區(qū)域差異沉降對城市軌道交通工程的影響研究

李文雅 趙秀琴

（中鐵第六勘察設(shè)計院集團(tuán)有限公司，天津 300038）

城市軌道交通工程具有線路較長，跨區(qū)域較大，施工周期長，各車站、區(qū)間開工節(jié)點存在差異等特點。區(qū)域的差異沉降使軌道交通工程產(chǎn)生質(zhì)量隱患，當(dāng)區(qū)域沉降差異達(dá)到一定程度，容易造成不同期作業(yè)面出現(xiàn)錯臺，導(dǎo)致影響盾構(gòu)接收、結(jié)構(gòu)的侵限等問題。為了確保軌道交通工程的施工質(zhì)量，國內(nèi)外學(xué)者對城市區(qū)域差異沉降及其對軌道交通工程和鐵路工程的影響和應(yīng)對措施進(jìn)行了研究。李政[1]以京雄鐵路為例采用InSAR技術(shù)對鐵路沿線的區(qū)域進(jìn)行區(qū)域不均勻沉降的定量分析，提出了通過調(diào)整高程控制網(wǎng)復(fù)測頻率減少沉降對施工的影響。尚金光等[2]以段高鐵實例為研究樣本，對區(qū)域的自然沉降和工程本身的沉降進(jìn)行對比量化分析，并進(jìn)行判別，指出了沉降與基準(zhǔn)點的埋設(shè)深度關(guān)系，提出從沉降測量方法和數(shù)據(jù)處理兩個方面進(jìn)行評估區(qū)域沉降和工程沉降。劉運明[3]以北京軌道交通14號線工程為例進(jìn)行分析，以地面沉降對貫通誤差的影響，總結(jié)區(qū)域地面沉降對地鐵施工期間的影響并提出施工測量的應(yīng)對措施。張會[4]以于廣州地鐵工程某標(biāo)段為例，分析區(qū)域沉降地質(zhì)災(zāi)害對車站、車站與區(qū)間的銜接、區(qū)間等的影響并制定了相應(yīng)的改進(jìn)措施以保證軌道交通工程施工安全。汪寶存等[5]對鄭州市2007—2017年的合成孔徑雷達(dá)、人工監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，從時間、空間角度研究了城中村的發(fā)展與鄭州市地面沉降的演變規(guī)律。王愛國[6]通過對監(jiān)測區(qū)域的三種沉降監(jiān)測方式數(shù)據(jù)進(jìn)行融合對比，結(jié)合鄭州市的地質(zhì)構(gòu)造、斷裂帶、地下水開采等資料，進(jìn)行了鄭州市區(qū)域沉降與水文地質(zhì)的解讀。吳振國[7]分析了區(qū)域沉降對軌道交通工程的影響并結(jié)合工程實例從優(yōu)化線路結(jié)構(gòu)、地下線埋深、高架段不同樁深等措施出發(fā)，減弱區(qū)域沉降對軌道交通的影響。

區(qū)域的差異沉降容易在軌道交通的建設(shè)中造成錯臺、侵限、銜接不上、盾構(gòu)接收偏差等影響，易被忽視[8-15]。文章以于鄭州市軌道交通4號線工程為例，對線路所在區(qū)域的不均勻沉降進(jìn)行分析，提出區(qū)域差異沉降在軌道交通工程建設(shè)中的應(yīng)對措施。

1 鄭州地鐵4號線區(qū)域的差異沉降

隨著城市的發(fā)展，地面沉降這種不良地質(zhì)問題日益突出[5]。2006—2013年鄭州市沉降主要分布在北部、東北部、東部以西地區(qū)、南部地區(qū)等4個地區(qū)[6]，2013—2016年，北部和東部沉降區(qū)域合并為一個沉降區(qū)，南部沉降區(qū)域沉降速率逐漸放緩，2016—2017年北部沉降區(qū)域放緩，整體沉降趨勢向東部、西部和南部的郊外擴(kuò)展[5]。鄭州市軌道交通4號線呈數(shù)字“7”字形分布，西北起于惠濟(jì)區(qū)江山路以西老鴉陳站，途經(jīng)金水區(qū)，東南止于南四環(huán)以北管城回族區(qū)郎莊站。龍湖段市政配套工程（龍湖島站、副CBD內(nèi)環(huán)路、鑫融路站）于2012年7月開工，鄭州地鐵4號線全線開工時間為2017年3月1日。在全面開工后根據(jù)沉降差異，將鄭州地鐵4號線劃分為3個沉降區(qū)域，Ⅰ、Ⅱ區(qū)域位于北部沉降區(qū)，三個區(qū)域按沉降速率排序為Ⅱ＞Ⅰ＞Ⅲ。鄭州地鐵4號線沉降區(qū)域劃分如圖1所示。

圖1 鄭州地鐵4號線沉降區(qū)域劃分

2017年3月及2019年1月觀測龍湖島站加密高程及底板沉降量如圖2所示。

圖2 龍湖島站加密高程及底板沉降量

龍湖段市政配套工程，位于Ⅱ區(qū)域，由于開工時間不同，高程為不同期的數(shù)據(jù)，以龍湖島站為例，于2014年3月完成全部底板澆筑，2017年全線開工后，龍湖島站主體結(jié)構(gòu)已經(jīng)完工，全線進(jìn)行復(fù)測更新高程成果后，對龍湖島站附近的水準(zhǔn)點及車站的底板結(jié)構(gòu)標(biāo)高進(jìn)行測量，2019年1月在施作站臺板前，對底板結(jié)構(gòu)標(biāo)高進(jìn)行了沉降的觀測，與2017年3月的加密高程水準(zhǔn)點、底板結(jié)構(gòu)沉降進(jìn)行對比分析。

2017年1月—2019年3月的鄭州市地鐵4號線軌道二等高程控制網(wǎng)累計沉降曲線以及面精密水準(zhǔn)成果變化趨勢如圖3、圖4所示。

圖3 2017年1月—2019年3月的鄭州市地鐵4號線軌道二等高程控制網(wǎng)累計沉降曲線

圖4 2017年1月—2019年3月的鄭州市地鐵4號線地面精密水準(zhǔn)成果變化趨勢

對比兩期的觀測數(shù)據(jù)，第一階段2014～2017年加密高程點每年平均沉降量在[-30,-20] mm，車站底板結(jié)構(gòu)沉降量在[-50,-30] mm，主體結(jié)構(gòu)完工后第二階段2017年—2019年加密高程點每年平均沉降量在[-20,-12] mm，車站底板結(jié)構(gòu)沉降量在[-30,-20] mm，車站結(jié)構(gòu)的沉降量略大于加密高程點的沉降量。同樣第一階段的沉降大于第二階段的沉降量，地下水的開采與地面沉降有一定的關(guān)系，可能原因為主體施工階段及周邊市政配套的建設(shè)基坑降水導(dǎo)致第一段的沉降大于第二階段。

根據(jù)2017—2019年的鄭州市地鐵4號線高程控制網(wǎng)復(fù)測的數(shù)據(jù)統(tǒng)計，結(jié)合軌道二等高程控制網(wǎng)及精密水準(zhǔn)王的復(fù)測的歷時曲線變化，Ⅰ區(qū)域地面沉降速率為[-15,-10] mm/a，Ⅱ區(qū)域地面沉降速率為[-50,-12] mm/a，Ⅲ區(qū)域地面沉降速率為-10 mm/a之內(nèi)。

2 區(qū)域差異沉降對軌道交通工程建設(shè)的影響分析

2.1 對車站的影響及措施

車站施工周期較長，存在分期施工的影響，在主體結(jié)構(gòu)施工期間出現(xiàn)了沉降，一般車站附近的水準(zhǔn)點和加密高程點也隨著一塊沉降，如對高程控制點進(jìn)行了更新，按更新后的控制點進(jìn)行施工則會出現(xiàn)錯臺現(xiàn)象，在軌頂風(fēng)道和站臺板施工時，容易造成結(jié)構(gòu)的侵限，后期若未進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡將導(dǎo)致列車無法通行或站臺高度與列車車門高度不匹配。

某站在站臺板和軌頂風(fēng)道施工前對控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，發(fā)現(xiàn)車站底板控制點A（原有高程為a）下沉5 cm，站臺底部與車站底板控制點原有設(shè)計高差為H1=b-a，如果采用最新高程A=a-5，按原有的設(shè)計標(biāo)高施制作站臺板，在不考慮施工誤差條件下施做后的站臺底部與車站底板控制的高差H2=b-(a-5)，H2-H1=5 cm。在施工軌頂風(fēng)道時候也會出現(xiàn)原有的結(jié)構(gòu)尺寸關(guān)系與設(shè)計文件不相符。施工期間不同位置所受荷載存在差異且不斷變化，車站結(jié)構(gòu)沉降和地表控制點沉降存在差異，若始終采用地表控制點舊有高程成果進(jìn)行施工，將對施工造成影響。在進(jìn)行第一塊底板結(jié)構(gòu)澆筑時，應(yīng)以鋼筋籠上方預(yù)埋底板高程控制點作為后期施工的高程基準(zhǔn)點，不進(jìn)行高程數(shù)據(jù)更新，使后續(xù)完成的結(jié)構(gòu)基準(zhǔn)與第一塊底板的施工基準(zhǔn)保持一致，主體結(jié)構(gòu)施工完成后與鋪軌前，進(jìn)行高程更新，采用最新的高程成果進(jìn)行斷面結(jié)構(gòu)的測量，方便后期的調(diào)線調(diào)坡。矩形車站橫斷面如圖5所示。

圖5 矩形車站橫斷面

2.2 對區(qū)間的影響影響及措施

區(qū)間施工一般在車站主體或者豎井施工完畢，強(qiáng)度滿足盾構(gòu)始發(fā)或暗挖要求后進(jìn)行，由于地面的不均勻沉降，造成盾構(gòu)始發(fā)站和接收的車站存在差異沉降，需要在盾構(gòu)始發(fā)和接收階段對盾構(gòu)鋼環(huán)進(jìn)行復(fù)核，如車站副CBD內(nèi)環(huán)路在主體結(jié)構(gòu)施工時將盾構(gòu)鋼環(huán)預(yù)埋至主體結(jié)構(gòu)中，在準(zhǔn)備盾構(gòu)前對盾構(gòu)鋼環(huán)的圓心進(jìn)行復(fù)核，副CBD內(nèi)環(huán)路洞門圓心高程與設(shè)計值偏差-72 mm，若按照原有的設(shè)計豎曲線進(jìn)行盾構(gòu)，則盾構(gòu)機(jī)無法順利始發(fā)進(jìn)洞，應(yīng)在盾構(gòu)始發(fā)前及時與設(shè)計單位溝通，重新對設(shè)計圖紙的豎曲線進(jìn)行調(diào)整，滿足盾構(gòu)始發(fā)條件。盾構(gòu)區(qū)間縱剖面如圖6所示。

圖6 盾構(gòu)區(qū)間縱剖面

城市軌道交通區(qū)間一般為1 km左右，長大區(qū)間可達(dá)3 km，對于長大區(qū)間一般盾構(gòu)施工周期較長，如果始發(fā)和接收兩個車站存在差異沉降，且兩個車站地表高程控制未及時聯(lián)測更新高程數(shù)據(jù)，將影響盾構(gòu)的接收，盾構(gòu)機(jī)可能會緊貼鋼環(huán)邊緣出洞，嚴(yán)重時會破壞鋼環(huán)導(dǎo)致無法順利出洞。

在盾構(gòu)接收前100環(huán)或在施工貫通面150 m左右，對地面高程控制網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測，并保證對兩個車站地面高程點進(jìn)行聯(lián)測，如果兩個車站的區(qū)域同時沉降且差異沉降較小，則按照盾構(gòu)始發(fā)測量的高程成果繼續(xù)掘進(jìn)，不進(jìn)行高程成果更新。當(dāng)兩個車站存在差異沉降，則需要更新高程成果，對接收的盾構(gòu)鋼環(huán)進(jìn)行復(fù)核，根據(jù)接收洞門的實際位置及時緩慢地對盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)進(jìn)行調(diào)整，保證區(qū)間順利貫通。

2.3 對附屬結(jié)構(gòu)施工的影響

在車站主體結(jié)構(gòu)施工完成后再進(jìn)行附屬結(jié)構(gòu)施工。采用新高程數(shù)據(jù)將造成附屬與主體的銜接出現(xiàn)錯臺，影響施工質(zhì)量。在附屬結(jié)構(gòu)施工時應(yīng)采用原有車站的底板高程控制點作為起算點，將底板高程控制點成果引用至附屬結(jié)構(gòu)施工，保證附屬結(jié)構(gòu)與主體結(jié)構(gòu)的銜接部位在同一高程。

2.4 對鋪軌、裝修階段的影響

軌道施工前應(yīng)對全線高程進(jìn)行復(fù)測更新，保證高程在同一基準(zhǔn)，對軌行區(qū)結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行測量，并進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡處理。在鋪軌階段比較容易忽視的部位是車輛段和停車場，車輛段、停車場土建施工階段采用最初的控制點高程，無特殊情況不進(jìn)行更新處理，如鋪軌施工階段未進(jìn)行結(jié)構(gòu)復(fù)核，鋪軌采用最新高程值進(jìn)行放樣，將導(dǎo)致檢修墩與軌道高程不匹配。在施工后期各工作面交叉作業(yè)，軌頂風(fēng)道、站臺施工，鋪軌施工、機(jī)電安裝、裝修施工同時進(jìn)行，常出現(xiàn)站臺高度與地鐵列車門高度不統(tǒng)一，接觸網(wǎng)安裝后凈空不滿足設(shè)計要求等情況。參建單位在施工過程中應(yīng)重點關(guān)注，統(tǒng)一作業(yè)高程基準(zhǔn)。城市軌道交通工程鋪軌階段普遍采用任意設(shè)站控制網(wǎng)，鋪軌和裝修階段采用統(tǒng)一任意設(shè)站控制網(wǎng)高程基準(zhǔn)，確保限界滿足工程要求，復(fù)核數(shù)據(jù)的真實性，及時地調(diào)整設(shè)計文件，保證后期運營的安全。

3 施工期間的測量

軌道交通工程的施工周期較長，對于有經(jīng)驗的軌道交通控制測量檢測單位（第三方測量單位），在軌道交通工程施工過程中，加大了區(qū)域控制網(wǎng)的復(fù)測頻率，增加了人工成本，很難做到高程控制點數(shù)據(jù)及時更新。針對鄭州4號線控制點高程和已完工結(jié)構(gòu)的持續(xù)沉降問題，提出解決思路。

按照常規(guī)的控制網(wǎng)復(fù)測流程，如發(fā)現(xiàn)控制點沉降，應(yīng)及時更新高程成果，針對4號線文章提出在不同的施工階段采取相對高程進(jìn)行施工，即“土建施工階段起算唯一性、貫通之后統(tǒng)一調(diào)整”的思路。如果車站和區(qū)間均沉降較大的Ⅱ區(qū)域，在主體結(jié)構(gòu)和附屬施工及盾構(gòu)施工期間，不對復(fù)測成果實時更新，保證起算依據(jù)的唯一性。一般車站附近應(yīng)保證有3個控制點，使某一控制點作為起算點，其他2個作為檢核點，在施工過程中不因區(qū)域沉降對控制點進(jìn)行更新，保證車站的各結(jié)構(gòu)順利銜接。對于結(jié)構(gòu)沉降與地面沉降不匹配情況，在制作第一塊底板結(jié)構(gòu)時，安排兩個底板控制點，將高程成果引用至底板，作為后期施工起算點。

4號線施工過程中，存在區(qū)間跨不同沉降區(qū)間，如Ⅱ、Ⅲ區(qū)域存在較大差異沉降，區(qū)域差異沉降對區(qū)間貫通誤差具有較大影響。在盾構(gòu)至貫通面前100環(huán)或施工到達(dá)貫通面前150 m左右時，由始發(fā)端車站控制點對接收端車站附近的控制點進(jìn)行聯(lián)測，采用始發(fā)端高程作為起算基準(zhǔn)，對盾構(gòu)接收的鋼環(huán)進(jìn)行復(fù)核，及時調(diào)整盾構(gòu)機(jī)姿態(tài)，按照現(xiàn)狀洞門高程進(jìn)行接收。減少區(qū)域差異沉降帶來的貫通誤差。

在車站主體施工及區(qū)間貫通結(jié)束后，站臺、鋪軌、裝修等施工前則需要對全線的起算的高程進(jìn)行統(tǒng)一的調(diào)整，按照全線最新的復(fù)測成果進(jìn)行地下控制點的恢復(fù)測量，然后進(jìn)行斷面的檢測，當(dāng)存在因區(qū)域沉降造成于設(shè)計偏差較大及時與設(shè)計單位溝通進(jìn)行調(diào)線調(diào)坡，在施工過程中應(yīng)與設(shè)計單位保持密切的聯(lián)系。

4 結(jié)語

區(qū)域沉降是一種常見的地質(zhì)災(zāi)害，對于軌道交通工程施工及運營的影響是不可能避免的，而且是長期存在的。文章分析了鄭州市軌道交通4號線工程區(qū)域的差異沉降，針對沉降區(qū)域較大的Ⅱ的地鐵施工采用了“土建施工階段起算唯一性、貫通之后統(tǒng)一調(diào)整”的思路，解決了因區(qū)域差異沉降造成的施工質(zhì)量問題，在4號線施工過程中未出現(xiàn)因測量造成是施工質(zhì)量事故，保證了所有區(qū)間的順利貫通，結(jié)構(gòu)順利的銜接，鋪軌裝修按期完成，于2020年的12月26日鄭州地鐵4號線開通運營。對城市的軌道交通工程測量工作提供了參考且具有指導(dǎo)意義。