地铁暗挖车站监测技术方法浅析

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［摘要］近年来随着我国地铁建设事业的快速发展，地铁暗挖车站安全事故时有发生，由于地铁施工会引起周边土体初始应力状态发生改变，同时扰动周边地层，引起周边地层损失及地层内部含水渗出，产生土体固结沉降，进而引发周边土体产生沉降变化，引起周边环境出现较大变形。第三方监测数据和相关分析资料可作为处理风险事务和工程安全事故的重要参考依据。

［关键词］地铁暗挖车站；控制网测量；地表沉降；管线沉降；监测数据

０引言

近年来随着我国地铁建设事业的快速发展，地铁暗挖车站安全事故时有发生，由于地铁施工会引起周边土体初始应力状态发生改变，同时扰动周边地层，引起周边地层损失及地层内部含水渗出，产生土体固结沉降，进而引发周边土体产生沉降变化，引起周边环境出现较大变形。在地铁土建施工过程中通过对工程自身关键部位和工程周边环境进行监测，掌握工程自身结构、周边环境和周边土体的动态，全面地掌握工程施工安全控制程度，为业主、监理、设计、施工单位提供参考依据；为建设管理单位对轨道交通工程建设风险管理提供支持，为信息管理平台提供基础数据，对施工过程实施全面监控和有效控制管理；另外，地铁监测数据和相关分析资料可作为处理风险事务和工程安全事故的重要参考依据；通过积累资料和经验，可以为今后同类工程设计、施工提供类比依据。因此，监测工作在铁土建施工过程中起着非常重要的作用。本文结合北京地铁某号线工程某暗挖车站主体监测的实际工程，从工程概况、工程地质及水文条件、监测技术方法、监测数据成果分析五个方面，对施工监测内容和技术方法进行了论述，并对监测数据进行了分析和总结，通过对监测数据变化规律的研究分析，提出有效控制变形措施的建议，为今后类似工程在监测方面提供参考，积累相关经验，供同类项目的相关技术人员参考。

１工程概况

１１车站概述

本站为双层暗挖（局部３层）岛式车站，８个施工导洞，洞柱法逆筑施工。车站主体总长为２６０ｍ，其中车站西端３层结构长４６ｍ，双层段长２１４ｍ，车站底板埋深为２６～３０ｍ，车站结构覆土７４～１３１ｍ。上导洞及下导洞尺寸４５ｍ×５０ｍ；在上导洞内向下施工围护桩，围护结构采用人工挖孔桩ϕ１０００＠１５００，下导洞施做基础地基梁，浇筑围护桩。车站主体共计４个轴端横导洞、１４个下层横导洞，轴端横导洞尺寸３３ｍ×３５ｍ，下层横导洞尺寸３０ｍ×２７ｍ（见图１，２）。

１２周边环境及风险源

车站主体下穿城市主路，车站范围内城市主为城市快速路，规划红线宽８０ｍ。目前东北城市下穿城市铁路，城铁两侧现况有南北向的道路桥，西侧桥面宽２４ｍ，东侧桥面宽１２ｍ。为尽快疏散东北城市路出城的车辆，城市快速路由西向北及由东向北均设置了定向匝道，由北向西的定向匝道非机动车道，直行的主干路直接与二、城市次干路沟通。主体结构所处区域城市辅路下地下管线纵横交错，主要有ϕ１９５０ｍｍ和ϕ２０００ｍｍ雨水管、ϕ１９５０ｍｍ污水管及ϕ１４００ｍｍ上水管等。同时车站主体南北两侧侧穿高速匝道桥桥桩，均为一级风险源（见图３，４）。

２工程地质及水文条件

２１工程地质

本工程处于下穿城市主路下拉槽内，地势起伏较大，地面标高３８５４０～４２１４０ｍ，主要地质土层由上而下依次为：杂填土①１层、黏质粉土～砂质粉土③层、粉质黏土③１、粉土④层、粉质黏土④层、粉细砂⑤２层、粉质黏土⑥层，车站拱部主要位于粉土③层和粉质黏土③１层，底板位于粉质黏土⑥层。

２２水文地质

本站范围内存在３层地下水分别为上层滞水（一）、层间水（三）、层间潜水（四）。其中上层滞水（一）：含水层岩性为粉土③层和粉细砂③３层，稳定水位标高为３５０９０～３９９６０ｍ，稳定水位埋深为２３０～４０ｍ。层间潜水（三）：含水层岩性为卵石⑦层、中粗砂⑦１层及粉细砂⑦２层，透水性良好，稳定水位标高为１８７５０～２０１６０ｍ，稳定水位埋深为１８００～２１８０ｍ。承压水（四）：含水层岩性为中粗砂⑦１层及粉细砂⑦２层，透水性良好，该层水水头高度为１０～３０ｍ稳定水位标高为１１３４０～１３６９０ｍ，稳定水位埋深为２４２０～２９２１ｍ。主要含水层为粉细砂⑤２层，静止水位标高１８７５０ｍ（水位埋深２１８ｍ）（见图５）。

３主要监测项目及技术要求

３１车站监测等级及范围

１）监测等级暗挖车站主体结构自身为一级风险工程，周边环境风险均为一级风险工程。２）监测范围本工程监测范围为工程自身施工及影响范围内的周边环境和岩土体。工程自身监测范围：暗挖车站主体结构。周边环境的监测范围：道路及地表沉降监测点、地下管线沉降监测点取１０倍基坑开挖深度范围；周边建（构）筑物沉降监测点取１５～２０倍开挖深度范围。

３２监测的项目、仪器及精度

本工程监测的主要项目内容包括：道路及地表沉降、地下管线沉降、管侧土体深层沉降、周边建筑物沉降、周边建筑物倾斜，本工程监测仪器对象、项目及精度如表１所示。

３３监测频率及周期

１）本工程监测频率及周期如表２所示。２）巡视频率同监测频率，周边环境巡查在施工开挖前进行首次巡查，结构施工完成，变形稳定后停止，工程自身巡查在开挖后开始，结构完成后停止。

４监测技术方法

本工程以该线地铁工程施工高程控制系统为基准建立，起始并附合于施工控制网精密水准点上。根据本工程位置及周边建筑物、地下管线和道路地表等监测对象分布情况，控制网布设成独立网。周边道路地表沉降、管线沉降及周边建筑物沉降采用几何水准测量方法，使用监测精度为１０ｍｍ的电子水准仪进行观测。建筑物倾斜观测采用前方交会的方法，使用全站仪进行观测，采用全站仪多测回测角观测记录程序，记录外业观测数据文件。

５监测数据成果分析

５１控制网施测成果精度分析

监测工作进场前以该线独立高程控制系统为基准，进行了首次高程控制网联测，测量精度满足ＧＢ／Ｔ５０３０８—２０１７《城市轨道交通工程测量规范》二等垂直位移监测网技术要求。为保证复测基准网与正常监测时候的基准网的一致性，在基准网平差计算时选取了较为稳定的且有一定距离间隔的４个工作基点参与平差。使用平差后的基准网高程进行复测工作。基准点联测复测成果如表３所示。复测成果显示，基准网的复测以及监测点复测的测量精度均符合《城市轨道交通工程测量规范》相关要求，基准点处于稳定状态。

５２车站初期支护结构变形监测数据变化趋势分析

本车站自２０１７年９月１日采集初始值，至今共计布设６４３个测点，其中地表沉降测点２８４个，管线沉降测点１８８个，建筑物沉降测点６０个，建筑物倾斜测点４１个（见表４）。车站主体小导洞Ｂ轴Ｃ轴地表沉降变形速率较为明显，累计沉降最大为－１３６７ｍｍ（控制值：－２００ｍｍ），变形速率＋０８２ｍｍ／ｄ（控制值：２００ｍｍ／ｄ），测点位于车站Ｃ轴１号横通道向东２０ｍ处，截至２０１９年１２月该区域测点变形速率平稳（见图６）。通过对该部位监测数据分析，自初始值采集完开始，车站上层小导洞施工引起地面阶段变形量为３０～３５ｍｍ，车站下层小导洞施工引起地面阶段变形量为４６～６５ｍｍ，车站下层横导洞施工引起地面阶段变形量为１５～２０ｍｍ，至监测预警发布后，地面沉降最大累计变形值为－１３６ｍｍ。

５３监测预警及风险管控分析

通过第三方监测单位现场监测及巡视发现，在施工破除下层横导洞洞门期间，下层小导洞初支格栅变形，变形位置位于上下台阶连接角板上１０～２０ｃｍ处，纵向混凝土裂缝１０ｍｍ左右，最大收敛值１４０ｍｍ。同时车站上方道路地表沉降测点连续出现红色监测预警，自２０１８年１２月２８日至２０１９年１月５日，累计发布红色监测预警１０５点次，共发布１个红色巡视预警、２个橙色巡视预警，其中道路沉降阶段变化量为２０～４５ｍｍ，地表变形严重超限。第三方监测单位及时将监测数据及现场巡视情况通过电话、电子邮件、短信、平台等即时通信设备反馈至建设单位、监理单位、施工单位及相关产权单位（见图７）。第三方监测单位发布预警后，各参建单位积极响应，召开专项专家论证会制定应急处置措施，主要内容为：①现场立即停工，进行工字钢支撑加固；②车站下层导洞１号井向东至车站东端２１１６ｍ，Ａ，Ｂ，Ｃ，Ｄ轴及横导洞，采用Ｉ２５口字形对撑，八字形竖向支撑，纵向间距１５００ｍｍ，纵向两侧腰梁连接；③剩余导洞及横导洞开挖，拱部采取深孔注浆（初支外皮１５ｍ，内皮０５ｍ）；④后续车站初支扣拱，扣拱部位管棚ϕ２１９热轧钢管，环向间距＠４００；ＤＮ３２钢焊管，每榀打设，Ｌ＝２ｍ。通过施工单位采取应急措施，第三方监测单位加密监测频率，该位置后续监测数据变形平稳，地面沉降情况得到有效控制，监测数据趋势如图８所示。通过施工单位采取应急加固措施前后的监测数据变形趋势对比可明显发现：１）通过监测数据变形趋势，车站初支变形主要因车站下层导洞及横导洞施工阶段，阶段变形量为６０～８５ｍｍ，施工过程中未及时调整控沉措施，导致最大累计变化值达到－１３６ｍｍ。２）车站自打设大管棚后，车站底纵梁、边桩施工阶段变形量为２～５ｍｍ，车站初支扣拱阶段变形量为５～１５ｍｍ，监测数据变形趋势平稳，有效的控制了车站的沉降变形。３）截至２０１９年１２月车站下层导东底纵梁施工完成，施工期间为保证车站整体结构稳定，经专家论证后，对下层导洞工字钢支撑不进行拆除，保证车站后续初支扣拱、二衬扣拱结构安全。

６结语

通过对监测风险管控及监测数据变化趋势分析研究可以得到如下结论。１）本工程中第三方监测单位监测数据准确，编制了合理的第三方监测方案，精心组织和实施，为本工程及时提供了真实、准确、可靠的监测成果。２）第三方监测单位发布监测预警的及时性，准确性，可提前达到预警的作用。同时做好预警事务的处理配合及跟踪，只有预警事务得到正确、及时的处理，才能消除工程安全隐患，真正实现对风险的控制目标。３）现场发现初支变形后，各方积极响应，经过多次专家论证，提出了合理有效的处置措施，遏制了暗挖车站初支变形的进一步发展。４）通过本工程监测数据分析，本站的沉降变形是持续的过程，在下导洞结构出现异常前，地表、管线、建构筑物等变形速率未超过控制值，但累计值呈持续增大趋势，通过本工程大量现场监控量测数据的统计分析，ＰＢＡ工法暗挖车站，上层导洞施工引起沉降量占总沉降量２５％，下层导洞施工引起沉降量占总沉降量４６％，车站下层横导洞及梁柱体系施工引起沉降量占总沉降量１５％。所得结论可用于初步判断车站施工引起的最大地表沉降，并可为地铁车站施工环境影响预测提供依据。

作者:王浩 单位:北京城建勘测设计研究院有限责任公司