蘭州軌道交通1號線結(jié)構(gòu)狀態(tài)變形監(jiān)測及評估研究

劉海軍

(蘭州市軌道交通有限公司運營分公司，甘肅蘭州730000)

1 背景及概況

1.1 工程概況

蘭州市軌道交通1 號線一期工程線路長約25.8km，皆為地下線，區(qū)間隧道（不含出入線）20.5km（雙延米），共設(shè)車站20 座。其中盾構(gòu)法段17.7km（占86%），礦山法段2.0km（占10%），明挖法段0.8km（占4%）。

1.2 氣象條件

蘭州區(qū)域內(nèi)氣候?qū)儆谥袦貛О敫珊荡箨懶约撅L氣候。四季分明，春秋季較短，夏季較熱，冬季較長且寒冷而干燥。 全年降雨量偏少，平均降雨量287.6mm，且分布不平衡，降雨主要集中在7、8、9月。

1.3 地質(zhì)條件

蘭州市區(qū)屬于河谷地形，南側(cè)為大蘭山及馬銜山構(gòu)成的抬升地貌，北側(cè)為白塔山和九州臺及其周緣丘陵地帶，中間黃河穿城而過。市區(qū)平均海拔1500m，而南北兩側(cè)山地海拔為2500m，形成兩山夾一河的地貌特征。蘭州市東部的東崗地區(qū)和西部的西固地區(qū)，為第三系紅層隆起，第四系覆蓋層較薄，新近系砂巖、泥巖構(gòu)成了蘭州斷陷盆地的基底。

1.4 區(qū)域水文

勘察場區(qū)屬黃河干流水系。主要有黃河干流及其支流西果園溝、黃峪溝、雷壇河等。市區(qū)其余小型溝谷均為季節(jié)性溝谷，遇暴雨產(chǎn)生洪水或泥石流。

1.5 特殊性巖土

特殊性巖土包括濕陷性黃土、人工填土和膨脹巖。濕陷性黃土主要為黃土狀土，分部在黃河一、二級階地，一級階地黃土狀土厚不足10m，多為Ⅰ～Ⅱ級非自重濕陷性場地，西客站一帶最厚可達15m;二級階地黃土狀土厚度10～15m，為Ⅱ～Ⅲ級自重濕陷性場地，部分段落具Ⅳ級自重濕陷性。人工填土，分部于城區(qū)地表、道路路基、基坑回填、洼地回填及填灘造地區(qū)等，為城市發(fā)展所致。膨脹巖：蘭州市軌道交通1 號線陳官營一帶下伏的上第三系泥巖屬軟質(zhì)巖石，具弱膨脹性，自由膨脹率41%～50%，蒙脫石含量12.7%～14.5%，陽離子交換量113～178mmol/kg，屬弱膨脹巖。

1.6 不良地質(zhì)

不良地質(zhì)主要包括地震液化、人為坑洞和泥石流。蘭州市液化的土層一般分布于階地卵石層頂部的粉細砂層及水位以下的粉土層，多以薄層或透鏡體狀分布，局部具液化性，對該工程影響不大。主要為城區(qū)防空洞及黃河河邊采砂挖砂形成的空洞，空洞及洞穴一般無充填或充填一般，穩(wěn)定性差。該工程主要位于主城區(qū)道路地下，距排洪溝較遠，泥石流溝對該工程影響較小。

2 監(jiān)測項目及布點方式

結(jié)合蘭州1 號線水文條件、氣象條件、地質(zhì)條件及周邊環(huán)境，參考監(jiān)測規(guī)范要求，主要監(jiān)測項目為基準網(wǎng)監(jiān)測、垂直位移監(jiān)測、隧道收斂監(jiān)測、網(wǎng)架撓度監(jiān)測和隧道水平位移監(jiān)測五部分?，F(xiàn)場測點布設(shè)不同結(jié)構(gòu)形式、不同地質(zhì)類型，重點病害處所采取針對性布點方式。對以下部位進行重點監(jiān)測，掌握變形情況：一是隧道與車站連接處；二是不同工法隧道連接處；三是隧道聯(lián)絡(luò)通道位置；四是不良地質(zhì)地段；五是穿黃地段；六是外部施工影響地段；七是結(jié)構(gòu)變形縫位置。

2.1 監(jiān)測項目

第一，基準網(wǎng)監(jiān)測在每期監(jiān)測工作開展前，以水準深埋基準點，布設(shè)監(jiān)測基準網(wǎng)進行施測，并聯(lián)測車站外深埋點。

第二，垂直位移監(jiān)測主要包括全線垂直位移監(jiān)測、差異沉降監(jiān)測和段場建（構(gòu)）筑物沉降監(jiān)測這三大部分。全線垂直位移監(jiān)測包括地下車站主體結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)法隧道、明挖法隧道、暗挖法隧道、聯(lián)絡(luò)通道。差異沉降監(jiān)測包括車站與隧道交接處以及隧道與旁通道的交接處。段場建（構(gòu)）筑物沉降監(jiān)測包括綜合樓、列檢庫、內(nèi)燃機車庫等車輛基地主要建筑物的沉降。

第三，隧道收斂監(jiān)測是對盾構(gòu)法施工的襯砌圓隧道的水平向直徑進行監(jiān)測。

第四，網(wǎng)架撓度監(jiān)測主要是對大面積單體建筑物屋面的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在豎直方向上的變形進行監(jiān)測。

第五，隧道水平位移監(jiān)測是根據(jù)地鐵周邊施工影響對隧道的水平位移進行監(jiān)測。

2.2 布點方式

2.2.1 垂直位移監(jiān)測點埋設(shè)

垂直位移監(jiān)測點埋設(shè)分為隧道部分和基地附屬房屋部分。

（1）隧道部分

地下車站測點布設(shè)在道床上，每個車站不大于50m設(shè)一監(jiān)測斷面，每斷面左、右線各布設(shè)1 個沉降監(jiān)測點。盾構(gòu)隧道測點布設(shè)在道床上，每20 環(huán)布設(shè)一個監(jiān)測點。矩形隧道測點布設(shè)在道床上，每30m布設(shè)一個監(jiān)測點。聯(lián)絡(luò)通道及對應(yīng)隧道上下行區(qū)間設(shè)3 個監(jiān)測點。區(qū)間隧道內(nèi)的布點如有特殊情況，可適當加密。在不同結(jié)構(gòu)形式的交接處，每側(cè)各設(shè)置一個監(jiān)測點，用于進行差異沉降監(jiān)測。

（2）基地附屬房屋部分

車輛段附屬房屋：點位宜布設(shè)在建筑物的四角、大轉(zhuǎn)角處及沿外墻每30m 處或每隔2～3 根柱基上，高低層建筑、縱橫墻等交接處的兩側(cè)，建筑裂縫、后澆帶和沉降縫兩側(cè)，監(jiān)測點宜對稱布置。

2.2.2 直徑收斂監(jiān)測點每40 環(huán)布設(shè)一個斷面，水平收斂測點與沉降測點布設(shè)在同一斷面上。

2.2.3 水平位移監(jiān)測點根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，目前蘭州軌道交通1 號線周邊有四個項目正在施工，分別為迎門灘附屬人防項目、西關(guān)附屬人防項目、中央商務(wù)區(qū)項目和東方紅廣場改造項目。針對這四個項目基坑正投影區(qū)域進行水平位移監(jiān)測點的布設(shè)。隧道水平位移監(jiān)測：基坑支護邊線范圍內(nèi)對應(yīng)的隧道每20m 布設(shè)1 個監(jiān)測點，且兩端各外擴2 個點，每20m 布設(shè)1 個監(jiān)測點。

3 測量基準

根據(jù)蘭州市軌道交通1 號線一期工程結(jié)構(gòu)狀態(tài)變形監(jiān)測及評估項目的實際情況和要求，本監(jiān)測項目的測量基準采用如下的標準。

高程控制系統(tǒng)采用舊大沽高程系統(tǒng)，首次基準網(wǎng)高程系統(tǒng)的建立采用“中山橋基”和“迎門灘基”深埋基準點作為高程起算點，整個高程控制網(wǎng)進行兩次往返觀測，確定“東崗基”深埋基準點的高程。一等水準網(wǎng)將聯(lián)測“中山橋基”“東崗基”和“迎門灘基”深埋基準點。

高程控制網(wǎng)按兩級控制的原則布設(shè)。以深埋基準點為起算點，沿地鐵線路及車站附近布設(shè)若干工作基點，深埋基準點和工作基點組成首級監(jiān)測控制網(wǎng)（基準網(wǎng)）。垂直位移監(jiān)測水準路線附合到這些工作基點上，構(gòu)成沉降監(jiān)測的次級控制網(wǎng)。

4 技術(shù)要求

垂直位移、收斂、撓度和水平位移測量應(yīng)滿足國家和地方各項有關(guān)規(guī)范、規(guī)定的要求。基準網(wǎng)監(jiān)測按《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB/T 12897—2006）中國家一等水準要求施測，起算于沿線深埋基準點。垂直位移監(jiān)測、網(wǎng)架撓度監(jiān)測根據(jù)《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB/T 12897—2006）中國家二等水準要求施測，附合到工作基點上。隧道收斂監(jiān)測采用標稱精度不低于±1mm 的測距儀，進行4 次獨立測量。水平位移監(jiān)測根據(jù)《城市軌道交通工程測量規(guī)范》（GB/T 50308—2017）中變形監(jiān)測二級水平位移要求測量。

5 監(jiān)測方法

監(jiān)測項目主要分為基準網(wǎng)監(jiān)測、垂直位移監(jiān)測、隧道直徑收斂監(jiān)測、網(wǎng)架撓度和隧道水平位移監(jiān)測五部分內(nèi)容。

5.1 基準網(wǎng)監(jiān)測

首先需建立基準網(wǎng)，為垂直位移監(jiān)測提供全面的高程控制基準。蘭州市軌道交通1 號線沿線既有深埋基準點2 個，新建深埋基準點1 個。首次基準網(wǎng)以“中山橋基”和“迎門灘基”作為起算點，整個高程控制網(wǎng)進行兩次往返觀測。一等水準網(wǎng)將聯(lián)測“中山橋基”“東崗基”和“迎門灘基”深埋基準點。監(jiān)測基準網(wǎng)中工作基點的選取，盡量利用鄰近的深基樁和相對穩(wěn)固的構(gòu)筑物，布設(shè)在不易被破壞的位置。地下車站的水準工作基點可以布設(shè)線路附近的高層建筑物或高架柱墩上。由于這些工作基點也會隨著時間的推移而出現(xiàn)沉降的現(xiàn)象，所以在布設(shè)工作基點時，采用同一位置布設(shè)一組兩個的形式，其中一個是主點，參與平差計算，另一個作為檢查點，用于高差校核。這樣保證每個測段都能有四個固定結(jié)點，可以進行測段高差校核，也能對工作基點的穩(wěn)定性進行初步判斷分析[1]。

5.2 垂直位移監(jiān)測

垂直位移監(jiān)測采用精密水準測量方法。根據(jù)《國家一、二等水準測量規(guī)范》（GB/T 12897—2006）要求測量，垂直位移監(jiān)測按二等垂直位移監(jiān)測網(wǎng)技術(shù)要求進行。地下隧道結(jié)構(gòu)沉降監(jiān)測在上行線、下行線分別布設(shè)，并與地面上的沉降基準網(wǎng)監(jiān)測共同組成三條平行的水準線路。水準節(jié)點分別與監(jiān)測基準網(wǎng)水準點聯(lián)測。上、下行線的兩條水準路線附合于每個區(qū)間站臺設(shè)置的工作基點，構(gòu)成空間上的閉合水準路線；上下行道床水準線路在旁通道的位置進行聯(lián)測，這樣就形成了多余觀測，有效地消除了由于采用不同的水準線路可能帶來的水準測量精度范圍內(nèi)的“假性”差異沉降，提高了垂直位移監(jiān)測的精度。基地附屬房屋垂直位移監(jiān)測網(wǎng)水準線路以CGY-1 和DG-1 為基準點，分別施測房屋的結(jié)構(gòu)特征點，水準線路組成閉合線路[2]。

5.3 隧道收斂監(jiān)測

管片收斂測量監(jiān)測對象為盾構(gòu)隧道的襯砌拼裝管片，采用測距儀直接測量的方法，測量盾構(gòu)隧道環(huán)片水平向直徑的收斂情況。為使激光測距儀能準確測量隧道的直徑，在測距儀的外部安裝有配套的儀器支架，測量時能使測距儀固定，使儀器穩(wěn)定而準確地對準埋設(shè)于隧道壁上的對中釘。考慮到激光測距儀測得的距離是器件本身到激光斑點即隧道標志點間的距離，而非實際的管片直徑，因此，在實際作業(yè)前，還需要在專門的標定場進行標定常數(shù)，對激光測距儀測得的數(shù)據(jù)進行加常數(shù)改正。

5.4 網(wǎng)架結(jié)構(gòu)撓度觀測

網(wǎng)架撓度監(jiān)測主要是對運用庫、檢修庫大面積單體建筑物屋面的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)在豎直方向上的變形進行監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場踏勘，對運用庫、檢修庫等單體建筑物屋面的鋼網(wǎng)架結(jié)構(gòu)所在立柱進行撓度監(jiān)測點的布設(shè)。觀測使用Leica DNA03 電子水準儀及其配套因瓦條碼水準尺，儀器標稱精度為±0.3mm/km，考慮到水準儀i 角大小及穩(wěn)定性直接關(guān)系到沉降測量的成果質(zhì)量，監(jiān)測過程中從嚴控制水準儀i 角角值及i 角檢測措施。根據(jù)城市軌道交通結(jié)構(gòu)監(jiān)測的經(jīng)驗，要求觀測用的水準儀i 角＜5s，水準測量班組每日出測前檢測儀器i 角。為確保免棱鏡觀測的數(shù)據(jù)精度，一般要求觀測點垂直角＞45o，測點視距不＞30m。測量精度為網(wǎng)架測點高程中誤差≤±2mm。

5.5 隧道水平位移監(jiān)測

隧道水平位移監(jiān)測是根據(jù)地鐵周邊施工情況對隧道的水平位移進行監(jiān)測。根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，目前蘭州軌道交通1 號線周邊有四個項目正在施工，分別為迎門灘附屬人防項目、西關(guān)附屬人防項目、中央商務(wù)區(qū)項目和東方紅廣場改造項目。針對這四個項目基坑正投影區(qū)域進行水平位移監(jiān)測點的布設(shè)。建立獨立平面直角坐標系，坐標系統(tǒng)X 軸大致與區(qū)間隧道平行，Y 軸垂直于X 軸；第一個水平位移監(jiān)測點處X 坐標值取該點的里程值；為計算方便，Y 值滿足所有控制點與觀測點坐標值不出現(xiàn)負值即可?；谒⒌钠矫孀鴺讼担竟こ趟轿灰票O(jiān)測主要為Y 分量的水平位移[3]。

基準網(wǎng)作為平面位移監(jiān)測的起始依據(jù)，要求穩(wěn)定可靠。在地鐵1 號線水平位移監(jiān)測范圍外兩端的隧道內(nèi)各設(shè)置一組基準點組。每個基準點組均由6 個L 形小棱鏡基準點組成。強制對中基準點為具有防盜避震功能的強制對中支架，棱鏡基準點安置固定小棱鏡?；鶞示W(wǎng)每次水平位移監(jiān)測時均進行聯(lián)測，采用擬穩(wěn)平差法計算各點坐標值、評定點位精度。每次測量后均應(yīng)對基準點間的坐標進行比較評定，必要時補設(shè)穩(wěn)定的基準點，摒棄不穩(wěn)定的個別基準點。檢測后基準點坐標平差值與前期使用值之較差為基準點坐標變化量，用△表示（X 方向為△X、Y 方向為△Y，分別評價一個基準點的X 分量、Y 分量）；點位精度的相應(yīng)坐標分量用mx、my 表示，則穩(wěn)定性判定標準如下[4]。

5.5.1 mx≥2mm 或my≥2mm 時：認為觀測精度不滿足要求，需重新進行基準網(wǎng)測量；否則進行以下評判。

5.5.2 當︱△X︱≤2mm 且︱△Y︱≤2mm 時，考慮到測量誤差的客觀存在，認為點位穩(wěn)定，采用原用成果不作修正。

5.5.3 當︱△X︱＞4mm 或︱△Y︱＞4mm 時,基準點位移明顯，采用修正后的成果。

5.5.4 當4mm≥︱ △X︱＞2mm，︱ △Y︱＜4mm 或4mm≥︱△Y︱＞2mm，︱△X︱＜4mm 時,再次復(fù)測確認，若還位于此區(qū)間則取均值進行成果更新。

6 監(jiān)測數(shù)據(jù)異常的處理措施

6.1 報警值的處理措施

監(jiān)測過程中當發(fā)現(xiàn)某些區(qū)段的數(shù)據(jù)到達監(jiān)測控制指標所定報警值時，異常區(qū)段應(yīng)加大監(jiān)測頻次。加強監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時反饋，監(jiān)測數(shù)據(jù)異常后馬上進行現(xiàn)場巡查，加強變形數(shù)據(jù)與周邊施工、地面荷載變化、隧道內(nèi)部結(jié)構(gòu)裂紋、滲漏等表象的結(jié)合，監(jiān)測報表進行綜合敘述與初步分析。監(jiān)測數(shù)據(jù)達到或超過報警值時，除進行計算、對算、復(fù)核的數(shù)據(jù)處理流程外，再次獨立進行外業(yè)數(shù)據(jù)檢查、數(shù)據(jù)核算，避免因計算錯誤發(fā)生“謊報”。

6.2 監(jiān)測過程中隧道結(jié)構(gòu)異常情況的處理

在監(jiān)測過程中，對隧道結(jié)構(gòu)進行巡視，如有發(fā)現(xiàn)隧道結(jié)構(gòu)碎裂、滲水，應(yīng)立即進行拍照記錄，并在第一時間上報。同時，對隧道結(jié)構(gòu)碎裂或滲水的部位進行垂直位移和水平直徑收斂加密監(jiān)測。

6.3 隧道周邊存在環(huán)境變化情況的處理

在監(jiān)測過程中，如有發(fā)現(xiàn)地鐵結(jié)構(gòu)周邊環(huán)境發(fā)生變化，應(yīng)在第一時間上報。同時，對隧道結(jié)構(gòu)影響范圍段的監(jiān)測頻率進行動態(tài)調(diào)整，對隧道結(jié)構(gòu)的垂直位移和水平直徑收斂加密監(jiān)測。

7 結(jié)語

在軌道交通運營過程中，軌道交通主體結(jié)構(gòu)難免會產(chǎn)生形變，城市軌道交通運營單位要參考國家及行業(yè)規(guī)范，熟悉自身結(jié)構(gòu)特點，結(jié)合當?shù)厮臈l件、地質(zhì)條件、周邊環(huán)境等，對主體結(jié)構(gòu)的變形監(jiān)測采取針對性措施，并進行定期全面監(jiān)測，避免對運營安全造成影響。特別關(guān)注軌道交通范圍內(nèi)外部施工對主體結(jié)構(gòu)的影響，根據(jù)影響等級，采用相應(yīng)監(jiān)測方法，及時發(fā)現(xiàn)結(jié)構(gòu)病害，盡早采取補救措施，確保軌道交通運營安全。