下穿既有地鐵車(chē)站暗挖拱頂沉降監(jiān)測(cè)技術(shù)

許 鋒

（中鐵第六勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)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(chē)站的情況時(shí)有發(fā)生。部分未考慮預(yù)留下穿條件的既有線車(chē)站，無(wú)論是土建施工還是安全監(jiān)測(cè)相比于其他工程，情況都更為復(fù)雜。既有線車(chē)站和暗挖段二者產(chǎn)權(quán)管理屬性不同，監(jiān)測(cè)單位往往也不同；既有線車(chē)站結(jié)構(gòu)底板常為土建暗挖段拱頂，因此在施工過(guò)程中如何有效準(zhǔn)確監(jiān)測(cè)既有車(chē)站變形，一直都是地鐵工程關(guān)注的重點(diǎn)與難點(diǎn)。既有線車(chē)站內(nèi)部結(jié)構(gòu)變形常采用測(cè)量機(jī)器人進(jìn)行水平及豎向位移自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，該技術(shù)目前已發(fā)展成熟[1]；而在下穿既有線車(chē)站暗挖段內(nèi)拱頂沉降監(jiān)測(cè)中，通常由于場(chǎng)地條件的限制及工法的轉(zhuǎn)變，常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段及精度往往無(wú)法達(dá)到預(yù)期的監(jiān)測(cè)效果，暗挖拱頂監(jiān)測(cè)常流于形式。因此在下穿既有線地鐵車(chē)站暗挖段拱頂沉降的監(jiān)測(cè)中，如何保證監(jiān)測(cè)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(hào)線倪家橋站需在負(fù)三層暗挖下穿既有成都地鐵1號(hào)線倪家橋站，采用平頂直墻分步暗挖的形式，開(kāi)挖寬22.7 m、高8.35 m、長(zhǎng)18.7 m，共分為5步10個(gè)斷面進(jìn)行施工。見(jiàn)圖1。

圖1 倪家橋站暗挖順序及結(jié)構(gòu)剖面

1.2 面臨問(wèn)題

暗挖段拱頂沉降一般采用測(cè)倒尺法或者全站儀三角高程傳遞法進(jìn)行監(jiān)測(cè)[2]。但由于下穿既有線車(chē)站工況特殊，暗挖段分上下臺(tái)階共10個(gè)斷面進(jìn)行施工，單一的方法和常規(guī)的監(jiān)測(cè)手段往往適應(yīng)不了現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的環(huán)境和高精度的測(cè)量要求。如采用測(cè)倒尺法進(jìn)行拱頂沉降監(jiān)測(cè)，由于塔尺自身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，觀測(cè)精度不滿(mǎn)足測(cè)量要求，當(dāng)開(kāi)挖至下臺(tái)階時(shí)，由于暗挖高度的變化，塔尺長(zhǎng)度適應(yīng)不了空間的變化而無(wú)法監(jiān)測(cè)，若中途改變觀測(cè)方法，又會(huì)面臨無(wú)法埋設(shè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)的問(wèn)題；如采用全站儀三角高程傳遞方法，上臺(tái)階土方開(kāi)挖會(huì)出現(xiàn)通視條件不佳等問(wèn)題。此外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)及監(jiān)測(cè)方法的改變導(dǎo)致的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不連續(xù)或監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)異常、單一監(jiān)測(cè)方法不能進(jìn)行核實(shí)比對(duì)等情況，會(huì)給暗挖段安全監(jiān)測(cè)工作造成極大不便。

2 監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)

2.1 監(jiān)測(cè)方法

結(jié)合測(cè)倒尺、全站儀三角高程傳遞兩種監(jiān)測(cè)方法的優(yōu)缺點(diǎn)，根據(jù)暗挖段施工和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)并制作一種能夠適應(yīng)現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境且實(shí)施方便、測(cè)量精度高的變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)和銦鋼尺尺套。

變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)由監(jiān)測(cè)桿、監(jiān)測(cè)板、反射貼片、監(jiān)測(cè)掛鉤4部分組成[3]，將礦山法拱頂沉降測(cè)倒尺法與全站儀三角高程傳遞法監(jiān)測(cè)點(diǎn)合二為一，避免二次布點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)。見(jiàn)圖2。

圖2 變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(cè)掛鉤、不銹鋼球、連接孔、連接套筒、連接桿、監(jiān)測(cè)桿、尺套、調(diào)節(jié)螺栓、固定螺帽9部分組成[4]?，F(xiàn)場(chǎng)可根據(jù)暗挖空間需要，自由拼接連接桿，通過(guò)掛鉤將銦鋼尺懸掛在監(jiān)測(cè)點(diǎn)上，采用高精度銦鋼尺取代常規(guī)塔尺或鋼卷尺等，測(cè)量精度高。見(jiàn)圖3。

圖3 銦鋼尺尺套原理

2.2 監(jiān)測(cè)方案

暗挖段上臺(tái)階（斷面1-1、2-1、3-1、3-3、4-1）開(kāi)挖時(shí)拱頂沉降監(jiān)測(cè)采用電子水準(zhǔn)儀+銦鋼尺尺套+銦鋼尺的方法；下臺(tái)階（斷面1-2、2-2、3-2、3-4、4-2）開(kāi)挖時(shí)拱頂沉降監(jiān)測(cè)采用強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)+全站儀三角高程傳遞法。見(jiàn)圖4。

圖4 監(jiān)測(cè)布點(diǎn)

3 監(jiān)測(cè)方案實(shí)施

3.1 儀器設(shè)備選擇

暗挖段工期長(zhǎng)、施工難度大、風(fēng)險(xiǎn)級(jí)別高，現(xiàn)場(chǎng)必須選擇精度高、誤差小的儀器。根據(jù)監(jiān)測(cè)要求，使用Leica TS50全站儀1臺(tái)，測(cè)角精度±0.5"，測(cè)距精度±0.6 mm+10-6D（D為測(cè)得的兩點(diǎn)間的距離，km）；Trimble Dini03水準(zhǔn)儀1臺(tái)，精度0.3 mm/km；配套銦鋼尺1套；銦鋼尺尺套1個(gè)；光學(xué)小棱鏡4個(gè)；溫濕度計(jì)1個(gè)；氣壓計(jì)1個(gè)；木質(zhì)腳架2個(gè)；強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)2個(gè)；反射貼片、監(jiān)測(cè)條碼、變形監(jiān)測(cè)點(diǎn)、水準(zhǔn)控制點(diǎn)若干以及其他測(cè)量輔助材料。

3.2 控制網(wǎng)布設(shè)及測(cè)量

沉降監(jiān)測(cè)工作重點(diǎn)關(guān)注監(jiān)測(cè)點(diǎn)的單次變化量、變化速率與累計(jì)變化量，不明確要求監(jiān)測(cè)點(diǎn)的絕對(duì)高程坐標(biāo)；因此在暗挖段拱頂沉降監(jiān)測(cè)中，監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)可采用地鐵高程系統(tǒng)，也可采用獨(dú)立高程系統(tǒng)。

1）倒銦鋼尺法。沉降控制網(wǎng)由3個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和4個(gè)工作基點(diǎn)組成：在車(chē)站遠(yuǎn)離暗挖端選取3個(gè)測(cè)量控制點(diǎn)作為沉降基準(zhǔn)點(diǎn)JZ01、JZ02、JZ03；在車(chē)站靠近暗挖端兩個(gè)立柱下部布設(shè)沉降工作基點(diǎn)GZ01、GZ02，考慮暗挖段拱頂沉降觀測(cè)需要，在兩個(gè)立柱上部（上臺(tái)階對(duì)應(yīng)位置）布設(shè)沉降工作基點(diǎn)GZ01’、GZ02’。GZ01、GZ02埋設(shè)于車(chē)站立柱底部側(cè)面，便于施測(cè)，采用鉆孔埋設(shè)水準(zhǔn)點(diǎn)的方法布設(shè)；GZ01’、GZ02’埋設(shè)于車(chē)站立柱中部墻面，采用張貼監(jiān)測(cè)條碼的方法布設(shè)。

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)點(diǎn)位條件和暗挖開(kāi)挖順序，擬建立兩套高程系統(tǒng)。第一套為基準(zhǔn)點(diǎn)高程系統(tǒng)（地鐵高程系統(tǒng)），采用水準(zhǔn)儀“aBFFB”觀測(cè)模式，通過(guò)JZ01、JZ02、JZ03地鐵控制點(diǎn)測(cè)量出GZ01、GZ02高程值；第二套為監(jiān)測(cè)高程系統(tǒng)（獨(dú)立高程系統(tǒng)），假設(shè)GZ01’點(diǎn)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(zhǔn)儀“BFFB”觀測(cè)模式，通過(guò)GZ01’工作基點(diǎn)測(cè)量出GZ02’高程值。

2）三角高程傳遞法。沉降控制網(wǎng)由4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)和2個(gè)工作基點(diǎn)組成：在車(chē)站遠(yuǎn)離暗挖端側(cè)墻及立柱合適位置布設(shè)4個(gè)后視基準(zhǔn)點(diǎn)JM1、JM2、JM3、JM4；在車(chē)站靠近暗挖端兩個(gè)立柱下部布設(shè)工作基點(diǎn)Q01、Q02，確?，F(xiàn)場(chǎng)Q01、Q02能較好的觀測(cè)JM1、JM2、JM3、JM4及暗挖段拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。基準(zhǔn)點(diǎn)采用小棱鏡形式布設(shè)，工作基點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)形式布設(shè)。在暗挖段施工前，通過(guò)地鐵高等級(jí)控制點(diǎn)測(cè)量出4個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)JM1、JM2、JM3、JM4高程值。

3）基準(zhǔn)點(diǎn)的保護(hù)。基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)盡量設(shè)置于隱蔽位置，防止機(jī)械碰撞及破壞，控制點(diǎn)接觸面用錨固劑或其他凝固膠粘牢，強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)采用螺絲固定，確?；鶞?zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定，同時(shí)制作并安裝警示標(biāo)志牌并做好防護(hù)措施，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)工作人員進(jìn)行交底，加強(qiáng)點(diǎn)位保護(hù)。

3.3 監(jiān)測(cè)過(guò)程

根據(jù)施工進(jìn)度，暗挖段上臺(tái)階開(kāi)挖要及時(shí)布設(shè)拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)并采取有效保護(hù)措施，防止初期機(jī)械施工及噴錨泥漿破壞、遮擋監(jiān)測(cè)點(diǎn)，同時(shí)監(jiān)理單位組織各參建單位對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行驗(yàn)收，待驗(yàn)收合格后開(kāi)始進(jìn)行初始值采集和正常監(jiān)測(cè)工作。

3.3.1 開(kāi)挖上臺(tái)階

采用電子水準(zhǔn)儀測(cè)倒銦鋼尺法進(jìn)行監(jiān)測(cè)，監(jiān)測(cè)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(guò)調(diào)節(jié)螺栓旋進(jìn)，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?dòng)，根據(jù)暗挖段上臺(tái)階開(kāi)挖高度情況，拼接連接桿直至長(zhǎng)度滿(mǎn)足現(xiàn)場(chǎng)需求；最后將連接桿與尺套水平連接，整個(gè)裝置組裝完成；

2）監(jiān)測(cè)人員將銦鋼尺緩慢舉起并將監(jiān)測(cè)掛鉤與暗挖段拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)相連，通過(guò)不銹鋼球的球形結(jié)構(gòu)，緩慢轉(zhuǎn)動(dòng)銦鋼尺將銦鋼尺觀測(cè)面對(duì)準(zhǔn)儀器，待裝置整體穩(wěn)定后進(jìn)行拱頂沉降觀測(cè)；

3）在暗挖上臺(tái)階架設(shè)儀器，通過(guò)水準(zhǔn)測(cè)量得到拱頂沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)GD1-1、GD1-2、……GD1-i的高程值，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)完成時(shí)，緩慢取下監(jiān)測(cè)裝置并由專(zhuān)人負(fù)責(zé)保管及維護(hù)。

3.3.2 開(kāi)挖下臺(tái)階

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

1）在強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)工作基點(diǎn)Q01上安裝全站儀，多測(cè)回觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)JM1獲得Q01與JM1之間高差H1，通過(guò)觀測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)JM2、JM3等完成基準(zhǔn)點(diǎn)復(fù)核；

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

3）已知基準(zhǔn)點(diǎn)高程值和各段高差值，通過(guò)計(jì)算便可得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)高程值和監(jiān)測(cè)點(diǎn)變化量、累計(jì)變化量。

4 誤差來(lái)源

4.1 工作基點(diǎn)

工作基點(diǎn)因?yàn)槲挥诎低诙胃浇?，不可保證在施工過(guò)程中不被破壞或位置絕對(duì)不發(fā)生變化,因此定期需對(duì)工作基點(diǎn)進(jìn)行復(fù)核。GZ01’、GZ02’采用張貼監(jiān)測(cè)條碼的方式且與車(chē)站內(nèi)基準(zhǔn)點(diǎn)不在同一高度，因此工作基點(diǎn)復(fù)核時(shí)應(yīng)對(duì)分別位于同一根中立柱上的工作基點(diǎn)GZ01、GZ02進(jìn)行測(cè)量，即采用JZ01—GZ01—GZ02—JZ02—JZ03的線路模式進(jìn)行水準(zhǔn)測(cè)量。通過(guò)對(duì)GZ01、GZ02的測(cè)量，可判斷GZ01’、GZ02’的穩(wěn)定性。當(dāng)發(fā)現(xiàn)工作基點(diǎn)高程發(fā)生變化或破壞時(shí)，可通過(guò)其他控制點(diǎn)及時(shí)進(jìn)行修正及修復(fù)。

4.2 銦鋼尺懸掛

銦鋼尺在懸掛過(guò)程中可能傾斜，為減少懸掛誤差，監(jiān)測(cè)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(dòng)，其次檢查銦鋼尺氣泡是否居中，最后用水準(zhǔn)儀豎絲檢查銦鋼尺是否垂直。確認(rèn)銦鋼尺垂直靜止后方可進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

4.3 高差觀測(cè)

倒銦鋼尺法監(jiān)測(cè)采用中間位置設(shè)站方式，直接后視工作基點(diǎn)、前視觀測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，最大限度減少測(cè)量線路累計(jì)傳遞誤差及水準(zhǔn)儀i角誤差；全站儀三角高程傳遞法觀測(cè)本質(zhì)為豎直角和斜距的觀測(cè)，斜距觀測(cè)時(shí)應(yīng)進(jìn)行溫度、濕度、氣壓的改正；豎直角觀測(cè)則通過(guò)多測(cè)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(duì)監(jiān)測(cè)儀器造成影響；銦鋼尺尺套為精密部件，相當(dāng)于一個(gè)固定常數(shù)，在監(jiān)測(cè)實(shí)施中一旦發(fā)生損傷破壞，都會(huì)造成較大數(shù)據(jù)誤差。因此監(jiān)測(cè)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(guò)暗挖拱頂沉降這個(gè)單一數(shù)據(jù)的變化來(lái)判斷，還需要對(duì)其他監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)一分析，如既有線車(chē)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(cè)點(diǎn)將暗挖段測(cè)倒尺法監(jiān)測(cè)掛鉤和三角高程傳遞法反射貼片監(jiān)測(cè)點(diǎn)合二為一，避免重復(fù)布點(diǎn)，環(huán)境適應(yīng)強(qiáng)；銦鋼尺尺套可以較好地保證監(jiān)測(cè)精度、減少誤差，滿(mǎn)足暗挖段拱頂沉降監(jiān)測(cè)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(cè)面與基準(zhǔn)點(diǎn)不在同一高程面上的問(wèn)題；工作基點(diǎn)定期復(fù)核可有效減小工作基點(diǎn)誤差，提高測(cè)量精度；通過(guò)調(diào)整水準(zhǔn)儀架設(shè)位置，改變傳統(tǒng)水準(zhǔn)觀測(cè)線路，采用直接觀測(cè)單個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的模式，可以有效減小監(jiān)測(cè)線路傳遞誤差及水準(zhǔn)儀i角誤差。

3）全站儀三角高程傳遞法觀測(cè)過(guò)程中，采用強(qiáng)制對(duì)中盤(pán)和固定小棱鏡形式布設(shè)基準(zhǔn)網(wǎng)，降低了人為對(duì)中誤差；采用高程傳遞，無(wú)需量取儀器高和棱鏡高，降低人為量取誤差；觀測(cè)中測(cè)量溫度、濕度、氣壓等參數(shù)，同時(shí)多次觀測(cè)取均值，提高了觀測(cè)精度。

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