地铁施工拱顶下沉安全监测研究

王 博 郭子华

(大连理工大学土木建筑设计研究院有限公司，辽宁大连 116023)

0 引言

随着地铁的快速发展，施工监控越来越被人们重视，因为地铁施工监控不力而造成的各种问题和隐患都是致命的。如法国雷尔地铁事故，2008年杭州地铁塌方事故，2011年大连地铁塌方事故等，给人民生命财产带来了重大损失，并造成了不良的社会影响[1，2]。这些事故的发生除了施工方面的原因之外，另一个非常重要的原因是施工现场监控量测工没有发挥其预警作用。地铁施工监控就是对施工过程中围岩和支护系统的受力情况以及它们之间的力学关系进行量测，并对地面稳定性与施工方法做出评价，以确保施工的绝对安全和工程经济合理[3]。施工监测可以用现场实测的结果来弥补理论分析的不足，并可以积累区域性监控量测资料，提高地铁的设计和施工水平[4]。

1 拱顶下沉测量意义

拱顶下沉的监控量测方法，即在地铁施工过程中，通过监控量测布设于拱顶部位的固定测点在不同时间相对标高，求出两次监控量测的差值，即为该测点的沉降变化值。

不少城市地铁施工过程中，为了最大限度的减小对地面交通的影响，往往采用暗挖等施工方法，在工程地质条件复杂的线路，往往存在塌方等重大隐患，做好施工过程中的监测工作对预防塌方有着极为重要的作用，必须加以重视。并在实际增加超前监测点增加了密度和观测频率，随时掌握隧道内部和洞外地表沉降的变化，通过监控量测提供安全保障，并指导施工。

2 测点布置

拱顶下沉测量关键是确定不动点作为参考点(基点)(见图1)，通常采用以下两种方法:1)在洞口附近，可采用洞外基准点，每次测量时从洞外引入;2)在开挖面一定距离的拱顶处设置参考点，并假定其为不动点(下沉量微小，可以忽略不计)进行监控量测。其中第一种方法精确度高但工作量大，后一种方法操作简单但误差较大。在选好的观测点位置上将监测基准点焊在钢格栅骨架上，外露长度为2 cm。

图1 拱顶下沉测量

3 拱顶下沉测量方法

防止塌方是隧道地铁施工的重中之重。拱顶下沉监测在隧道或地铁施工监测中对于预防塌方和保证施工安全具有非常重要的作用，拱顶下沉的测量方法有多种，每种方法都有各自的优点和不足。本文对几种常用的拱顶下沉测量方法做一探讨。

3.1 精密水准测量

首先要确定监测基准点。基准点要由3个相距不太远的结构稳定的不动点组成，并设置钢筋混凝土墩式标志，3个基准点要做闭合路线。其中1个为主基准点，另外2个为辅助基准点，3个基准点要定期做闭合测量。洞内根据需要加设测量基准点，每次测量时均要做二等水准闭合测量以保证测量精度。

测量时，为了测量拱顶高程，拱顶挂尺时要采用倒尺法。从洞外基准点用二等水准测量方法引到洞内隧道地面标高h1，用精密电子水准仪读出后视读数b和前视读数a，则拱顶高程h2为:

每次测量的h2的差值就是拱顶下沉量。每次测量的累计沉降量和变化速率都要满足规范要求。

这种测量方法优点为:精度高，测量准确。

其缺点为:受测量环境影响较大，二等测量工作任务重。需另外找光源，需专门软件处理数据，操作较复杂。

具体操作方法见图2。

图2 精密水准测量示意图

3.2 普通水准测量

采用普通水准仪进行拱顶下沉测量时，所用的仪器设备主要有普通光学水准仪和普通塔尺等。因塔尺在观测过程中不方便，也可采用固定钢尺的做法，即平时将钢尺斜挂在洞壁上，监控量测时放开，尺端挂一小锤保证钢尺竖直。塔尺顶部要加工个小环以方便挂尺，注意小环一定要有足够的刚度以保证测量的精度。测量原理同上述的精密水准测量方法。

该方法优点为:受测量环境影响较小，人工读数方便测量速度快，省时省力。

缺点为:精度较低。具体操作方法见图3。

3.3 激光测距仪

充分利用已经布设的收敛点，利用等腰三角形和勾股定理，间接计算得到拱顶下沉值，所用的仪器设备主要为激光测距仪。此方法对于所布的监测点要求较高，要确保收敛点与拱顶监测点在同一断面上，而且要把拱顶监测点布于同一截面正上方。测量时用激光测距仪测出BC和AC的距离lBC和lAC，则拱顶A的高度为:

每次测量计算出的h值就是拱顶的相对高程，两次相对高程之差就是拱顶沉降值。

这种测量方法优点是:测量方便快捷。

其缺点为:对于测量点的布置要求较高，精度较低，而且拱角B和C若标高变化则会使测量结果产生错误。

具体操作方法见图4。

图3 普通水准测量示意图

图4 激光测距仪测量示意图

3.4 全站仪免棱镜测量方法

随着全站仪在工程中的应用越来越广泛，拱顶下沉测量也可用全站仪来完成。通过测量拱顶测点的空间坐标变化，计算出拱顶测点的下沉数值。由于场地空间的局限性，只能用免棱镜的全站仪测量方法。利用仪器中的存贮设备，避免了洞内计算和参数设置等工作，使测量工作大为减少。

优点:不架设棱镜，操作方便快捷;

缺点:棱镜贴片的精度对最终的测量精度影响较大，并且没有考虑后视点精度影响。

4 结语

通过以上对比分析，可以得出以下结论:

1)精密电子水准仪二等水准测量拱顶下沉结果最为精确，而激光测距仪测量最为简便。几种测量拱顶下沉的方法各有利弊，应根据工程具体情况选择所采用测量方法;

2)特殊复杂情况下，为保证测量结果的准确性，同时为设计提供更有价值的数据，更重要的是防止塌方、保证施工安全顺利进行，可采用多种测量方法同时测量、复核。比如大连地铁某标段地表沉降严重，地表沉降累计达到将近80 mm，已经远超出允许值30 mm，但拱顶下沉几种方法测得均只有10 mm左右，分析原因是市政管道施工完毕回填不密实，排除了塌方隐患，保证了施工顺利进行。

[1]于学馥，郑 颖.地下工程围岩稳定分析[M].北京:人民交通出版社，2008:77-78.

[2]梁 禹.广州地铁一号线越江隧道运营期结构变形监测[J].现代隧道技术，2008，24(3):15.

[3]徐少平.成都砂卵地层大型地铁基坑施工稳定性监测[J].铁道建筑，2010，21(11):44-45.

[4]毛新虎，王启耀.电厂水下网格盾构隧道推进监控量测探讨[J].铁道建筑，2009，28(8):33.