西安城市軌道交通工程控制網點穩定性分析

胡自全,姜雁飛,劉志平

(1．西安市地下鐵道有限責任公司,陜西西安 710018;

2．中國礦業大學國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室,江蘇徐州 221116)

西安城市軌道交通工程控制網點穩定性分析

胡自全1?,姜雁飛1,劉志平2

(1．西安市地下鐵道有限責任公司,陜西西安 710018;

2．中國礦業大學國土環境與災害監測國家測繪地理信息局重點實驗室,江蘇徐州 221116)

西安地區特殊的區域地質的構造活動、地裂縫活動及地面沉降的疊加嚴重影響了城市軌道交通工程測量工作。城市軌道交通工程建設工期長,地面控制網受城市建設、軌道交通工程施工的影響,點位容易破壞和失穩。本文結合工程建設實際,對西安市城市軌道交通工程控制測量的影響因素進行了分析,提出了解決措施。

城市軌道交通;地裂縫;地面沉降;工程測量

1　引 言

西安城市軌道交通工程穿越臨潼-長安斷裂、眾多地裂縫及西安區域地面沉降區域,特殊的地質條件影響城市軌道交通工程控制網的穩定性。城市軌道交通工程及其他城市建設也是造成地面控制點破壞及失穩的重要因素。在城市軌道交通工程控制網布設及檢測過程中,應綜合分析影響工程測量的相關因素,研究相關技術及管理措施,保證工程能按設計方案正確施工、運營。

2　地面控制點破壞及失穩的影響因素

2．1地質條件

(1)區域地質

西安市位于渭河盆地的中部,處在西安凹陷的東南隅。西安地區區域邊界存在三組斷裂,分別為NEE向渭河斷裂、NE向臨潼-長安斷裂和近NE向秦嶺北側斷裂,其影響著西安地區的地層構造活動。以臨潼～長安斷裂帶構為主斷裂帶,附帶多條小斷裂帶,錯綜復雜。臨潼-長安斷裂帶南起秦嶺豐?？?北至驪山。全長約60 km,寬3 km～7 km,第四紀以來其活動顯著,斷層兩盤垂直斷距為57 m～74 m。沿著臨潼-長安斷裂帶多處有明顯的地裂縫、構造凹地。根據地質調查資料對比,臨潼-長安斷裂可分為三條斷裂,自東向西分別為江伊-鮑坡斷裂、馬騰空斷裂和斜口-東大斷裂[1]。西安地鐵二號線南延段、四號線、五號線、臨潼線均穿越臨潼-長安斷裂帶。

(2)區域地面沉降

在西安地區,由于承壓水過量開采,導致了地面沉降,地面不均勻沉降導致和促使了地裂縫的發展[2,3]。西安地區地面沉降速率在1997年以前是不斷加快,1997年以后因黑河引水工程的通水及自備井開采量減少,承壓水位趨于穩定后回升,地面沉降速率有所減緩。但由于遠郊地區承壓水仍持續下降,區域沉降漏斗的范圍仍在不斷擴大,沉降速率東郊和南郊大于西郊和北郊,總趨勢是沉降量由東南向西北遞減[4]。如圖1所示,地鐵3號線、4號線穿越位于高新區和曲江新區的區域沉降地帶。

圖1　西安地區2007～2008年沉降速率圖

(3)地裂縫

西安地裂縫自東向西延伸分布,目前已發現有14條[5],包括已出露地表的地裂縫和未出露地表的隱伏地裂縫。地裂縫分布在黃土梁洼地貌范圍內,覆蓋面積約150 km2,出露總長度72 km,延伸長約103 km,單條地裂縫出露最長11．38 km,最短2 km。西安城市軌道交通工程穿過眾多地裂縫,如圖2所示。

圖2　西安城市軌道交通工程穿越地裂縫示意圖

2．2城市軌道交通工程

城市軌道交通工程建設周期長、工序復雜、施工場地狹小、影響工程建設的因素較多,在施工過程中由于交通疏解、分期圍擋施工、設計變更等因素的影響,沿軌道交通線路布設的平面和高程控制點有時會被破壞[6]。

為了滿足支護結構和開挖施工的要求,多采用降水施工,降水在工程中應用廣泛,會造成地面不同程度的地表沉降。城市軌道交通測量的水準點和導線點都是沿線路布設,受施工降水影響會出現水準點下沉。

2．3其他影響因素

其他城市建設如市政道路橋梁建設、道路維護、管線施工、綠化施工等均有可能對城市軌道交通的控制點產生破壞。此外,強降雨、地下管線滲漏引起的地表塌陷也會破壞城市軌道交通的控制點。

3　西安地鐵工程測量控制網點穩定性分析案例

3．1網點垂直位移分析

(1)地鐵三號線為例

采用地鐵三號線自2011年4月～2014年4月,從機電學院深埋樁水準點至西安國際港務區西塘村深埋水準點共52個水準點的5期水準復測相對高差數據進行比較分析,發現魚化寨～小寨段高程控制點存在較大沉降,且呈持續下沉的趨勢,網點沉降結果如圖3所示。其中高程變化最大的點位為都市印象,累計沉降-449 mm。

圖3　西安地鐵三號線水準檢測

圖3中水準線路沉降最大段位于西安高新技術產業開發區。該區是十年來西安發展最快的區域,也是西安區域地面沉降最大的區域之一[7],與圖1的結論相一致。

(2)地鐵四號線為例

采用地鐵四號線自2012年～2014年,從北客站至航天城站共109個水準點的3期水準復測相對高差數據進行比較分析,發現和平門至航天城段存在兩個沉降區,分別為中鐵一局～富力城、富力城～航天城,如圖4所示。

圖4　西安地鐵四號線航天城～火車站段水準檢測

中鐵一局～富力城段水準線路穿過曲江沉降槽,富力城～航天城段水準線路穿過長安沉降槽[8],該區域的地面沉降導致了西安地鐵四號線精密水準點的沉降。

在三、四號線暗挖及車站施工區段水準點高程也會發生沉降,沉降量基本在3 cm之內。

3．2四號線西延瀾山GPS點位移

在西安地鐵二號線、一號線、三號線和四號線施工期間,均發現有平面控制點發生的現象,其中以四號線西延瀾山GPS點位移最為顯著。2011年～2014的4次控制網測量成果顯示位于雁塔南路西延瀾山小區樓頂的GPS控制點存在北偏東方向的位移,年均變化量為58 mm,如圖5所示。

該棟建筑物位于雁塔南路西側,高30層;根據地質勘測資料發現此處位于臨潼-長安斷裂帶和fc1地裂縫交匯處[8,9],小寨-觀音廟沉降槽的南邊緣(如圖1、圖2所示)。通過分析該建筑物沉降監測數據認為地裂縫的活動導致的基礎不均勻沉降,是該GPS點位移的主要原因。

圖5　西延瀾山GPS控制點坐標位移圖

3．3控制點破壞及失穩情況

為查明城市軌道交通工程建設過程中控制點的破壞及失穩情況,作者查閱了西安地鐵一、三、四號線的控制網測量資料,并對其進行統計分析,如表1所示。

城市軌道交通工程控制點破壞及失穩統計表　表1

根據表1統計可知,每條城市軌道交通工程線路在全線開工建設的第一年有40%左右的精密導線點失穩及破壞,50%左右的水準點失穩及破壞,工程建設過程中每年有將近40%左右的水準點年沉降量超過5 mm。

4　應對措施

為減小地質構造、區域地面沉降、地裂縫和城市工程建設對控制點網點的影響,主要采取了以下解決措施:

(1)在長安-臨潼大斷裂南北兩側分別埋設深埋水準點,標底選在穩定的土體持力層上,鉆孔約360 m,采用太乙宮基巖點起算,組成閉合環[3]。

(2)通過聯測國家GPS連續參考站,建立由5個GPS控制點組成的平面控制基準網,作為西安地鐵工程平面控制測量的起算點。

(3)采用水準測量、GPS/INSAR集成技術開展區域地表沉降監測的研究工作,確定地面沉降的區域,并分析其沉降量、沉降速率及相關變化規律[10,11],為城市軌道工程控制網的布設及優化設計提供動態的參考資料。

(4)平面及高程控制點盡量布設在降水施工影響范圍之外穩固且易于保存的區域;在地裂縫或地面沉降漏斗區域應適當增加水準點,找出其變化規律及漏斗區域變化邊緣。

(5)增加控制網測量檢測頻率,及時確定控制點的變化量。

(6)加強控制點檢測的動態管理,建立基于GIS的城市軌道交通工程控制網管理系統[12],對控制網進行動態管理。

5　結論與建議

影響西安城市軌道交通控制網穩定性的因素可以概括為地質因素和城市建設的影響兩類。地裂縫的活動和區域沉降使控制點產生位移和沉降,可通過測量檢測成果和InSAR地面沉降監測技術掌握其變化規律,定期進行控制網檢測可減小或消除其影響。對于城市軌道交通建設和其他城市建設對控制點的破壞及失穩,除需應用本文的應對措施外,還需做好各參建單位的協調管理,并與其他軌道交通工程沿線建設單位及控制點保護單位的溝通與協調。

[1] 宋彥輝,李忠生,李新生等．臨潼-長安斷裂帶內地裂縫特征[J]．中國地質災害與防治學報,2012,(23)2:50～54．

[2] 彭建兵．西安地裂縫災害[M]．北京:科學出版社,2012．

[3] 姜雁飛,馬全明,唐紅軍等．地裂縫和地面沉降條件下的城市軌道交通工程高程控制測量探討[J]．測繪通報, 2011(3):48～51．

[4] 張勤,趙超英,丁曉利等．利用GPS與INSAR研究西安現今地面沉降與地裂縫時空演化特征[J]．地球物理學報,2009,(52)5:1214～1222．

[5] 姜規模,吳群昌,李安定．西安市長安地裂縫場地勘察與工程設計探討[J]．礦產勘查,2012,(3)1:123～126．

[6] 秦長利,馬海志,于來法等．城市軌道交通工程測量[M]．北京:中國建筑工業出版社,2008．

[7] 西安市地下鐵道有限責任公司．西安地鐵三號線工程可行性研究報告[R]．西安:2012．

[8] 西安市地下鐵道有限責任公司．西安地鐵四號線工程可行性研究報告[R]．西安:2014．

[9] 西安市地下鐵道有限責任公司．金滹沱～雁南四路區間巖土工程勘察報告[R]．西安:2012．

[10] 羅海濱．綜合GPS和InSAR監測地表形變的理論方法和應用研究[D]．南京:河海大學,2008．

[11] 胡自全．基于GNSS的邊坡變形監測與預報方法研究[D]．南京:河海大學,2010．

[12] 中鐵隧道勘測設計院有限公司．城市軌道交通工程遠程測量管理系統設計說明書[R]．天津:2011．

Stability Analysis of Xi′an Urban Rail Transit Project Control Network

Hu Ziquan1,Jiang Yanfei1,Liu Zhiping2

(1．Xi′an metro Co．,Ltd,Xi′an 710018,China; 2．Key Laboratory for Land Environment and Disaster Monitoring of NASMG,CUMT,Xuzhou 221116,China)

Urban rail transit engineering survey has been seriously affected by tectonic activities,special regional geology,ground fissures and land subsidence in Xi'an．Urban rail transit engineering construction takes a long time,and the ground control network is influenced by urban construction,Urban rail transit engineering construction,it often leads to destruction and instability of the control point．The paper,combined with the actual construction,analyzes the influence factors of measurement and control of urban rail transit engineering,puts forward the solving measures．

urban rail transit;ground fracture;Land subsidence;engineering survey

1672-8262(2016)01-24-04

P224

B

?2015—08—24

胡自全(1983—),男,工程師,碩士,研究方向:工程測量、巖土工程、城市軌道交通工程管理等。

國家自然科學基金青年基金(41204011)