地鐵施工拱頂下沉安全監測研究

王 博 郭子華

(大連理工大學土木建筑設計研究院有限公司，遼寧大連 116023)

0 引言

隨著地鐵的快速發展，施工監控越來越被人們重視，因為地鐵施工監控不力而造成的各種問題和隱患都是致命的。如法國雷爾地鐵事故，2008年杭州地鐵塌方事故，2011年大連地鐵塌方事故等，給人民生命財產帶來了重大損失，并造成了不良的社會影響[1，2]。這些事故的發生除了施工方面的原因之外，另一個非常重要的原因是施工現場監控量測工沒有發揮其預警作用。地鐵施工監控就是對施工過程中圍巖和支護系統的受力情況以及它們之間的力學關系進行量測，并對地面穩定性與施工方法做出評價，以確保施工的絕對安全和工程經濟合理[3]。施工監測可以用現場實測的結果來彌補理論分析的不足，并可以積累區域性監控量測資料，提高地鐵的設計和施工水平[4]。

1 拱頂下沉測量意義

拱頂下沉的監控量測方法，即在地鐵施工過程中，通過監控量測布設于拱頂部位的固定測點在不同時間相對標高，求出兩次監控量測的差值，即為該測點的沉降變化值。

不少城市地鐵施工過程中，為了最大限度的減小對地面交通的影響，往往采用暗挖等施工方法，在工程地質條件復雜的線路，往往存在塌方等重大隱患，做好施工過程中的監測工作對預防塌方有著極為重要的作用，必須加以重視。并在實際增加超前監測點增加了密度和觀測頻率，隨時掌握隧道內部和洞外地表沉降的變化，通過監控量測提供安全保障，并指導施工。

2 測點布置

拱頂下沉測量關鍵是確定不動點作為參考點(基點)(見圖1)，通常采用以下兩種方法:1)在洞口附近，可采用洞外基準點，每次測量時從洞外引入;2)在開挖面一定距離的拱頂處設置參考點，并假定其為不動點(下沉量微小，可以忽略不計)進行監控量測。其中第一種方法精確度高但工作量大，后一種方法操作簡單但誤差較大。在選好的觀測點位置上將監測基準點焊在鋼格柵骨架上，外露長度為2 cm。

圖1 拱頂下沉測量

3 拱頂下沉測量方法

防止塌方是隧道地鐵施工的重中之重。拱頂下沉監測在隧道或地鐵施工監測中對于預防塌方和保證施工安全具有非常重要的作用，拱頂下沉的測量方法有多種，每種方法都有各自的優點和不足。本文對幾種常用的拱頂下沉測量方法做一探討。

3.1 精密水準測量

首先要確定監測基準點。基準點要由3個相距不太遠的結構穩定的不動點組成，并設置鋼筋混凝土墩式標志，3個基準點要做閉合路線。其中1個為主基準點，另外2個為輔助基準點，3個基準點要定期做閉合測量。洞內根據需要加設測量基準點，每次測量時均要做二等水準閉合測量以保證測量精度。

測量時，為了測量拱頂高程，拱頂掛尺時要采用倒尺法。從洞外基準點用二等水準測量方法引到洞內隧道地面標高h1，用精密電子水準儀讀出后視讀數b和前視讀數a，則拱頂高程h2為:

每次測量的h2的差值就是拱頂下沉量。每次測量的累計沉降量和變化速率都要滿足規范要求。

這種測量方法優點為:精度高，測量準確。

其缺點為:受測量環境影響較大，二等測量工作任務重。需另外找光源，需專門軟件處理數據，操作較復雜。

具體操作方法見圖2。

圖2 精密水準測量示意圖

3.2 普通水準測量

采用普通水準儀進行拱頂下沉測量時，所用的儀器設備主要有普通光學水準儀和普通塔尺等。因塔尺在觀測過程中不方便，也可采用固定鋼尺的做法，即平時將鋼尺斜掛在洞壁上，監控量測時放開，尺端掛一小錘保證鋼尺豎直。塔尺頂部要加工個小環以方便掛尺，注意小環一定要有足夠的剛度以保證測量的精度。測量原理同上述的精密水準測量方法。

該方法優點為:受測量環境影響較小，人工讀數方便測量速度快，省時省力。

缺點為:精度較低。具體操作方法見圖3。

3.3 激光測距儀

充分利用已經布設的收斂點，利用等腰三角形和勾股定理，間接計算得到拱頂下沉值，所用的儀器設備主要為激光測距儀。此方法對于所布的監測點要求較高，要確保收斂點與拱頂監測點在同一斷面上，而且要把拱頂監測點布于同一截面正上方。測量時用激光測距儀測出BC和AC的距離lBC和lAC，則拱頂A的高度為:

每次測量計算出的h值就是拱頂的相對高程，兩次相對高程之差就是拱頂沉降值。

這種測量方法優點是:測量方便快捷。

其缺點為:對于測量點的布置要求較高，精度較低，而且拱角B和C若標高變化則會使測量結果產生錯誤。

具體操作方法見圖4。

圖3 普通水準測量示意圖

圖4 激光測距儀測量示意圖

3.4 全站儀免棱鏡測量方法

隨著全站儀在工程中的應用越來越廣泛，拱頂下沉測量也可用全站儀來完成。通過測量拱頂測點的空間坐標變化，計算出拱頂測點的下沉數值。由于場地空間的局限性，只能用免棱鏡的全站儀測量方法。利用儀器中的存貯設備，避免了洞內計算和參數設置等工作，使測量工作大為減少。

優點:不架設棱鏡，操作方便快捷;

缺點:棱鏡貼片的精度對最終的測量精度影響較大，并且沒有考慮后視點精度影響。

4 結語

通過以上對比分析，可以得出以下結論:

1)精密電子水準儀二等水準測量拱頂下沉結果最為精確，而激光測距儀測量最為簡便。幾種測量拱頂下沉的方法各有利弊，應根據工程具體情況選擇所采用測量方法;

2)特殊復雜情況下，為保證測量結果的準確性，同時為設計提供更有價值的數據，更重要的是防止塌方、保證施工安全順利進行，可采用多種測量方法同時測量、復核。比如大連地鐵某標段地表沉降嚴重，地表沉降累計達到將近80 mm，已經遠超出允許值30 mm，但拱頂下沉幾種方法測得均只有10 mm左右，分析原因是市政管道施工完畢回填不密實，排除了塌方隱患，保證了施工順利進行。

[1]于學馥，鄭 穎.地下工程圍巖穩定分析[M].北京:人民交通出版社，2008:77-78.

[2]梁 禹.廣州地鐵一號線越江隧道運營期結構變形監測[J].現代隧道技術，2008，24(3):15.

[3]徐少平.成都砂卵地層大型地鐵基坑施工穩定性監測[J].鐵道建筑，2010，21(11):44-45.

[4]毛新虎，王啟耀.電廠水下網格盾構隧道推進監控量測探討[J].鐵道建筑，2009，28(8):33.