道 2 855個，根據(jù)各期監(jiān)測點位累計變化量繪制表3，統(tǒng)計各累計變化值的區(qū)段占比，直觀獲取整條線路在監(jiān)測期間的整體變形與安全狀況。

將監(jiān)測數(shù)據(jù)按照上、下行線選取部分監(jiān)測期數(shù)分別繪制明挖及盾構(gòu)段累計沉降量曲線圖，圖7、圖8分別為第2期、第6期、第8期、第9期累計沉降量曲線圖。

各期累計沉降量統(tǒng)計表 表3

圖7 2號線首通段累計沉降量曲線圖

圖8 2號線差異沉降量曲線圖

根據(jù)圖7、圖8可以得出：

(1)整條隧道出現(xiàn)了不同程度的上升和下沉，上下行線的變化規(guī)律較為相似，整體變形量控制在預(yù)警范圍內(nèi)，對結(jié)構(gòu)和行車無礙，可正常運營通車；

(2)在里程為SK14+000與XK14+000(大崗站～生米站區(qū)間)至2019年開始，監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隧道整體結(jié)構(gòu)明顯上升，經(jīng)實地踏勘和分析，產(chǎn)生明顯變化的原因為：①施工原因：隧道上方進(jìn)行管廊施工，隧道上部土方開挖后導(dǎo)致隧道上方土方卸力，隧道整體隆起；②地質(zhì)原因：地質(zhì)條件較差，主要以砂層為主，上層土方卸力后，地層反應(yīng)較大，導(dǎo)致隧道結(jié)構(gòu)隆起；

(3)線路差異沉降量均小于2 mm，均附合小于規(guī)范0.04%×L=2.4 mm(L為兩監(jiān)測點間距為 6 m)的要求，對行車影響較小，可正常運營。

4 結(jié) 論

(1)在地鐵隧道變形分析中，應(yīng)重點關(guān)注車站與隧道結(jié)構(gòu)的差異沉降，若隧道與車站均處在均勻沉降中，對結(jié)構(gòu)和行車是無礙的。

(2)基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性是影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的關(guān)鍵因素，基準(zhǔn)點的穩(wěn)定與否直接決定監(jiān)測數(shù)據(jù)的正確性，所以在監(jiān)測過程中對基準(zhǔn)點的穩(wěn)定性分析尤為關(guān)鍵。

(3)利用監(jiān)測點沉降量統(tǒng)計圖表可以直觀獲取整條線路在監(jiān)測期間的整體變形趨勢，便于地鐵管理部門的正確決策。

(4)當(dāng)監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示隧道出現(xiàn)較大的沉降變形時，應(yīng)立即對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，防止因數(shù)據(jù)測量或處理錯誤導(dǎo)致隧道發(fā)生變形，在數(shù)據(jù)核實無誤后，應(yīng)密切關(guān)注周邊是否存在施工，發(fā)現(xiàn)異常情況后應(yīng)立即報告業(yè)主單位。