城市軌道交通結構形變監測方法及應用
——以鄰近基坑開挖的影響為例

趙少鵬,王怡,程良水

(杭州市勘測設計研究院有限公司,浙江 杭州 310012)

0 引 言

隨著中國城市化進度的加快,城市人口的迅速增長,地上公共交通已不能滿足人口增長帶來的交通需求,因此,近年來,我國地下交通蓬勃發展,越來越多的城市開始興建地鐵線路。以浙江省為例,目前已有多地陸續開建城市軌道交通項目,其中杭州市目前已運營的軌道交通總里程已達到 516 km。

受到地質條件、施工環境和施工技術等多種因素影響,軌道交通設施自運營開始就存在不同程度的結構病害與安全隱患,加之周邊大量市政或商業開發建設,會導致既有軌道交通結構出現形變,造成結構性能指標下降;結構形變嚴重時,會對行車安全造成重大威脅。因此,為了確保軌道交通結構的安全,對其進行結構形變監測是非常重要的。

1 形變監測對象及方法

城市軌道交通結構監測對象包括地下車站和區間、高架車站和區間、地面車站和區間以及附屬建(構)筑物的結構。監測項目一般包括:水平位移監測、豎向位移監測、收斂監測等。

由于軌道交通結構內觀測條件差,為保證監測項目精度,首先建立平面控制網和高程控制網;平面控制網、高程控制網是水平位移監測、豎向位移監測、收斂監測的監測基準。

1.1 平面控制網

由于城市軌道交通結構大部分建設在地下,與地面構筑物相比,空間相對封閉,且呈狹長帶狀分布,不利于監測控制網布設。因此,水平位移監測平面控制網宜采用導線測量布設,并建立獨立坐標系[1],獨立坐標系方向分別沿里程方向與垂直里程方向,一般以沿里程方向為X軸,垂直于里程方向為Y軸。平面控制網布設如圖1所示。

1.2 高程控制網

豎向位移監測高程控制網可采用國家高程系統,也可以采用自定義高程系統,高程控制網應具備穩定、可靠的高程起算點。高程控制網的工作基準點宜布設在外部作業影響范圍外的車站內,數量應不少于3個,高程控制網布設示意圖如圖2所示。

圖2 高程控制網布設示意圖

1.3 水平位移監測

水平位移監測以平面控制網為基準,在觀測支架上觀測平面控制網工作基準點棱鏡進行后視定向,然后觀測布設在斷面上的監測點(如棱鏡),采集坐標。監測點水平位移為本次測量值與初始值在Y方向的坐標差值,計算公式如下:

yi=Yi-Y0

(1)

式中yi為監測點水平位移累計變化量,Yi為監測點本次測量值,Y0為監測點初始值。

1.4 豎向位移監測

豎向位移可通過三種方式進行監測:①精密水準測量;②三角高程測量;③靜力水準測量。采用精密水準測量時,水準路線應從高程控制網工作基準點出發,沿線路形成閉合路線,由工作基準點高程計算各監測點高程,通過計算各監測點歷次高程之差求取豎向位移;采用三角高程測量時,與水平位移監測方法相同,在觀測支架上觀測平面控制網工作基準點棱鏡進行后視定向,然后采集監測點坐標;采用靜力水準測量時,通過測量每個測點液位高度變化或不同測點間的液體壓力變化來計算豎向位移。豎向位移計算公式如下:

hi=Hi-H0

(2)

式中hi為監測點豎向位移累計變化量,Hi為監測點本次高程值,H0為監測點初始高程值。

1.5 收斂監測

收斂監測可采用全站儀觀測布設在隧道兩腰處的監測棱鏡或采用手持激光測距儀測量收斂測線。采用全站儀進行收斂監測觀測方法與水平位移監測方法一致,通過后方交會進行后視定向,然后采集隧道兩腰處的監測點坐標,計算兩個監測點的距離與初始距離變化。采用手持激光測距儀進行收斂監測時,取多次收斂測線穩定測量平均值為本次測量值,與初始值對比,計算收斂值。收斂監測計算公式如下:

(3)

或:

li=Li-L0

(4)

2 自動化監測系統

由于城市軌道交通運營時間長,監測人員能夠進入內部進行作業的時間相對較短,因此,優先采用自動化系統對其結構形變進行監測。自動化監測的特點:①監測頻率高,觀測精度高;②相較于傳統的通訊技術產品,其具備傳輸速度快、延遲率低和穩定性高等優點[2];③不受運營時間限制,可根據需要設置觀測時段;④速度快,能夠實時快速獲取變形量,并繪制時程曲線。

自動化監測系統是利用變形監測軟件系統,遠距離向測量機器人傳輸測量指令,由測量機器人在規定的時間段內依照規定的測量流程智能地開展數據采集,并將所采集的數據通過通訊模塊傳輸回服務器并存儲,再由數據分析模塊開展分析計算,進而給出每個監測點的三維坐標,通過比較歷次坐標數值的變化計算出變形數值并制作出變形過程中的時程曲線。自動化監測系統組成如圖3所示。

圖3 自動化監測系統組成圖

3 工程實例

3.1 工程概況

本項目地下設置兩層地下室,基坑由杭州某特教綜合樓地下室基坑與地鐵車站C出入口及1號風亭地下通道基坑兩部分組成,開挖深度分別為 10.65 m、9.84 m,安全等級為一級。項目北側為城市道路,道路下方為已運營杭州地鐵2號線某地鐵車站。

依據支護設計資料,新建地下通道基坑緊鄰車站結構,距離區間隧道最近水平距離約 3.9 m;特教綜合樓基坑結構外墻與地下隧道區間距離約 26.3 m;該項目與軌道交通相對平面位置示意圖如圖4所示、相對剖面位置示意圖如圖5所示。

圖4 相對平面位置示意圖

圖5 相對剖面位置示意圖

3.2 場地巖土工程條件

依據巖土工程勘察資料,該項目基坑支護涉及的土層及其物理力學性質指標列于表1中。

表1 土層物理力學性質指標

3.3 監測內容和方法

該基坑工程位于城市軌道交通控制保護區[3]50 m范圍內,基坑開挖影響區間隧道與地鐵車站。為不影響軌道交通的正常運營,本項目軌道交通結構監測采用自動化監測方案,監測對象為車站和區間隧道,監測內容以水平位移、豎向位移和水平收斂為主。自動化監測系統設置定時坐標采集,控制網工作基準點坐標及監測棱鏡初始值坐標存儲在計算機數據庫中,坐標采集時全站儀先通過網絡從計算機數據庫中讀取控制網工作基準點數據進行后視定向,后視定向經平差計算精度滿足設置要求后,再根據設置好的監測斷面進行監測點坐標采集,然后將坐標數據通過網絡傳輸回計算機數據庫中,以當天多次測量的平均值作為監測點的坐標計算各個監測項目的變化量。水平位移、豎向位移及收斂按照公式(1)～(3)進行計算。該項目監測點布設如圖6所示。

圖6 監測點布設圖

依據本項目設計預評估報告,各監測項目控制值、報警值及預警值如表2所示。按照本項目施工順序,進行分階段控制:①圍護結構施工階段,各監測項目報警值<1.5 mm;②地下通道基坑施工階段,車站水平位移報警值<3.6 mm,其他監測項目報警值<3 mm;③特教樓基坑施工階段,車站水平位移報警值<4.8 mm,其他監測項目報警值<4 mm。

表2 監測項目控制值、報警值及預警值

3.4 自動化監測數據分析

本項目自2018年10月—2019年10月進行樁基施工,2019年11月—12月進行出入口及風亭地下通道土方開挖,2020年1月—4月進行出入口及風亭地下通道主體施工,2020年6月—12月進行特教綜合樓基坑土方開挖,2021年1月—4月進行特教綜合樓地下主體施工,2021年4月底基坑施工達到±0,2021年5月進行上部主體施工。

本項目各測項累計值隨時間變化曲線如圖7～圖12所示。由曲線可以看出隨著基坑深度的不斷開挖,軌道交通結構的形變也隨之發生,越靠近基坑部位變形量越大,當地下室施工至±0后,變形逐漸穩定并有所回落。其中,在樁基施工階段對軌道結構產生影響較小,各測項最大累計變形量為 1.2 mm,小于設計報警值;在出入口及風亭地下通道土方開挖施工階段各測項變形量均開始增加,最大累計變形量為 2.5 mm,小于設計報警值,且隨著地下室地板結構澆筑完畢后部分回落;在特教樓基坑開挖及地下結構施工階段軌道交通結構變形量進一步增加,此階段基坑開挖作業面大,時間周期長,基坑施工導致的時空效應明顯,各測項中水平位移累計變化最大,達到了 4.7 mm,未超設計控制值,變化特征與場地地質條件基本吻合,隨著地下結構施工結束,軌道交通結構變形亦逐漸趨于穩定。

圖7 上行線累計水平位移隨時間變化曲線

圖8 上行線累計豎向位移隨時間變化曲線

圖9 上行線累計水平收斂隨時間變化曲線

圖10 下行線累計水平位移隨時間變化曲線

圖11 下行線累計豎向位移隨時間變化曲線

圖12 下行線累計水平收斂隨時間變化曲線

由于本項目涉及的城市軌道交通結構大部位于性狀較差的黏質粉土與淤泥質粉質黏土中,但底部位于性狀較好的可塑～硬可塑狀粉質黏土或黏土中,因此在受周邊外部作業影響會產生一定量的形變,其形變以往基坑方向的水平位移為主,相應的水平收斂也會產生影響,豎向位移變化相對較小,各項目監測項目數據變化與地質條件基本吻合。經監測成果分析認為,該項目形變監測方案科學、合理,監測數據可靠,有效保障了基坑施工過程中城市軌道交通的安全運行,達到了項目預期要求。

4 結 語

城市軌道交通結構受周邊外部作業影響會產生形變,一個完善的監測體系能及時、準確地掌握軌道交通結構形變的變化趨勢,為城市軌道交通結構病害治理提供數據支撐,為其安全運營提供保障。