自動化監測技術在新建換乘地鐵站施工中的應用研究

于鑫

（合肥市測繪設計研究院，安徽 合肥 230000）

0 引言

地鐵車站結構復雜，施工要求高，施工過程中常采用信息化方法對其沉降變形進行監測[1-2]。隨著社會的不斷發展，城市中地鐵的數量和密度都在不斷增大，因此研究地鐵軌道沉降的影響具有重要意義。本文對既有地鐵站因深基坑開挖、圍護結構破除及既有結構側墻拆除等因素的影響，導致既有結構受力情況發生改變進行統計分析。在監測過程中，通過對既有線路站點的實時監測，依據長期的監測數據判斷基坑開挖是否對既有線的正常運行產生影響，然后將出現的不良后果進行及時預報，避免事故的發生，有效減少社會損失。

一般來說在地面沉降量越大的地方，其附近建筑物的形變較大，嚴重影響其既有結構。目前，研究基坑開挖對隧道沉降的影響，主要以數值模擬和實地監測兩種監測方法為主。張凱[3]等通過對某車站的土體沉降、結構變形等監測數據進行分析，實驗結果顯示圍護墻頂和立柱的累積沉降量大于地表和管線，對于墻頂來說墻底的位移水平更大；在基坑施工過程中，采用ANSYS有限元分析軟件對附近隧道結構進行監測，結果表明該軟件的模擬值與實時監測值基本一致[4]。李順群等[5]在基坑開挖全過程中采用小變形硬化模型方法進行分析，結果表明計算結果與實測數據基本吻合，可用該模型進行研究。本文以實體工程變形監測為依托，通過對頂板沉降、側墻沉降、側墻位移、道床沉降、軌道差異位移進行實時監測，全面分析車站的安全性和穩定性。

1 工程概況

某地鐵車站為2 號線與4 號線T 型換乘站。2 號線車站長度為478m，車站主體結構為地下二層雙柱三跨鋼筋混凝土框架結構，換乘節點處為地下三層雙柱三跨結構，標準段寬度為21.7m，覆土厚度2.5～3.75m，底板埋深15.6～16.9m；換乘節點處為地下3層鋼筋混凝土框架結構，底板埋深24m。4 號線車站長度為144.6m，寬度為21.9，深度24m，車站為地下3 層三跨島式站臺車站，采用鋼筋混凝土箱形框架結構，頂板覆土厚度2.4～2.9m。車站主體結構采用明挖法施工，圍護結構采用地下連續墻+內支撐的支護體系。2 號線車站部分為既有線地鐵站，已先期完成，并通車運營。4 號線車站部分為新建地鐵站。

2 監測點的布設

監測點的科學布設不僅能對受施工影響的2 號線區域進行全方位的監測，讓我們掌握監測區域沉降和位移的實時變化情況，還能應對突發狀況的發生，采取更安全的相應的解決措施，從而保證觀測的連續性和準確性。

我們對2 號線地鐵車站內上行線每10m 設置一個監測斷面，下行線主要影響區內5m 設置一個監測斷面，次要影響區內10m設置一個監測斷面。在車站80m 的區間范圍內共設置了33 個監測斷面。每個監測斷面都涵蓋了車站側墻沉降、側墻水平位移監測點、軌行區道床沉降、結構頂板沉降和軌道差異監測五個方面。我們采用直徑D30mm 的無源感知接收器作為監測的設備，使用強力膠粘接與結構混凝土表面的方式固定，在五個方面的監測斷面上分別設置了33 個、33 個、33 個、18 個和132 個監測點。圖1 展示了合肥地鐵既有線地鐵站監測的布點。

圖1 既有線車站監測布點

3 監測結果分析

本工程采用自主研發的Wow-Wy-003 型智能在線位移監測儀對2 號線既有站進行實時監測，監測距離0.03～100m，監測精度≤0.5mm；監測點監測一次在10s 內完成，斷面整體監測一次在1 分鐘內完成；單點監測通過對一次監測10 個數值的統計分析，得出一個精確位移變化數據，并及時上傳云端平臺；每個監測點24 小時共有72 組監測數據，為判斷監測對象位移變化趨勢提供大數據。此次工程的監測周期為10 個月，共設33 個監測斷面，其中下行區設20 個監測斷面，上行區設13 個監測斷面，2 號線既有站結構變形監測內容共有5 項分別為：結構頂板沉降、軌行區道床沉降、軌行區側墻位移和沉降、軌行區線路差異沉降。地鐵2 號線既有站監測測點與現場安裝位置如圖2 所示。

圖2 既有線車站監測測點與現場安裝位置

圖3 至圖7 分別展示了側墻沉降、側墻位移、道床沉降、頂板沉降、軌道差異在十個月內的變化情況。通過箱形圖可以看出，5個監測項目其整體變化量都在3mm 之內，小于設定的限值。此外，側墻沉降的上行線2、8 號點和下行線1 號點沉降變化離散程度較大；側墻位移上行線的位移量總體為負值都大于1mm，下行線3、6 和18 號點位移量大于1mm，其他位移量較小；道床沉降的上行線5 和9 號點，下行線4、10、19 和20 號點較為穩定，其他沉降變化量較大，但沉降范圍沒有超過限值；頂板沉降上行線1、2、7 和13 號點和下行線的4 和17 號點較為穩定，總體在0值附近波動，其余點號波動較大；軌道差異中上行線除4 和12號點數值較小，其他點位數值都較大，下行線除了點14、15 和18號點為負值，其他點位的數值大部分為正值。因此，道床沉降的沉降變化量最大，側墻沉降、頂板沉降和道床沉降主要以上升為主，側墻位移整體主要向東位移，上行線向西偏移，下行線向東偏移，軌道差異上行線監測點的數值一致性較差，下行線軌道差異值總體上為正值。

圖3 側墻沉降統計

圖4 側墻位移統計

圖5 道床沉降統計

圖6 頂板沉降統計

圖7 軌道差異統計

圖8 至圖12 分別展示了上行線與下行線的側墻沉降、側墻位移、道床沉降、頂板沉降、軌道差異的累積最大變化量在十個月內的變化情況。從圖中可以看出，監測項目的總體變化量較大，但數據都在規定的范圍內。此外，上行線與下行線的側墻沉降、側墻位移、道床沉降、頂板沉降、軌道差異前期的累積最大變化量的值較小，隨著監測時間的增加，其變化量越來越大，大約1 個月之后不在明顯增加。上行線與下行線的側墻沉降和側墻位移在最后20d 時其累積最大變化量值比較平穩，而且數據基本一致。對側墻位移的累積最大變化量分析知，下行線在第50～150d 內數值較為穩定且均為正值，而下行線在此期間數據波動較大。道床沉降的累積最大沉降量在第150～200d 內，上行線和下行線的數值基本一致，均為負值，而且第200d 之后下行線的數值與上行線存在滯后性變化。頂板沉降的最大累積變化量在第50～150d 內，上行線和下行線的數值整體為正值且數值變化較小。軌道差異最大累積變化量在監測期間數值一直在波動，但是均未超過限值。結合五張圖，從整體數據來看，所有波動都是處在3mm 內，屬于正常沉降范圍內。

圖8 側墻累積最大沉降量

圖9 側墻累積最大位移量

圖10 道床累積最大沉降量

圖11 頂板累積最大沉降量

圖12 軌道間累積最大差異值

表1 上行線累積最大變化量情況

在上行線方面來看，頂板沉降主要以上升為主且大多在+2～+3mm 的范圍內，整體是上升趨勢；對于側墻沉降，下沉趨勢占比約30%，上升占比約為70%；對于側墻位移，主要以向西偏移為主，且偏移量在-2～-3mm 范圍內；對于道床沉降，主要以+2～+3mm的沉降為主；對于軌道差異，以+2～+3mm 的偏移量為主，占比約為50%。

表2 下行線累積最大變化量情況

在下行線方面來看，頂板沉降主要以上升為主且大多在+2～+3mm 的范圍內，整體是上升趨勢；對于側墻沉降，下沉趨勢占比約60%，上升占比約為40%，且在下沉主要以下沉-2～-3mm 為主；對于側墻位移，主要以向東偏移為主，且偏移量在+2～+3mm范圍內，偏移量在+1～+2mm 范圍均占10%；對于道床沉降，主要以+2～+3mm 的沉降為主；對于軌道差異，以+2～+3mm 的偏移量為主，占比約為65%。

總體來看，頂板沉降、側墻位移、道床沉降和軌道差異的累積最大變化量受周邊施工的影響，普遍集中在±2～±3mm 的區間，臨近警戒線，側墻沉降相比其他四個方面比較穩定，受影響較小。但整體仍然是在一個可控的區間內。

4 結語與建議

本文通過對軌道交通既有線地鐵站長達10 個月的監測，結果表明上行線和下行線頂板沉降、側墻沉降、側墻位移、道床沉降、軌道差異位移變化量均在3mm 之內，且最大累積變化量值也在規定的范圍內，因此軌道交通4 號線施工建設對既有2 號線地鐵站有輕微影響，不影響正常運行。此外，施工期間應對監測點進行保護，以確保測量數據的準確性。通過對軌道交通線進行沉降監測分析，對保障交通線正常運營有積極作用。