兰州轨道交通1号线结构状态变形监测及评估研究

刘海军

(兰州市轨道交通有限公司运营分公司，甘肃兰州730000)

1 背景及概况

1.1 工程概况

兰州市轨道交通1 号线一期工程线路长约25.8km，皆为地下线，区间隧道（不含出入线）20.5km（双延米），共设车站20 座。其中盾构法段17.7km（占86%），矿山法段2.0km（占10%），明挖法段0.8km（占4%）。

1.2 气象条件

兰州区域内气候属于中温带半干旱大陆性季风气候。四季分明，春秋季较短，夏季较热，冬季较长且寒冷而干燥。 全年降雨量偏少，平均降雨量287.6mm，且分布不平衡，降雨主要集中在7、8、9月。

1.3 地质条件

兰州市区属于河谷地形，南侧为大兰山及马衔山构成的抬升地貌，北侧为白塔山和九州台及其周缘丘陵地带，中间黄河穿城而过。市区平均海拔1500m，而南北两侧山地海拔为2500m，形成两山夹一河的地貌特征。兰州市东部的东岗地区和西部的西固地区，为第三系红层隆起，第四系覆盖层较薄，新近系砂岩、泥岩构成了兰州断陷盆地的基底。

1.4 区域水文

勘察场区属黄河干流水系。主要有黄河干流及其支流西果园沟、黄峪沟、雷坛河等。市区其余小型沟谷均为季节性沟谷，遇暴雨产生洪水或泥石流。

1.5 特殊性岩土

特殊性岩土包括湿陷性黄土、人工填土和膨胀岩。湿陷性黄土主要为黄土状土，分部在黄河一、二级阶地，一级阶地黄土状土厚不足10m，多为Ⅰ～Ⅱ级非自重湿陷性场地，西客站一带最厚可达15m;二级阶地黄土状土厚度10～15m，为Ⅱ～Ⅲ级自重湿陷性场地，部分段落具Ⅳ级自重湿陷性。人工填土，分部于城区地表、道路路基、基坑回填、洼地回填及填滩造地区等，为城市发展所致。膨胀岩：兰州市轨道交通1 号线陈官营一带下伏的上第三系泥岩属软质岩石，具弱膨胀性，自由膨胀率41%～50%，蒙脱石含量12.7%～14.5%，阳离子交换量113～178mmol/kg，属弱膨胀岩。

1.6 不良地质

不良地质主要包括地震液化、人为坑洞和泥石流。兰州市液化的土层一般分布于阶地卵石层顶部的粉细砂层及水位以下的粉土层，多以薄层或透镜体状分布，局部具液化性，对该工程影响不大。主要为城区防空洞及黄河河边采砂挖砂形成的空洞，空洞及洞穴一般无充填或充填一般，稳定性差。该工程主要位于主城区道路地下，距排洪沟较远，泥石流沟对该工程影响较小。

2 监测项目及布点方式

结合兰州1 号线水文条件、气象条件、地质条件及周边环境，参考监测规范要求，主要监测项目为基准网监测、垂直位移监测、隧道收敛监测、网架挠度监测和隧道水平位移监测五部分。现场测点布设不同结构形式、不同地质类型，重点病害处所采取针对性布点方式。对以下部位进行重点监测，掌握变形情况：一是隧道与车站连接处；二是不同工法隧道连接处；三是隧道联络通道位置；四是不良地质地段；五是穿黄地段；六是外部施工影响地段；七是结构变形缝位置。

2.1 监测项目

第一，基准网监测在每期监测工作开展前，以水准深埋基准点，布设监测基准网进行施测，并联测车站外深埋点。

第二，垂直位移监测主要包括全线垂直位移监测、差异沉降监测和段场建（构）筑物沉降监测这三大部分。全线垂直位移监测包括地下车站主体结构、盾构法隧道、明挖法隧道、暗挖法隧道、联络通道。差异沉降监测包括车站与隧道交接处以及隧道与旁通道的交接处。段场建（构）筑物沉降监测包括综合楼、列检库、内燃机车库等车辆基地主要建筑物的沉降。

第三，隧道收敛监测是对盾构法施工的衬砌圆隧道的水平向直径进行监测。

第四，网架挠度监测主要是对大面积单体建筑物屋面的钢网架结构在竖直方向上的变形进行监测。

第五，隧道水平位移监测是根据地铁周边施工影响对隧道的水平位移进行监测。

2.2 布点方式

2.2.1 垂直位移监测点埋设

垂直位移监测点埋设分为隧道部分和基地附属房屋部分。

（1）隧道部分

地下车站测点布设在道床上，每个车站不大于50m设一监测断面，每断面左、右线各布设1 个沉降监测点。盾构隧道测点布设在道床上，每20 环布设一个监测点。矩形隧道测点布设在道床上，每30m布设一个监测点。联络通道及对应隧道上下行区间设3 个监测点。区间隧道内的布点如有特殊情况，可适当加密。在不同结构形式的交接处，每侧各设置一个监测点，用于进行差异沉降监测。

（2）基地附属房屋部分

车辆段附属房屋：点位宜布设在建筑物的四角、大转角处及沿外墙每30m 处或每隔2～3 根柱基上，高低层建筑、纵横墙等交接处的两侧，建筑裂缝、后浇带和沉降缝两侧，监测点宜对称布置。

2.2.2 直径收敛监测点每40 环布设一个断面，水平收敛测点与沉降测点布设在同一断面上。

2.2.3 水平位移监测点根据现场调查，目前兰州轨道交通1 号线周边有四个项目正在施工，分别为迎门滩附属人防项目、西关附属人防项目、中央商务区项目和东方红广场改造项目。针对这四个项目基坑正投影区域进行水平位移监测点的布设。隧道水平位移监测：基坑支护边线范围内对应的隧道每20m 布设1 个监测点，且两端各外扩2 个点，每20m 布设1 个监测点。

3 测量基准

根据兰州市轨道交通1 号线一期工程结构状态变形监测及评估项目的实际情况和要求，本监测项目的测量基准采用如下的标准。

高程控制系统采用旧大沽高程系统，首次基准网高程系统的建立采用“中山桥基”和“迎门滩基”深埋基准点作为高程起算点，整个高程控制网进行两次往返观测，确定“东岗基”深埋基准点的高程。一等水准网将联测“中山桥基”“东岗基”和“迎门滩基”深埋基准点。

高程控制网按两级控制的原则布设。以深埋基准点为起算点，沿地铁线路及车站附近布设若干工作基点，深埋基准点和工作基点组成首级监测控制网（基准网）。垂直位移监测水准路线附合到这些工作基点上，构成沉降监测的次级控制网。

4 技术要求

垂直位移、收敛、挠度和水平位移测量应满足国家和地方各项有关规范、规定的要求。基准网监测按《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897—2006）中国家一等水准要求施测，起算于沿线深埋基准点。垂直位移监测、网架挠度监测根据《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897—2006）中国家二等水准要求施测，附合到工作基点上。隧道收敛监测采用标称精度不低于±1mm 的测距仪，进行4 次独立测量。水平位移监测根据《城市轨道交通工程测量规范》（GB/T 50308—2017）中变形监测二级水平位移要求测量。

5 监测方法

监测项目主要分为基准网监测、垂直位移监测、隧道直径收敛监测、网架挠度和隧道水平位移监测五部分内容。

5.1 基准网监测

首先需建立基准网，为垂直位移监测提供全面的高程控制基准。兰州市轨道交通1 号线沿线既有深埋基准点2 个，新建深埋基准点1 个。首次基准网以“中山桥基”和“迎门滩基”作为起算点，整个高程控制网进行两次往返观测。一等水准网将联测“中山桥基”“东岗基”和“迎门滩基”深埋基准点。监测基准网中工作基点的选取，尽量利用邻近的深基桩和相对稳固的构筑物，布设在不易被破坏的位置。地下车站的水准工作基点可以布设线路附近的高层建筑物或高架柱墩上。由于这些工作基点也会随着时间的推移而出现沉降的现象，所以在布设工作基点时，采用同一位置布设一组两个的形式，其中一个是主点，参与平差计算，另一个作为检查点，用于高差校核。这样保证每个测段都能有四个固定结点，可以进行测段高差校核，也能对工作基点的稳定性进行初步判断分析[1]。

5.2 垂直位移监测

垂直位移监测采用精密水准测量方法。根据《国家一、二等水准测量规范》（GB/T 12897—2006）要求测量，垂直位移监测按二等垂直位移监测网技术要求进行。地下隧道结构沉降监测在上行线、下行线分别布设，并与地面上的沉降基准网监测共同组成三条平行的水准线路。水准节点分别与监测基准网水准点联测。上、下行线的两条水准路线附合于每个区间站台设置的工作基点，构成空间上的闭合水准路线；上下行道床水准线路在旁通道的位置进行联测，这样就形成了多余观测，有效地消除了由于采用不同的水准线路可能带来的水准测量精度范围内的“假性”差异沉降，提高了垂直位移监测的精度。基地附属房屋垂直位移监测网水准线路以CGY-1 和DG-1 为基准点，分别施测房屋的结构特征点，水准线路组成闭合线路[2]。

5.3 隧道收敛监测

管片收敛测量监测对象为盾构隧道的衬砌拼装管片，采用测距仪直接测量的方法，测量盾构隧道环片水平向直径的收敛情况。为使激光测距仪能准确测量隧道的直径，在测距仪的外部安装有配套的仪器支架，测量时能使测距仪固定，使仪器稳定而准确地对准埋设于隧道壁上的对中钉。考虑到激光测距仪测得的距离是器件本身到激光斑点即隧道标志点间的距离，而非实际的管片直径，因此，在实际作业前，还需要在专门的标定场进行标定常数，对激光测距仪测得的数据进行加常数改正。

5.4 网架结构挠度观测

网架挠度监测主要是对运用库、检修库大面积单体建筑物屋面的钢网架结构在竖直方向上的变形进行监测。根据现场踏勘，对运用库、检修库等单体建筑物屋面的钢网架结构所在立柱进行挠度监测点的布设。观测使用Leica DNA03 电子水准仪及其配套因瓦条码水准尺，仪器标称精度为±0.3mm/km，考虑到水准仪i 角大小及稳定性直接关系到沉降测量的成果质量，监测过程中从严控制水准仪i 角角值及i 角检测措施。根据城市轨道交通结构监测的经验，要求观测用的水准仪i 角＜5s，水准测量班组每日出测前检测仪器i 角。为确保免棱镜观测的数据精度，一般要求观测点垂直角＞45o，测点视距不＞30m。测量精度为网架测点高程中误差≤±2mm。

5.5 隧道水平位移监测

隧道水平位移监测是根据地铁周边施工情况对隧道的水平位移进行监测。根据现场调查，目前兰州轨道交通1 号线周边有四个项目正在施工，分别为迎门滩附属人防项目、西关附属人防项目、中央商务区项目和东方红广场改造项目。针对这四个项目基坑正投影区域进行水平位移监测点的布设。建立独立平面直角坐标系，坐标系统X 轴大致与区间隧道平行，Y 轴垂直于X 轴；第一个水平位移监测点处X 坐标值取该点的里程值；为计算方便，Y 值满足所有控制点与观测点坐标值不出现负值即可。基于所建立的平面坐标系，本工程水平位移监测主要为Y 分量的水平位移[3]。

基准网作为平面位移监测的起始依据，要求稳定可靠。在地铁1 号线水平位移监测范围外两端的隧道内各设置一组基准点组。每个基准点组均由6 个L 形小棱镜基准点组成。强制对中基准点为具有防盗避震功能的强制对中支架，棱镜基准点安置固定小棱镜。基准网每次水平位移监测时均进行联测，采用拟稳平差法计算各点坐标值、评定点位精度。每次测量后均应对基准点间的坐标进行比较评定，必要时补设稳定的基准点，摒弃不稳定的个别基准点。检测后基准点坐标平差值与前期使用值之较差为基准点坐标变化量，用△表示（X 方向为△X、Y 方向为△Y，分别评价一个基准点的X 分量、Y 分量）；点位精度的相应坐标分量用mx、my 表示，则稳定性判定标准如下[4]。

5.5.1 mx≥2mm 或my≥2mm 时：认为观测精度不满足要求，需重新进行基准网测量；否则进行以下评判。

5.5.2 当︱△X︱≤2mm 且︱△Y︱≤2mm 时，考虑到测量误差的客观存在，认为点位稳定，采用原用成果不作修正。

5.5.3 当︱△X︱＞4mm 或︱△Y︱＞4mm 时,基准点位移明显，采用修正后的成果。

5.5.4 当4mm≥︱ △X︱＞2mm，︱ △Y︱＜4mm 或4mm≥︱△Y︱＞2mm，︱△X︱＜4mm 时,再次复测确认，若还位于此区间则取均值进行成果更新。

6 监测数据异常的处理措施

6.1 报警值的处理措施

监测过程中当发现某些区段的数据到达监测控制指标所定报警值时，异常区段应加大监测频次。加强监测数据的及时反馈，监测数据异常后马上进行现场巡查，加强变形数据与周边施工、地面荷载变化、隧道内部结构裂纹、渗漏等表象的结合，监测报表进行综合叙述与初步分析。监测数据达到或超过报警值时，除进行计算、对算、复核的数据处理流程外，再次独立进行外业数据检查、数据核算，避免因计算错误发生“谎报”。

6.2 监测过程中隧道结构异常情况的处理

在监测过程中，对隧道结构进行巡视，如有发现隧道结构碎裂、渗水，应立即进行拍照记录，并在第一时间上报。同时，对隧道结构碎裂或渗水的部位进行垂直位移和水平直径收敛加密监测。

6.3 隧道周边存在环境变化情况的处理

在监测过程中，如有发现地铁结构周边环境发生变化，应在第一时间上报。同时，对隧道结构影响范围段的监测频率进行动态调整，对隧道结构的垂直位移和水平直径收敛加密监测。

7 结语

在轨道交通运营过程中，轨道交通主体结构难免会产生形变，城市轨道交通运营单位要参考国家及行业规范，熟悉自身结构特点，结合当地水文条件、地质条件、周边环境等，对主体结构的变形监测采取针对性措施，并进行定期全面监测，避免对运营安全造成影响。特别关注轨道交通范围内外部施工对主体结构的影响，根据影响等级，采用相应监测方法，及时发现结构病害，尽早采取补救措施，确保轨道交通运营安全。