下穿既有地鐵車站暗挖拱頂沉降監測技術

許 鋒

（中鐵第六勘察設計院集團有限公司，天津 300308）

地鐵工程建設中，新建線路下穿既有線車站的情況時有發生。部分未考慮預留下穿條件的既有線車站，無論是土建施工還是安全監測相比于其他工程，情況都更為復雜。既有線車站和暗挖段二者產權管理屬性不同，監測單位往往也不同；既有線車站結構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測既有車站變形，一直都是地鐵工程關注的重點與難點。既有線車站內部結構變形常采用測量機器人進行水平及豎向位移自動化監測，該技術目前已發展成熟[1]；而在下穿既有線車站暗挖段內拱頂沉降監測中，通常由于場地條件的限制及工法的轉變，常規的監測手段及精度往往無法達到預期的監測效果，暗挖拱頂監測常流于形式。因此在下穿既有線地鐵車站暗挖段拱頂沉降的監測中，如何保證監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構剖面

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，單一的方法和常規的監測手段往往適應不了現場復雜的環境和高精度的測量要求。如采用測倒尺法進行拱頂沉降監測，由于塔尺自身的結構特點，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，塔尺長度適應不了空間的變化而無法監測，若中途改變觀測方法，又會面臨無法埋設拱頂沉降監測點的問題；如采用全站儀三角高程傳遞方法，上臺階土方開挖會出現通視條件不佳等問題。此外，監測點及監測方法的改變導致的監測數據不連續或監測數據異常、單一監測方法不能進行核實比對等情況，會給暗挖段安全監測工作造成極大不便。

2 監測方案設計

2.1 監測方法

結合測倒尺、全站儀三角高程傳遞兩種監測方法的優缺點，根據暗挖段施工和結構特點，設計并制作一種能夠適應現場環境且實施方便、測量精度高的變形監測點和銦鋼尺尺套。

變形監測點由監測桿、監測板、反射貼片、監測掛鉤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測點合二為一，避免二次布點，環境適應強。見圖2。

圖2 變形監測點原理

銦鋼尺尺套為定制加工的高精度可組裝輔助裝置，由監測掛鉤、不銹鋼球、連接孔、連接套筒、連接桿、監測桿、尺套、調節螺栓、固定螺帽9部分組成[4]。現場可根據暗挖空間需要，自由拼接連接桿，通過掛鉤將銦鋼尺懸掛在監測點上，采用高精度銦鋼尺取代常規塔尺或鋼卷尺等，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）開挖時拱頂沉降監測采用強制對中盤+全站儀三角高程傳遞法。見圖4。

圖4 監測布點

3 監測方案實施

3.1 儀器設備選擇

暗挖段工期長、施工難度大、風險級別高，現場必須選擇精度高、誤差小的儀器。根據監測要求，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；木質腳架2個；強制對中盤2個；反射貼片、監測條碼、變形監測點、水準控制點若干以及其他測量輔助材料。

3.2 控制網布設及測量

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

1）倒銦鋼尺法。沉降控制網由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（上臺階對應位置）布設沉降工作基點GZ01’、GZ02’。GZ01、GZ02埋設于車站立柱底部側面，便于施測，采用鉆孔埋設水準點的方法布設；GZ01’、GZ02’埋設于車站立柱中部墻面，采用張貼監測條碼的方法布設。

結合現場點位條件和暗挖開挖順序，擬建立兩套高程系統。第一套為基準點高程系統（地鐵高程系統），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；第二套為監測高程系統（獨立高程系統），假設GZ01’點高程為500 m（假設高程值與工程結構高度相適應），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。沉降控制網由4個基準點和2個工作基點組成：在車站遠離暗挖端側墻及立柱合適位置布設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工作基點Q01、Q02，確保現場Q01、Q02能較好的觀測JM1、JM2、JM3、JM4及暗挖段拱頂沉降監測點。基準點采用小棱鏡形式布設，工作基點采用強制對中盤形式布設。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。基準點及工作基點盡量設置于隱蔽位置，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，確保基準點穩定，同時制作并安裝警示標志牌并做好防護措施，對現場工作人員進行交底，加強點位保護。

3.3 監測過程

根據施工進度，暗挖段上臺階開挖要及時布設拱頂沉降監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、遮擋監測點，同時監理單位組織各參建單位對監測點進行驗收，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測，監測具體流程：

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

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

3）在暗挖上臺階架設儀器，通過水準測量得到拱頂沉降監測點GD1-1、GD1-2、……GD1-i的高程值，所有監測點觀測完成時，緩慢取下監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測，監測具體流程：

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等沉降監測點，分別獲得工作基點Q01與監測點的高差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測點高程值和監測點變化量、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生變化,因此定期需對工作基點進行復核。GZ01’、GZ02’采用張貼監測條碼的方式且與車站內基準點不在同一高度，因此工作基點復核時應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’的穩定性。當發現工作基點高程發生變化或破壞時，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測。

4.3 高差觀測

倒銦鋼尺法監測采用中間位置設站方式，直接后視工作基點、前視觀測監測點進行測量，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為豎直角和斜距的觀測，斜距觀測時應進行溫度、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 儀器設備

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

4.5 數據分析

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據的變化來判斷，還需要對其他監測數據進行統一分析，如既有線車站內的道床結構豎向、水平向位移數據，道床左右、縱向差異沉降數據，暗挖段型鋼軸力數據、暗挖段凈空收斂數據等。

5 結論

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

2）兩套高程系統可以較好地解決暗挖段監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；通過調整水準儀架設位置，改變傳統水準觀測線路，采用直接觀測單個監測點的模式，可以有效減小監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基準網，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，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測方案進行暗挖拱頂沉降監測，操作性和環境適應性強，保證了測量精度又增加了復核條件。該技術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測提供技術參考。