下穿既有地铁车站暗挖拱顶沉降监测技术

许 锋

（中铁第六勘察设计院集团有限公司，天津 300308）

地铁工程建设中，新建线路下穿既有线车站的情况时有发生。部分未考虑预留下穿条件的既有线车站，无论是土建施工还是安全监测相比于其他工程，情况都更为复杂。既有线车站和暗挖段二者产权管理属性不同，监测单位往往也不同；既有线车站结构底板常为土建暗挖段拱顶，因此在施工过程中如何有效准确监测既有车站变形，一直都是地铁工程关注的重点与难点。既有线车站内部结构变形常采用测量机器人进行水平及竖向位移自动化监测，该技术目前已发展成熟[1]；而在下穿既有线车站暗挖段内拱顶沉降监测中，通常由于场地条件的限制及工法的转变，常规的监测手段及精度往往无法达到预期的监测效果，暗挖拱顶监测常流于形式。因此在下穿既有线地铁车站暗挖段拱顶沉降的监测中，如何保证监测精度和可行性则显得十分重要。

1 工程概况

1.1 工程概述

成都地铁8号线倪家桥站需在负三层暗挖下穿既有成都地铁1号线倪家桥站，采用平顶直墙分步暗挖的形式，开挖宽22.7 m、高8.35 m、长18.7 m，共分为5步10个断面进行施工。见图1。

图1 倪家桥站暗挖顺序及结构剖面

1.2 面临问题

暗挖段拱顶沉降一般采用测倒尺法或者全站仪三角高程传递法进行监测[2]。但由于下穿既有线车站工况特殊，暗挖段分上下台阶共10个断面进行施工，单一的方法和常规的监测手段往往适应不了现场复杂的环境和高精度的测量要求。如采用测倒尺法进行拱顶沉降监测，由于塔尺自身的结构特点，观测精度不满足测量要求，当开挖至下台阶时，由于暗挖高度的变化，塔尺长度适应不了空间的变化而无法监测，若中途改变观测方法，又会面临无法埋设拱顶沉降监测点的问题；如采用全站仪三角高程传递方法，上台阶土方开挖会出现通视条件不佳等问题。此外，监测点及监测方法的改变导致的监测数据不连续或监测数据异常、单一监测方法不能进行核实比对等情况，会给暗挖段安全监测工作造成极大不便。

2 监测方案设计

2.1 监测方法

结合测倒尺、全站仪三角高程传递两种监测方法的优缺点，根据暗挖段施工和结构特点，设计并制作一种能够适应现场环境且实施方便、测量精度高的变形监测点和铟钢尺尺套。

变形监测点由监测杆、监测板、反射贴片、监测挂钩4部分组成[3]，将矿山法拱顶沉降测倒尺法与全站仪三角高程传递法监测点合二为一，避免二次布点，环境适应强。见图2。

图2 变形监测点原理

铟钢尺尺套为定制加工的高精度可组装辅助装置，由监测挂钩、不锈钢球、连接孔、连接套筒、连接杆、监测杆、尺套、调节螺栓、固定螺帽9部分组成[4]。现场可根据暗挖空间需要，自由拼接连接杆，通过挂钩将铟钢尺悬挂在监测点上，采用高精度铟钢尺取代常规塔尺或钢卷尺等，测量精度高。见图3。

图3 铟钢尺尺套原理

2.2 监测方案

暗挖段上台阶（断面1-1、2-1、3-1、3-3、4-1）开挖时拱顶沉降监测采用电子水准仪+铟钢尺尺套+铟钢尺的方法；下台阶（断面1-2、2-2、3-2、3-4、4-2）开挖时拱顶沉降监测采用强制对中盘+全站仪三角高程传递法。见图4。

图4 监测布点

3 监测方案实施

3.1 仪器设备选择

暗挖段工期长、施工难度大、风险级别高，现场必须选择精度高、误差小的仪器。根据监测要求，使用Leica TS50全站仪1台，测角精度±0.5"，测距精度±0.6 mm+10-6D（D为测得的两点间的距离，km）；Trimble Dini03水准仪1台，精度0.3 mm/km；配套铟钢尺1套；铟钢尺尺套1个；光学小棱镜4个；温湿度计1个；气压计1个；木质脚架2个；强制对中盘2个；反射贴片、监测条码、变形监测点、水准控制点若干以及其他测量辅助材料。

3.2 控制网布设及测量

沉降监测工作重点关注监测点的单次变化量、变化速率与累计变化量，不明确要求监测点的绝对高程坐标；因此在暗挖段拱顶沉降监测中，监测控制网可采用地铁高程系统，也可采用独立高程系统。

1）倒铟钢尺法。沉降控制网由3个基准点和4个工作基点组成：在车站远离暗挖端选取3个测量控制点作为沉降基准点JZ01、JZ02、JZ03；在车站靠近暗挖端两个立柱下部布设沉降工作基点GZ01、GZ02，考虑暗挖段拱顶沉降观测需要，在两个立柱上部（上台阶对应位置）布设沉降工作基点GZ01’、GZ02’。GZ01、GZ02埋设于车站立柱底部侧面，便于施测，采用钻孔埋设水准点的方法布设；GZ01’、GZ02’埋设于车站立柱中部墙面，采用张贴监测条码的方法布设。

结合现场点位条件和暗挖开挖顺序，拟建立两套高程系统。第一套为基准点高程系统（地铁高程系统），采用水准仪“aBFFB”观测模式，通过JZ01、JZ02、JZ03地铁控制点测量出GZ01、GZ02高程值；第二套为监测高程系统（独立高程系统），假设GZ01’点高程为500 m（假设高程值与工程结构高度相适应），采用水准仪“BFFB”观测模式，通过GZ01’工作基点测量出GZ02’高程值。

2）三角高程传递法。沉降控制网由4个基准点和2个工作基点组成：在车站远离暗挖端侧墙及立柱合适位置布设4个后视基准点JM1、JM2、JM3、JM4；在车站靠近暗挖端两个立柱下部布设工作基点Q01、Q02，确保现场Q01、Q02能较好的观测JM1、JM2、JM3、JM4及暗挖段拱顶沉降监测点。基准点采用小棱镜形式布设，工作基点采用强制对中盘形式布设。在暗挖段施工前，通过地铁高等级控制点测量出4个基准点JM1、JM2、JM3、JM4高程值。

3）基准点的保护。基准点及工作基点尽量设置于隐蔽位置，防止机械碰撞及破坏，控制点接触面用锚固剂或其他凝固胶粘牢，强制对中盘采用螺丝固定，确保基准点稳定，同时制作并安装警示标志牌并做好防护措施，对现场工作人员进行交底，加强点位保护。

3.3 监测过程

根据施工进度，暗挖段上台阶开挖要及时布设拱顶沉降监测点并采取有效保护措施，防止初期机械施工及喷锚泥浆破坏、遮挡监测点，同时监理单位组织各参建单位对监测点进行验收，待验收合格后开始进行初始值采集和正常监测工作。

3.3.1 开挖上台阶

采用电子水准仪测倒铟钢尺法进行监测，监测具体流程：

1）先将铟钢尺尺套平放，调节螺栓全部旋出，将铟钢尺平缓放入尺套底部，通过调节螺栓旋进，使铟钢尺固定；再将连接套筒平稳的与连接杆相连并保证不锈钢球可以在套筒内正常活动，根据暗挖段上台阶开挖高度情况，拼接连接杆直至长度满足现场需求；最后将连接杆与尺套水平连接，整个装置组装完成；

2）监测人员将铟钢尺缓慢举起并将监测挂钩与暗挖段拱顶沉降监测点相连，通过不锈钢球的球形结构，缓慢转动铟钢尺将铟钢尺观测面对准仪器，待装置整体稳定后进行拱顶沉降观测；

3）在暗挖上台阶架设仪器，通过水准测量得到拱顶沉降监测点GD1-1、GD1-2、……GD1-i的高程值，所有监测点观测完成时，缓慢取下监测装置并由专人负责保管及维护。

3.3.2 开挖下台阶

由于空间高度发生变化，倒铟钢尺法无法实施，此时采用全站仪三角高程传递法进行拱顶沉降监测，监测具体流程：

1）在强制对中盘工作基点Q01上安装全站仪，多测回观测基准点JM1获得Q01与JM1之间高差H1，通过观测基准点JM2、JM3等完成基准点复核；

2）全站仪多测回依次观测GD1-1、GD1-2、……、GD1-i等沉降监测点，分别获得工作基点Q01与监测点的高差h1、h2、h3、……、hi；

3）已知基准点高程值和各段高差值，通过计算便可得到各监测点高程值和监测点变化量、累计变化量。

4 误差来源

4.1 工作基点

工作基点因为位于暗挖段附近，不可保证在施工过程中不被破坏或位置绝对不发生变化,因此定期需对工作基点进行复核。GZ01’、GZ02’采用张贴监测条码的方式且与车站内基准点不在同一高度，因此工作基点复核时应对分别位于同一根中立柱上的工作基点GZ01、GZ02进行测量，即采用JZ01—GZ01—GZ02—JZ02—JZ03的线路模式进行水准测量。通过对GZ01、GZ02的测量，可判断GZ01’、GZ02’的稳定性。当发现工作基点高程发生变化或破坏时，可通过其他控制点及时进行修正及修复。

4.2 铟钢尺悬挂

铟钢尺在悬挂过程中可能倾斜，为减少悬挂误差，监测人员在悬挂铟钢尺后，首先检查装置中不锈钢球是否能自由活动，其次检查铟钢尺气泡是否居中，最后用水准仪竖丝检查铟钢尺是否垂直。确认铟钢尺垂直静止后方可进行监测。

4.3 高差观测

倒铟钢尺法监测采用中间位置设站方式，直接后视工作基点、前视观测监测点进行测量，最大限度减少测量线路累计传递误差及水准仪i角误差；全站仪三角高程传递法观测本质为竖直角和斜距的观测，斜距观测时应进行温度、湿度、气压的改正；竖直角观测则通过多测回取均值的方式减少误差[5]。

4.4 仪器设备

暗挖段施工环境差、湿度高、灰尘大、恶劣环境不可避免地对监测仪器造成影响；铟钢尺尺套为精密部件，相当于一个固定常数，在监测实施中一旦发生损伤破坏，都会造成较大数据误差。因此监测仪器设备的保养及管理显得尤其重要。

4.5 数据分析

暗挖工程的安全与否不能只通过暗挖拱顶沉降这个单一数据的变化来判断，还需要对其他监测数据进行统一分析，如既有线车站内的道床结构竖向、水平向位移数据，道床左右、纵向差异沉降数据，暗挖段型钢轴力数据、暗挖段净空收敛数据等。

5 结论

1）变形监测点将暗挖段测倒尺法监测挂钩和三角高程传递法反射贴片监测点合二为一，避免重复布点，环境适应强；铟钢尺尺套可以较好地保证监测精度、减少误差，满足暗挖段拱顶沉降监测相关要求。

2）两套高程系统可以较好地解决暗挖段监测面与基准点不在同一高程面上的问题；工作基点定期复核可有效减小工作基点误差，提高测量精度；通过调整水准仪架设位置，改变传统水准观测线路，采用直接观测单个监测点的模式，可以有效减小监测线路传递误差及水准仪i角误差。

3）全站仪三角高程传递法观测过程中，采用强制对中盘和固定小棱镜形式布设基准网，降低了人为对中误差；采用高程传递，无需量取仪器高和棱镜高，降低人为量取误差；观测中测量温度、湿度、气压等参数，同时多次观测取均值，提高了观测精度。

4）采用测倒铟钢尺法和三角高程传递法组合监测方案进行暗挖拱顶沉降监测，操作性和环境适应性强，保证了测量精度又增加了复核条件。该技术可为类似下穿既有线车站及采用CD、CRD、台阶法施工矿山法隧道等工程拱顶沉降监测提供技术参考。