地裂縫和地面沉降條件下的城市軌道交通工程高程控制測量探討

姜雁飛，馬全明，唐紅軍，楊 強

(1.陜西師范大學旅游與環境學院，陜西西安710062;2.西安市地下鐵道有限責任公司，陜西西安710018;3.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

地裂縫和地面沉降條件下的城市軌道交通工程高程控制測量探討

姜雁飛1，2，馬全明3，唐紅軍2，楊 強3

(1.陜西師范大學旅游與環境學院，陜西西安710062;2.西安市地下鐵道有限責任公司，陜西西安710018;3.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，北京100101)

對城市地裂縫和地面沉降條件下城市軌道交通工程的高程控制測量、變形監測基準、施工放樣及正施工的土建結構等方面受到的影響進行分析，運用現代測量數據處理和平差理論，結合西安地鐵工程測量實際案例，對在不均勻沉降環境條件下的城市軌道交通測量基準點布設、數據處理及平差方法以及復測成果的使用等方面提出若干措施和建議。

地裂縫;地面沉降;城市軌道交通;高程測量;變形監測;施工放樣

西安是國內首次在黃土地區修建城市軌道交通的城市，由于市區范圍存在不同程度的地裂縫和地面沉降等地質災害，因此將嚴重影響地鐵的設計與施工。在地鐵勘察設計階段，這一問題已引起各方面的關注，所以在施工工法和隧道斷面設計尺寸上考慮了未來運營100年可能的變形影響。然而，在地鐵工程建設期間的高程控制測量方面，如何解決這類地質災害對施工帶來的負面影響，保證土建結構施工能按設計要求的位置和尺寸準確貫通和就位，是目前困擾參建單位的重要問題。筆者根據近年來從事城市軌道交通測量的實際經驗，就有關問題展開探討，并提出了若干措施和建議。

一、西安地裂縫和地面沉降概述

隨著城市化進程的加快，城市基礎設施和建(構)筑物不斷增多，地面沉降和地裂縫成為人們重點關注的環境地質問題。在我國，迄今已有60多個城市存在不同程度的地面沉降和地裂縫現象。近年來西安、上海等市的相關勘察研究單位陸續進行了一系列地面沉降、地裂縫的觀測和專題研究。

地裂縫和地面沉降是西安市主要的地質災害之一，而且有不同于其他城市類似地質災害的特殊性。地面沉降及其差異性沉降往往造成以下各種不同程度的災害:地面破裂與變形，建筑物沉降和傾斜甚至開裂，城市管網(天然氣、給水、排水等)設施發生變化或遭破壞，以致影響單位和居民正常工作和生活，甚至危害公眾的生命財產安全。地面沉降形成的槽形低洼(沉降漏斗)，加劇了城市暴雨內澇災害等。

目前國內已有30多個城市已建和正在修建地鐵，西安是國內首次在黃土地區修建地鐵的城市，同時該項目是西安市目前投資最大的重點工程項目，社會關注度很高。因此，地面沉降和地裂縫災害對地鐵隧道可能帶來的質量和安全風險，在設計、施工、運營中各階段都必須引起各方面足夠的重視。

近30年來，很多單位分別或綜合運用了地質勘察、精密水準測量、分層標連續觀測、GPS測量以及InSAR技術等多種傳統或現代技術手段研究西安地裂縫和地面沉降問題，基本弄清楚了這類地質災害的分布和變化情況，并對其成因具有了一些基本一致的看法，對城市規劃和建設起到了一定的指導作用。

相關成果［1-4］表明，西安地裂縫包括已出露地表的地裂縫和未在地表出露的隱伏型地裂縫，目前已發現有14條，均分布在黃土梁洼地貌范圍內，面積覆蓋約150 km2，地裂縫出露總長度72 km，延伸長約103 km，單條地裂縫出露最長達到11.38 km。最短也達2 km。地裂縫自東西兩側延伸分布，東邊越過浐河，西邊到皂河邊。長安區已發現數條地裂縫，由于勘察、研究工作較少，其成因、分布、活動特征等有待進一步研究。

另一方面，西安地區是一個地面下沉區域，基底構造沉降速率平均3 mm/a。自1959年從城市測量中發現西安地面沉降開始，到1972年總沉降量在70 mm以內，大部分地區沉降速率小于3 mm/a，基本上是以基底的構造沉降為主。到1972年以后沉降速率平均加快3～6倍。到1978年總沉降量超過100 mm，面積達到85 km2，局部地區沉降量超過300 mm。1978—1983年總沉降量超過100 mm的面積已達127 km2，超過 300 mm的面積擴大到50 km2。1983年后沉降速率明顯加快，如1993—1997年地面沉降的分布是:西郊、北郊年沉降速率8～20 mm，舊城區、東北郊年沉降速率90～170 mm，總沉降量超過100 mm的面積為168 km2，大于300 mm的面積93 km2。1997年由于黑河引水工程通水，逐步減少了自備井的開采量，大部分地區承壓水位趨于穩定，部分地區水位有明顯回升，近幾年地面沉降速率有所減緩。

西安市現階段的全部地面沉降中，地下水作用造成的沉降量是主要的，構造性沉降量是次要的，而且在一定的歷史時期內，構造性沉降基本穩定在一個水平上。構造性沉降在新近地質歷史時期一直存在著，已有幾百萬年的歷史。地下水作用造成沉降只在一定環境條件下產生，迄今為止在西安只有30多年的歷史。前者人類無法控制，后者與人類活動有關，可以控制?，F階段承壓水位下降是引起西安地面沉降的主要因素，也是西安地裂縫強烈活動的主要因素。

總之，西安市長期過量開采市區地下承壓水，引起水位持續下降，水位下降導致了地面沉降，地面沉降導致和促使了地裂縫的發展。地裂縫災害的易出現部位為沉降梯度陡變處，即沉降梯度最大處。地裂縫與地面沉降漏斗的相關性很大，西安地面沉降總體上屬于不均勻沉降。西安地鐵二號線穿越地裂縫情況如圖1所示。

圖1 西安地鐵二號線地裂縫分布示意圖

二、引起的高程控制測量的問題分析

地鐵工程建設中的平面和高程控制測量是分級布設和實施的，高程控制測量主要采用精密水準測量的方式。

由于近幾年我國各城市才開始大力發展地鐵，各參建單位對地鐵控制測量的認識程度深淺有別，包括專業城市測繪部門在內，在提供合理可靠的基礎控制測量資料方面，還依然存在一些不十分明確的認識。工程測量必須和實際工程密切地聯系起來才能真正滿足工程的需要。

針對西安地鐵縫及地面沉降影響，實際測量工作中將會遇到如下問題:

1)西安地處比較深厚的黃土覆蓋層，高程基準的深埋樁建設應該如何選址和建造。

2)地面普通水準標石的穩定性如何保證。

3)水準網復測的頻率該怎樣選取。

4)正在施工的土建主體結構如何選擇水準復測數據從而保證幾何尺寸按照設計參數施工。

5)監測基點發生區域性沉降變化后，日常監控量測數據如何處理。

6)如何解決市政道路和地下管網的建設引用的高程系統不一致造成密貼結構之間的沖突。

三、西安地鐵高程控制測量典型實測數據的分析

現以西安地鐵二號線為例說明相關情況。西安地鐵二號線位于西安市南北中軸線附近，北起鐵路北客站，南至長安區韋曲南站，正線全長26.3 km。二號線分兩期建設，一期工程從北客站至會展中心，全長20.3 km，設站17座，自2007年8月開工建設，2010年5月已經實現全段軌通;二期工程從會展中心站至韋曲南站，全長6 km，2010年3月開工。

近年來，由于西安黑河引水工程的實施，原有一些沉降嚴重的漏斗趨于穩定。在二號線一期工程施工期間，小寨以北線路所經地段水準點經過多次復測表明基本趨于穩定，但小寨以南水準點沉降明顯，尤其是二期工程經過會展中心站和東三爻站之間的繞城高速附近區域沉降問題明顯。表1中h1為2010年3月復測與2008年12月初測的二號線南延段(會展中心站以南)水準的變化值;h2為該段2010年9月與2010年3月兩次測量的變化值。

表1 二號線南延段(會展中心站以南)水準測量變化對照表 mm

表1中h1水準復測時間跨度為15個月，h2水準復測時間跨度為6個月。從表中可以看出，繞城輔道的地面水準點沉降在21個月的時間累計達238.8 mm，附近其他點也存在著不同變化速率的明顯沉降，對應地裂縫分布，該區域剛好在f10和f11地裂縫之間。根據有關研究成果，這里又正好處在近年西安地裂縫和地面沉降活躍的位置。地鐵精密水準測量的數據也基本印證了其他手段對該地段沉降漏斗的研究判斷。

四、地鐵首級高程控制網標石的建立

地裂縫及地面沉降對地鐵高程測量的直接影響首先是水準標石的穩定性問題。我國對水準標石的穩定性研究也是近十幾年才開始的，隨著國家水準網的復測，人們逐漸有了較深的認識。根據有關文獻，對表層水準標石來說，兩期高程的變化，如果不顧及測量誤差，則包括標石自身的不穩定性、地面沉降和現今地殼垂直運動三部分，其中基巖水準標石主要反映地殼的垂直位移。

從城市軌道交通工程建設角度而言，結合西安特有的地裂縫和地面沉降的地質災害背景進行分析。西安地處黃土地區，覆土深厚，由于黃土濕陷性及其他城市建設因素，普通水準標石自身的穩定性易受干擾，要求在選點時充分考慮位置環境的影響，埋石后需要有一個自然沉降趨于穩定的過程，一般要經過一個雨季。

針對地裂縫和地面沉降的現狀，建設地鐵高程控制測量首先要解決的問題是水準基準點的建設。西安不像其他沿海城市基巖較淺，基巖水準點也容易建造。西安地處黃土高原，覆土深厚，在城區軌道交通覆蓋范圍埋設真正意義上的基巖點成本過大，難以實現。根據多年的研究發現，西安的地下水采集深度范圍在100～300 m之間，抽水后土體壓實造成一定厚度的土體沉降。經過地質部門的勘探資料和相關專家的意見，地鐵專用水準基準點宜在西安市長安至臨潼大斷裂兩側的主城區南北兩個地方埋設，深埋鋼管水準標石鉆孔設計孔深約360 m。標底選在穩定的土體持力層上，分別在張家堡城市運動公園內和曲江航天大道附近建設深層標二座，作為今后西安地鐵高精度水準測量的起算點。需經過一定時間的多期沉降觀測，確認穩定后，才能投入使用。

西安地鐵采用1985國家高程系統，起算點采用了西安市南邊秦嶺腳下的太乙宮基巖點和淳化縣北部山區基巖點永樂環1，構成附合水準線路。為了給這兩座深埋鋼管水準標石測定高程，另外考慮到聯測永樂環1點水準路線要經過渭河，一等水準精度很難保證，且不屬于同一沉降單元，其穩定性與西安所建地鐵區域關系不大。因此，在一號線和二號線南延段建立高程控制網時，由太乙宮基巖點起算，組成一個閉合環，舍棄原來用的永樂環1。由此采用國家一等水準測量的方法專為西安地鐵建立了兩個深埋鋼管樁高程基準點。

五、水準測量數據處理與平差方法

在地裂縫及地面沉降條件下，針對西安地鐵建設的實際情況，需要選擇合適的水準高程測量的數據處理和平差計算方法。

起算點的選擇方法的不同直接決定著數據處理方法與平差方法的不同選擇。對于水準網(點)測量平差來說，具有兩個以上的起算點可作約束平差;一個起算點可作經典自由網平差;沒有起算點的情況下作秩虧自由網平差時，附加約束條件又有重心基準的秩虧自由網平差和擬穩基準的秩虧自由網平差。

在地鐵工程地面水準測量中，通常由專業測繪部門提供初次和多次復測全線(段)的精密水準測量網點。由于地鐵工程建設的工期緊，有的地鐵線路離專用水準基點較遠，不是每次都能和深埋基準點聯測，同時由于單次測量網點內的點位有可能發生標石隨地面沉降引起高程的變化，這種情況下可以采用重心或擬穩平差基準的秩虧自由網平差。在西安地鐵一號線施工中，由于線路沿東西方向，距離南北兩個深埋鋼管樁基點較遠，第二次復測時沒有聯測兩個基準點，而是比較高差變化，選擇部分相對穩定的點位原高程值構成擬穩平差的約束條件，解算出整體的所有同期觀測的點位高程復測成果。

六、水準高程復測數據成果的使用

對于地面不均勻沉降對地鐵施工造成的影響，采取的措施除了前面探討的建立穩定的基準、選擇合適的數據處理及平差方法外，在地鐵施工過程中最重要的一個環節是要定期對高程控制點進行復測。由于地鐵工程大多采用分標段施工，參建單位多，一般要求施工單位對各自標段內的高程控制點三個月復測一次，特殊地段甚至一個月一次，起算點要求附合到業主測量隊提供的首級高程控制點上。業主測量隊負責對全線水準點進行檢測，全線范圍的高程控制點復測需要半年復測一次，對明顯變化的地段要加大頻率。并在綜合分析全線點位穩定性后，將確認可靠的成果提供給各參建的施工、監理以及第三方監測單位。而參建單位在得到新成果時也要根據業主測量隊的意見使用復測成果。

淺埋暗挖法或盾構法隧道施工期間也會得到多次水準復測的成果資料，一般地鐵隧道長度都在1 km以上。當地鐵穿越城市不均勻沉降嚴重的地區時，一個區間的隧道長度可能超過沉降漏斗半徑，這種帶狀范圍內的不均勻沉降會對最終的隧道貫通和結構斷面凈空尺寸產生影響。因此首先要保證隧道開挖和接收面所引用的水準高程成果是同期觀測計算成果，并需要根據地面復測數據及時調整地下水準控制點數據。在保證隧道貫通的情況下，可能在地面沉降變化明顯地段會對最終隧道凈空斷面高程造成一定偏差，但由于地鐵穿越地裂縫等地段在設計階段已考慮了一定變形，這種復測值取值問題基本在設計裕量容許的范圍內，在貫通后將把隧道測量的斷面數據經過設計部門進行限界判定后，如果偏差稍大可以通過調線調坡來適當糾正。

對變形監測來說，通常地面沉降30 mm的控制值是針對施工造成的影響制訂的，對第三方監測單位的工作意義還在于，當地鐵施工與周邊產權單位發生糾紛時，其提供的監測數據及報告要起到公正的作用，因而對監測基準網的選擇應在距離基坑一定距離外的穩定位置。對業主測量隊提供的全線水準復測成果資料，不能盲目使用，應該分析原因后把非施工造成的區域性地面沉降量分離，主要提供與施工中的降水及開挖密切相關的沉降變形數據，這樣監測數據成果對設計和施工才能起到真正的指導作用。

七、結論和建議

1)在地裂縫及地面沉降較大環境條件下的城市修建地鐵，地裂縫及地面沉降對高程控制測量及結構施工都會產生一定的影響，需要用動態以及相對的理念解決相關問題。對高程控制網經常性的復測并合理選用復測成果是重要的手段。

2)在黃土覆蓋深厚的西安地區，地鐵工程應建立深埋樁水準標石作為專用高程基準，結合地勘資料在城市地鐵規劃范圍內建立至少兩個基準點，標底處在只受基底板塊大范圍均勻沉降影響的持力層上。

3)專用高程基準建成穩定后，應與國家一等水準網基巖點聯測，并定期復測。地鐵建設期間的首級水準網測量，可以用地鐵專用測量基準點作為起算點，初測時可以用單點基準，采用經典自由網平差。復測時為節省投資、提高效率，離深埋樁較遠的線路，可以用重心基準或擬穩基準的秩虧自由網平差。

4)對于多期復測成果，正在施工的結構要根據具體情況慎重使用，保證貫通和結構質量是關鍵。

5)施工變形監測基準網要保持獨立性，應該分離出區域性地面沉降影響造成的非施工因素沉降量。但有條件時應與施工控制網聯測，以便了解監測對象在所采用的系統中的變形狀況。

6)地鐵周邊的其他市政工程建設應注意與最新的地鐵高程成果進行聯測，避免與密貼地鐵結構物發生沖突。

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On Vertical Control Surveying for Urban Rail Transit Project under the Condition of Ground Cracks and Land Subsidence

JIANG Yanfei，MA Quanming，TANG Hongjun，YANG Qiang

0494-0911(2011)03-0048-04

TU196

B

2010-11-23

姜雁飛(1967—)，男，陜西西安人，博士生，高級工程師，主要從事GIS集成及城市軌道交通的管理與研究。