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摘要：地铁铺轨后变形监测是为了掌握地铁沿线由于铺轨后产生的水平位移和竖向位移， 确保地铁路基结构安全和正常运营，建立全线的变形监测体系。文章以深圳地铁铺轨后变形监测为例，给出了地铁变形监测的一整套过程，可为其它地铁变形监测提供依据。
关键词：地铁铺轨；变形监测；数据分析
地铁变形监测包括周边建筑物的监测及地铁主体结构本身的监测。由于地铁开挖深度一般在地下几十米，对周边建筑物监测是为了监测地铁施工或运营对周边建筑物产生的影响，保障周边建筑物的安全。而地铁主体结构的监测又分为地铁施工时的监测及铺轨后的变形监测。本文结合实例，详细介绍了深圳地铁一期工程铺轨后变形监测的详细过程、监测方法及监测结论，以期对未来其他地铁铺轨后的变形监测提出一些建设性的意见。
一、监测目的及工程概况
本次深圳地铁一期工程铺轨后地铁变形监测的目的主要有：建立基于长期变形监测和应用的控制网（点）；及时准确掌握正线范围内隧道的平面位移和沉降状况；为地铁轨道检修及维护，保证地铁正常运行和设备安全提供监测信息；为今后的地铁设计、施工提供资料。为了达到此目的，我们首先应对工程环境进行分析。深圳地铁一期工程主要由两部分组成，即规划的1号线东段和4号线南段，运营线路总长21.598km。1号线东段自罗湖站起至华强路站，所经地面高层建筑林立、交通繁忙，其路线多次穿越高层建筑的桩基础，施工难度很大；4号线所经地区主要是现正在开发建设中的深圳市中心区，道路宽阔。地铁工程线路穿过海积、海冲积、冲积平原和台地等多种地貌单元，沿线地质条件变化较大，覆盖层总厚度由不足4m至30m以上。基岩面起伏较大，主要为花岗岩。另外，地铁线路多穿过第四系残积层及花岗岩全风化带，风化带的顶、底面高程及厚度差异变化极大。地铁沿线分布的特殊土有软土，不良地质现象有砂类土的地震可液化层和断层。由于上覆地层多为砂类土，含水丰富，与断层中的水连通，同时断层破碎带处围岩类别低，与前后基底软硬不均匀。针对此情况，在2003年至2006年三年期间对地铁铺轨后实施了两期位移观测和三期沉降观测。
二、基准点和监测点的布设
基准点是变形监测的基础，因此基准点选择应遵循：基准点位于变形区域外；地质情况良好；不易发生变形的地段。本次就是利用车站已有的相对稳定的控制基标点位作为基准点点位。每个车站左线和右线各3个，共30个。每监测一次都进行一次复测，采用一等水准观测。本次监测点的布设主要遵循的原则有：变形监测点采用铜制的永久性标志，以便后续使用；区间沉降监测点平均距离30m，车站与区间衔接缝两侧设沉降观测点1～2个；平面位移点和沉降点为同一标志，所有位移点均为沉降点；由于是铺轨后监测，在特殊地质地带应加密监测点。
三、观测技术要求与实施
本工程的位移及沉降观测分别采用TCA1800全站仪（方向精度1＂，距离精度2mm+2ppm）和DiNi12电子水准仪（标称精度为0.3mm/km）仪器观测。沉降观测采用电子水准仪和因瓦条码水准标尺自动观测，每站的观测顺序为后—后—前—前的观测方法。技术要求应按：《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》划分的Ⅱ等水准要求进行作业。按国家一等水准测量技术要求作业；水准观测由两车站与其区间左、右线路组成闭合水准路线。水准路线闭合差为0.3
mm（n为测站数），并与控制基标点进行联测；水准测量采用仪器自动记录，水准测量的各项限差都预编在记录程序中，超限时仪器自动报警提醒重测；环线水准采用车站内控制基标（工作点）作为起始点。平面位移监测使用测量机器人TCA1800全站仪，使用武汉大学编制的机载自动化观测软件，实现观测自动化，观测数据处理采用COSA平差软件，并按《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》划分的Ⅱ等平面控制测量要求的精度进行作业，按照国家三等三角测量要求进行观测，如表1所示。控制基标坐标是由中线坐标测设的，中线导线测量全长相对闭合差为1：2万；相当于一级导线（5＂导线）的精度，控制基标是这样测设的；即根据曲线点和控制基标与线路中线的关系，计算出其坐标后，直接按坐标测设，控制基标埋设后，对其进行检测，实测控制基标夹角与设计角度比较不超过8＂（即其测角中误差为±4＂），实测距离与设计距离不超过10mm（边长中误差为5mm），控制基标间的距离曲线部分60m，直线120m，所以控制基标的精度低于中线导线点的精度。而且地铁在施工，有些控制基标在施工过程中被碰砸，造成点位不正确，所以，控制基标的原坐标存在较大误差。考虑到控制基标精度太低，不足以控制三等导线，因此必须建立三等导线独立网。每个区间各布设一条三等闭合导线（以车站的一对基标做起算），重新计算基准点的坐标，这些具有三等精度的，同一系统的基准点做为该区间的变形观测的基准点坐标的起算数据。各个区间的独立网是相互独立的，1号线共建立14个区间独立网。4号线共建立4个区间独立网。
表1 水平位移监测精度要求
四、监测成果与分析
本次监测共有沉降监测点820个、平面位移监测点353个。两期监测数据的平面位移量及三期监测数据的沉降量如图1及图2所示。1号线共进行3期沉降观测，共观测45个水准环线。按水准路线闭合差计算的高差中误差±0.14mm/站。4号线共进行3期沉降观测，每期观测4个环，共12个水准环线。按水准路线闭合差计算的高差中误差±0.16mm/站。全区测角中误差:按闭合导线的方位角闭合差计算的测角中误差1.78”，平均测距中误差0.837mm/站。
经过三年多的时间监测，整条线路上存在明显的沉降变化：
（1）大剧院～科学馆区间：呈上升趋势，小部分下沉，沉降不太均匀，最大下沉量-3.3mm，最大上升量为9.5mm。该区间隧道大部位于砾沙层，工程性质较差（空隙比大，含水量高），勘探期间地下水埋深2.5～6m，属中等复杂场地，预计隧道的沉降（上升）过程没有停止，建议继续监测。
（2）岗厦～会展中心区间：最大下沉量-13.0mm，最大上升量为+4.3mm。该区间隧道洞身范围内地层主要为人工堆积素填土，全新统冲积粉质粘土、淤泥质粉质粘土、中沙、粗沙，工程等级为Ⅰ、Ⅱ类围岩，工程地质条件较差，是产生沉降的原因之一。场地地下水主要赋存于第四系粘土、砂层和残积层中，具强透水性，勘探期间地下水埋深2.8～4.9m。由于铺轨后左、右线隧道的沉降量较大，今后需加强跟踪监测。
（3）购物公园站控制基标点最大下沉量-9.6mm，平均沉降量-7.2mm。本站沉降量大，且不均匀。车站洞身底部位于第四系中等压缩残积层中，地基承载力标准值fk=280KPa，洞身、洞顶一般为冲积粘性土和砂层及人工堆积层，岩性较松散，自稳性差，该车站工程地质条件较差，建议跟踪监测。
观察1、4号线全线的位移变化量可知，变形活动没有停止，根据具体区间和车站的地质情况和变形监测结果，提出有关变形预报：
（1）大剧院～科学馆区间
该区间隧道大部位于砾沙层，工程性质较差，在今后的运营期间及丰、枯雨季节受地下水的影響，还可能产生变形值。
（2）华强路～岗厦区间
区间隧道的持力层多为花岗岩全风化、强风化带及残积层，且分布不均匀，工程等级分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，工程地质条件较差。地下水埋深2.0～6.9m，主要赋存于第四系砂层，由于洞身基底岩性不均匀，地承载力有差异，预计该区间在运营期间可能还将产生少量的变形值。
（3）岗厦～会展中心区间
该区间隧道洞身范围内地层，工程地质条件较差，预计该区间今后的运营期间及丰、枯雨季节还将存在变形值。
（4）会展中心站
该车站洞身底部位于第四系中等压缩的残积层中，地基承载力标准值fk=220KPa，洞身洞顶一般为冲积粘性土和砂层，软土和地震液化层对洞身稳定性具有一定的影响，车站的工程地质条件较差，预计该站由于是双层车站，在运营期间及丰、枯雨季节，还可能产生变形值，主要是不均匀沉降值。
四、结语
1．沉降观测数据为地铁安全施工提供一个重要依据， 因而具有十分重要意义。监测项目中建（构）筑物沉降、裂缝、地表沉降， 直接用来评价地铁施工对周边环境的影响程度。
2．经过两期的位移观测和三期的沉降观测，观测数据表明，地铁1号线和4号线都存在着位移和沉降。沉降量与地下水存在多少有明显的关系。1号线第二次沉降观测时间为3月初至5月底，正是春雨季节，地下水位在恢复期，道床上升，所以1～2期时段中地铁隧道表现为上升，第三次观测时间为9月至10月，为秋天少雨季节，地下水位的恢复已完成，道床下沉，所以2～3期时段中车站及隧道表现为下降。
3．严格按照方案的设计进行监测，对敏感监测点进行重点监测，随时观测其变化。当监测变形值接近或达到极限（报警值）时，要充分考虑施工的实际情况，进行综合分析，及时准确地把握位移的发展趋势，提出切实可行的对策，以超前意识全面地指导施工，使重大建筑工程保质、保量、安全地顺利实施。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：地铁铺轨；变形监测；数据分析
地铁变形监测包括周边建筑物的监测及地铁主体结构本身的监测。由于地铁开挖深度一般在地下几十米，对周边建筑物监测是为了监测地铁施工或运营对周边建筑物产生的影响，保障周边建筑物的安全。而地铁主体结构的监测又分为地铁施工时的监测及铺轨后的变形监测。本文结合实例，详细介绍了深圳地铁一期工程铺轨后变形监测的详细过程、监测方法及监测结论，以期对未来其他地铁铺轨后的变形监测提出一些建设性的意见。
一、监测目的及工程概况
本次深圳地铁一期工程铺轨后地铁变形监测的目的主要有：建立基于长期变形监测和应用的控制网（点）；及时准确掌握正线范围内隧道的平面位移和沉降状况；为地铁轨道检修及维护，保证地铁正常运行和设备安全提供监测信息；为今后的地铁设计、施工提供资料。为了达到此目的，我们首先应对工程环境进行分析。深圳地铁一期工程主要由两部分组成，即规划的1号线东段和4号线南段，运营线路总长21.598km。1号线东段自罗湖站起至华强路站，所经地面高层建筑林立、交通繁忙，其路线多次穿越高层建筑的桩基础，施工难度很大；4号线所经地区主要是现正在开发建设中的深圳市中心区，道路宽阔。地铁工程线路穿过海积、海冲积、冲积平原和台地等多种地貌单元，沿线地质条件变化较大，覆盖层总厚度由不足4m至30m以上。基岩面起伏较大，主要为花岗岩。另外，地铁线路多穿过第四系残积层及花岗岩全风化带，风化带的顶、底面高程及厚度差异变化极大。地铁沿线分布的特殊土有软土，不良地质现象有砂类土的地震可液化层和断层。由于上覆地层多为砂类土，含水丰富，与断层中的水连通，同时断层破碎带处围岩类别低，与前后基底软硬不均匀。针对此情况，在2003年至2006年三年期间对地铁铺轨后实施了两期位移观测和三期沉降观测。
二、基准点和监测点的布设
基准点是变形监测的基础，因此基准点选择应遵循：基准点位于变形区域外；地质情况良好；不易发生变形的地段。本次就是利用车站已有的相对稳定的控制基标点位作为基准点点位。每个车站左线和右线各3个，共30个。每监测一次都进行一次复测，采用一等水准观测。本次监测点的布设主要遵循的原则有：变形监测点采用铜制的永久性标志，以便后续使用；区间沉降监测点平均距离30m，车站与区间衔接缝两侧设沉降观测点1～2个；平面位移点和沉降点为同一标志，所有位移点均为沉降点；由于是铺轨后监测，在特殊地质地带应加密监测点。
三、观测技术要求与实施
本工程的位移及沉降观测分别采用TCA1800全站仪（方向精度1＂，距离精度2mm+2ppm）和DiNi12电子水准仪（标称精度为0.3mm/km）仪器观测。沉降观测采用电子水准仪和因瓦条码水准标尺自动观测，每站的观测顺序为后—后—前—前的观测方法。技术要求应按：《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》划分的Ⅱ等水准要求进行作业。按国家一等水准测量技术要求作业；水准观测由两车站与其区间左、右线路组成闭合水准路线。水准路线闭合差为0.3
mm（n为测站数），并与控制基标点进行联测；水准测量采用仪器自动记录，水准测量的各项限差都预编在记录程序中，超限时仪器自动报警提醒重测；环线水准采用车站内控制基标（工作点）作为起始点。平面位移监测使用测量机器人TCA1800全站仪，使用武汉大学编制的机载自动化观测软件，实现观测自动化，观测数据处理采用COSA平差软件，并按《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》划分的Ⅱ等平面控制测量要求的精度进行作业，按照国家三等三角测量要求进行观测，如表1所示。控制基标坐标是由中线坐标测设的，中线导线测量全长相对闭合差为1：2万；相当于一级导线（5＂导线）的精度，控制基标是这样测设的；即根据曲线点和控制基标与线路中线的关系，计算出其坐标后，直接按坐标测设，控制基标埋设后，对其进行检测，实测控制基标夹角与设计角度比较不超过8＂（即其测角中误差为±4＂），实测距离与设计距离不超过10mm（边长中误差为5mm），控制基标间的距离曲线部分60m，直线120m，所以控制基标的精度低于中线导线点的精度。而且地铁在施工，有些控制基标在施工过程中被碰砸，造成点位不正确，所以，控制基标的原坐标存在较大误差。考虑到控制基标精度太低，不足以控制三等导线，因此必须建立三等导线独立网。每个区间各布设一条三等闭合导线（以车站的一对基标做起算），重新计算基准点的坐标，这些具有三等精度的，同一系统的基准点做为该区间的变形观测的基准点坐标的起算数据。各个区间的独立网是相互独立的，1号线共建立14个区间独立网。4号线共建立4个区间独立网。
表1 水平位移监测精度要求
四、监测成果与分析
本次监测共有沉降监测点820个、平面位移监测点353个。两期监测数据的平面位移量及三期监测数据的沉降量如图1及图2所示。1号线共进行3期沉降观测，共观测45个水准环线。按水准路线闭合差计算的高差中误差±0.14mm/站。4号线共进行3期沉降观测，每期观测4个环，共12个水准环线。按水准路线闭合差计算的高差中误差±0.16mm/站。全区测角中误差:按闭合导线的方位角闭合差计算的测角中误差1.78”，平均测距中误差0.837mm/站。
经过三年多的时间监测，整条线路上存在明显的沉降变化：
（1）大剧院～科学馆区间：呈上升趋势，小部分下沉，沉降不太均匀，最大下沉量-3.3mm，最大上升量为9.5mm。该区间隧道大部位于砾沙层，工程性质较差（空隙比大，含水量高），勘探期间地下水埋深2.5～6m，属中等复杂场地，预计隧道的沉降（上升）过程没有停止，建议继续监测。
（2）岗厦～会展中心区间：最大下沉量-13.0mm，最大上升量为+4.3mm。该区间隧道洞身范围内地层主要为人工堆积素填土，全新统冲积粉质粘土、淤泥质粉质粘土、中沙、粗沙，工程等级为Ⅰ、Ⅱ类围岩，工程地质条件较差，是产生沉降的原因之一。场地地下水主要赋存于第四系粘土、砂层和残积层中，具强透水性，勘探期间地下水埋深2.8～4.9m。由于铺轨后左、右线隧道的沉降量较大，今后需加强跟踪监测。
（3）购物公园站控制基标点最大下沉量-9.6mm，平均沉降量-7.2mm。本站沉降量大，且不均匀。车站洞身底部位于第四系中等压缩残积层中，地基承载力标准值fk=280KPa，洞身、洞顶一般为冲积粘性土和砂层及人工堆积层，岩性较松散，自稳性差，该车站工程地质条件较差，建议跟踪监测。
观察1、4号线全线的位移变化量可知，变形活动没有停止，根据具体区间和车站的地质情况和变形监测结果，提出有关变形预报：
（1）大剧院～科学馆区间
该区间隧道大部位于砾沙层，工程性质较差，在今后的运营期间及丰、枯雨季节受地下水的影響，还可能产生变形值。
（2）华强路～岗厦区间
区间隧道的持力层多为花岗岩全风化、强风化带及残积层，且分布不均匀，工程等级分别为Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ级，工程地质条件较差。地下水埋深2.0～6.9m，主要赋存于第四系砂层，由于洞身基底岩性不均匀，地承载力有差异，预计该区间在运营期间可能还将产生少量的变形值。
（3）岗厦～会展中心区间
该区间隧道洞身范围内地层，工程地质条件较差，预计该区间今后的运营期间及丰、枯雨季节还将存在变形值。
（4）会展中心站
该车站洞身底部位于第四系中等压缩的残积层中，地基承载力标准值fk=220KPa，洞身洞顶一般为冲积粘性土和砂层，软土和地震液化层对洞身稳定性具有一定的影响，车站的工程地质条件较差，预计该站由于是双层车站，在运营期间及丰、枯雨季节，还可能产生变形值，主要是不均匀沉降值。
四、结语
1．沉降观测数据为地铁安全施工提供一个重要依据， 因而具有十分重要意义。监测项目中建（构）筑物沉降、裂缝、地表沉降， 直接用来评价地铁施工对周边环境的影响程度。
2．经过两期的位移观测和三期的沉降观测，观测数据表明，地铁1号线和4号线都存在着位移和沉降。沉降量与地下水存在多少有明显的关系。1号线第二次沉降观测时间为3月初至5月底，正是春雨季节，地下水位在恢复期，道床上升，所以1～2期时段中地铁隧道表现为上升，第三次观测时间为9月至10月，为秋天少雨季节，地下水位的恢复已完成，道床下沉，所以2～3期时段中车站及隧道表现为下降。
3．严格按照方案的设计进行监测，对敏感监测点进行重点监测，随时观测其变化。当监测变形值接近或达到极限（报警值）时，要充分考虑施工的实际情况，进行综合分析，及时准确地把握位移的发展趋势，提出切实可行的对策，以超前意识全面地指导施工，使重大建筑工程保质、保量、安全地顺利实施。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。