地裂缝和地面沉降条件下的城市轨道交通工程高程控制测量探讨

姜雁飞，马全明，唐红军，杨 强

(1.陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710062;2.西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安710018;3.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101)

地裂缝和地面沉降条件下的城市轨道交通工程高程控制测量探讨

姜雁飞1，2，马全明3，唐红军2，杨 强3

(1.陕西师范大学旅游与环境学院，陕西西安710062;2.西安市地下铁道有限责任公司，陕西西安710018;3.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，北京100101)

对城市地裂缝和地面沉降条件下城市轨道交通工程的高程控制测量、变形监测基准、施工放样及正施工的土建结构等方面受到的影响进行分析，运用现代测量数据处理和平差理论，结合西安地铁工程测量实际案例，对在不均匀沉降环境条件下的城市轨道交通测量基准点布设、数据处理及平差方法以及复测成果的使用等方面提出若干措施和建议。

地裂缝;地面沉降;城市轨道交通;高程测量;变形监测;施工放样

西安是国内首次在黄土地区修建城市轨道交通的城市，由于市区范围存在不同程度的地裂缝和地面沉降等地质灾害，因此将严重影响地铁的设计与施工。在地铁勘察设计阶段，这一问题已引起各方面的关注，所以在施工工法和隧道断面设计尺寸上考虑了未来运营100年可能的变形影响。然而，在地铁工程建设期间的高程控制测量方面，如何解决这类地质灾害对施工带来的负面影响，保证土建结构施工能按设计要求的位置和尺寸准确贯通和就位，是目前困扰参建单位的重要问题。笔者根据近年来从事城市轨道交通测量的实际经验，就有关问题展开探讨，并提出了若干措施和建议。

一、西安地裂缝和地面沉降概述

随着城市化进程的加快，城市基础设施和建(构)筑物不断增多，地面沉降和地裂缝成为人们重点关注的环境地质问题。在我国，迄今已有60多个城市存在不同程度的地面沉降和地裂缝现象。近年来西安、上海等市的相关勘察研究单位陆续进行了一系列地面沉降、地裂缝的观测和专题研究。

地裂缝和地面沉降是西安市主要的地质灾害之一，而且有不同于其他城市类似地质灾害的特殊性。地面沉降及其差异性沉降往往造成以下各种不同程度的灾害:地面破裂与变形，建筑物沉降和倾斜甚至开裂，城市管网(天然气、给水、排水等)设施发生变化或遭破坏，以致影响单位和居民正常工作和生活，甚至危害公众的生命财产安全。地面沉降形成的槽形低洼(沉降漏斗)，加剧了城市暴雨内涝灾害等。

目前国内已有30多个城市已建和正在修建地铁，西安是国内首次在黄土地区修建地铁的城市，同时该项目是西安市目前投资最大的重点工程项目，社会关注度很高。因此，地面沉降和地裂缝灾害对地铁隧道可能带来的质量和安全风险，在设计、施工、运营中各阶段都必须引起各方面足够的重视。

近30年来，很多单位分别或综合运用了地质勘察、精密水准测量、分层标连续观测、GPS测量以及InSAR技术等多种传统或现代技术手段研究西安地裂缝和地面沉降问题，基本弄清楚了这类地质灾害的分布和变化情况，并对其成因具有了一些基本一致的看法，对城市规划和建设起到了一定的指导作用。

相关成果［1-4］表明，西安地裂缝包括已出露地表的地裂缝和未在地表出露的隐伏型地裂缝，目前已发现有14条，均分布在黄土梁洼地貌范围内，面积覆盖约150 km2，地裂缝出露总长度72 km，延伸长约103 km，单条地裂缝出露最长达到11.38 km。最短也达2 km。地裂缝自东西两侧延伸分布，东边越过浐河，西边到皂河边。长安区已发现数条地裂缝，由于勘察、研究工作较少，其成因、分布、活动特征等有待进一步研究。

另一方面，西安地区是一个地面下沉区域，基底构造沉降速率平均3 mm/a。自1959年从城市测量中发现西安地面沉降开始，到1972年总沉降量在70 mm以内，大部分地区沉降速率小于3 mm/a，基本上是以基底的构造沉降为主。到1972年以后沉降速率平均加快3～6倍。到1978年总沉降量超过100 mm，面积达到85 km2，局部地区沉降量超过300 mm。1978—1983年总沉降量超过100 mm的面积已达127 km2，超过 300 mm的面积扩大到50 km2。1983年后沉降速率明显加快，如1993—1997年地面沉降的分布是:西郊、北郊年沉降速率8～20 mm，旧城区、东北郊年沉降速率90～170 mm，总沉降量超过100 mm的面积为168 km2，大于300 mm的面积93 km2。1997年由于黑河引水工程通水，逐步减少了自备井的开采量，大部分地区承压水位趋于稳定，部分地区水位有明显回升，近几年地面沉降速率有所减缓。

西安市现阶段的全部地面沉降中，地下水作用造成的沉降量是主要的，构造性沉降量是次要的，而且在一定的历史时期内，构造性沉降基本稳定在一个水平上。构造性沉降在新近地质历史时期一直存在着，已有几百万年的历史。地下水作用造成沉降只在一定环境条件下产生，迄今为止在西安只有30多年的历史。前者人类无法控制，后者与人类活动有关，可以控制。现阶段承压水位下降是引起西安地面沉降的主要因素，也是西安地裂缝强烈活动的主要因素。

总之，西安市长期过量开采市区地下承压水，引起水位持续下降，水位下降导致了地面沉降，地面沉降导致和促使了地裂缝的发展。地裂缝灾害的易出现部位为沉降梯度陡变处，即沉降梯度最大处。地裂缝与地面沉降漏斗的相关性很大，西安地面沉降总体上属于不均匀沉降。西安地铁二号线穿越地裂缝情况如图1所示。

图1 西安地铁二号线地裂缝分布示意图

二、引起的高程控制测量的问题分析

地铁工程建设中的平面和高程控制测量是分级布设和实施的，高程控制测量主要采用精密水准测量的方式。

由于近几年我国各城市才开始大力发展地铁，各参建单位对地铁控制测量的认识程度深浅有别，包括专业城市测绘部门在内，在提供合理可靠的基础控制测量资料方面，还依然存在一些不十分明确的认识。工程测量必须和实际工程密切地联系起来才能真正满足工程的需要。

针对西安地铁缝及地面沉降影响，实际测量工作中将会遇到如下问题:

1)西安地处比较深厚的黄土覆盖层，高程基准的深埋桩建设应该如何选址和建造。

2)地面普通水准标石的稳定性如何保证。

3)水准网复测的频率该怎样选取。

4)正在施工的土建主体结构如何选择水准复测数据从而保证几何尺寸按照设计参数施工。

5)监测基点发生区域性沉降变化后，日常监控量测数据如何处理。

6)如何解决市政道路和地下管网的建设引用的高程系统不一致造成密贴结构之间的冲突。

三、西安地铁高程控制测量典型实测数据的分析

现以西安地铁二号线为例说明相关情况。西安地铁二号线位于西安市南北中轴线附近，北起铁路北客站，南至长安区韦曲南站，正线全长26.3 km。二号线分两期建设，一期工程从北客站至会展中心，全长20.3 km，设站17座，自2007年8月开工建设，2010年5月已经实现全段轨通;二期工程从会展中心站至韦曲南站，全长6 km，2010年3月开工。

近年来，由于西安黑河引水工程的实施，原有一些沉降严重的漏斗趋于稳定。在二号线一期工程施工期间，小寨以北线路所经地段水准点经过多次复测表明基本趋于稳定，但小寨以南水准点沉降明显，尤其是二期工程经过会展中心站和东三爻站之间的绕城高速附近区域沉降问题明显。表1中h1为2010年3月复测与2008年12月初测的二号线南延段(会展中心站以南)水准的变化值;h2为该段2010年9月与2010年3月两次测量的变化值。

表1 二号线南延段(会展中心站以南)水准测量变化对照表 mm

表1中h1水准复测时间跨度为15个月，h2水准复测时间跨度为6个月。从表中可以看出，绕城辅道的地面水准点沉降在21个月的时间累计达238.8 mm，附近其他点也存在着不同变化速率的明显沉降，对应地裂缝分布，该区域刚好在f10和f11地裂缝之间。根据有关研究成果，这里又正好处在近年西安地裂缝和地面沉降活跃的位置。地铁精密水准测量的数据也基本印证了其他手段对该地段沉降漏斗的研究判断。

四、地铁首级高程控制网标石的建立

地裂缝及地面沉降对地铁高程测量的直接影响首先是水准标石的稳定性问题。我国对水准标石的稳定性研究也是近十几年才开始的，随着国家水准网的复测，人们逐渐有了较深的认识。根据有关文献，对表层水准标石来说，两期高程的变化，如果不顾及测量误差，则包括标石自身的不稳定性、地面沉降和现今地壳垂直运动三部分，其中基岩水准标石主要反映地壳的垂直位移。

从城市轨道交通工程建设角度而言，结合西安特有的地裂缝和地面沉降的地质灾害背景进行分析。西安地处黄土地区，覆土深厚，由于黄土湿陷性及其他城市建设因素，普通水准标石自身的稳定性易受干扰，要求在选点时充分考虑位置环境的影响，埋石后需要有一个自然沉降趋于稳定的过程，一般要经过一个雨季。

针对地裂缝和地面沉降的现状，建设地铁高程控制测量首先要解决的问题是水准基准点的建设。西安不像其他沿海城市基岩较浅，基岩水准点也容易建造。西安地处黄土高原，覆土深厚，在城区轨道交通覆盖范围埋设真正意义上的基岩点成本过大，难以实现。根据多年的研究发现，西安的地下水采集深度范围在100～300 m之间，抽水后土体压实造成一定厚度的土体沉降。经过地质部门的勘探资料和相关专家的意见，地铁专用水准基准点宜在西安市长安至临潼大断裂两侧的主城区南北两个地方埋设，深埋钢管水准标石钻孔设计孔深约360 m。标底选在稳定的土体持力层上，分别在张家堡城市运动公园内和曲江航天大道附近建设深层标二座，作为今后西安地铁高精度水准测量的起算点。需经过一定时间的多期沉降观测，确认稳定后，才能投入使用。

西安地铁采用1985国家高程系统，起算点采用了西安市南边秦岭脚下的太乙宫基岩点和淳化县北部山区基岩点永乐环1，构成附合水准线路。为了给这两座深埋钢管水准标石测定高程，另外考虑到联测永乐环1点水准路线要经过渭河，一等水准精度很难保证，且不属于同一沉降单元，其稳定性与西安所建地铁区域关系不大。因此，在一号线和二号线南延段建立高程控制网时，由太乙宫基岩点起算，组成一个闭合环，舍弃原来用的永乐环1。由此采用国家一等水准测量的方法专为西安地铁建立了两个深埋钢管桩高程基准点。

五、水准测量数据处理与平差方法

在地裂缝及地面沉降条件下，针对西安地铁建设的实际情况，需要选择合适的水准高程测量的数据处理和平差计算方法。

起算点的选择方法的不同直接决定着数据处理方法与平差方法的不同选择。对于水准网(点)测量平差来说，具有两个以上的起算点可作约束平差;一个起算点可作经典自由网平差;没有起算点的情况下作秩亏自由网平差时，附加约束条件又有重心基准的秩亏自由网平差和拟稳基准的秩亏自由网平差。

在地铁工程地面水准测量中，通常由专业测绘部门提供初次和多次复测全线(段)的精密水准测量网点。由于地铁工程建设的工期紧，有的地铁线路离专用水准基点较远，不是每次都能和深埋基准点联测，同时由于单次测量网点内的点位有可能发生标石随地面沉降引起高程的变化，这种情况下可以采用重心或拟稳平差基准的秩亏自由网平差。在西安地铁一号线施工中，由于线路沿东西方向，距离南北两个深埋钢管桩基点较远，第二次复测时没有联测两个基准点，而是比较高差变化，选择部分相对稳定的点位原高程值构成拟稳平差的约束条件，解算出整体的所有同期观测的点位高程复测成果。

六、水准高程复测数据成果的使用

对于地面不均匀沉降对地铁施工造成的影响，采取的措施除了前面探讨的建立稳定的基准、选择合适的数据处理及平差方法外，在地铁施工过程中最重要的一个环节是要定期对高程控制点进行复测。由于地铁工程大多采用分标段施工，参建单位多，一般要求施工单位对各自标段内的高程控制点三个月复测一次，特殊地段甚至一个月一次，起算点要求附合到业主测量队提供的首级高程控制点上。业主测量队负责对全线水准点进行检测，全线范围的高程控制点复测需要半年复测一次，对明显变化的地段要加大频率。并在综合分析全线点位稳定性后，将确认可靠的成果提供给各参建的施工、监理以及第三方监测单位。而参建单位在得到新成果时也要根据业主测量队的意见使用复测成果。

浅埋暗挖法或盾构法隧道施工期间也会得到多次水准复测的成果资料，一般地铁隧道长度都在1 km以上。当地铁穿越城市不均匀沉降严重的地区时，一个区间的隧道长度可能超过沉降漏斗半径，这种带状范围内的不均匀沉降会对最终的隧道贯通和结构断面净空尺寸产生影响。因此首先要保证隧道开挖和接收面所引用的水准高程成果是同期观测计算成果，并需要根据地面复测数据及时调整地下水准控制点数据。在保证隧道贯通的情况下，可能在地面沉降变化明显地段会对最终隧道净空断面高程造成一定偏差，但由于地铁穿越地裂缝等地段在设计阶段已考虑了一定变形，这种复测值取值问题基本在设计裕量容许的范围内，在贯通后将把隧道测量的断面数据经过设计部门进行限界判定后，如果偏差稍大可以通过调线调坡来适当纠正。

对变形监测来说，通常地面沉降30 mm的控制值是针对施工造成的影响制订的，对第三方监测单位的工作意义还在于，当地铁施工与周边产权单位发生纠纷时，其提供的监测数据及报告要起到公正的作用，因而对监测基准网的选择应在距离基坑一定距离外的稳定位置。对业主测量队提供的全线水准复测成果资料，不能盲目使用，应该分析原因后把非施工造成的区域性地面沉降量分离，主要提供与施工中的降水及开挖密切相关的沉降变形数据，这样监测数据成果对设计和施工才能起到真正的指导作用。

七、结论和建议

1)在地裂缝及地面沉降较大环境条件下的城市修建地铁，地裂缝及地面沉降对高程控制测量及结构施工都会产生一定的影响，需要用动态以及相对的理念解决相关问题。对高程控制网经常性的复测并合理选用复测成果是重要的手段。

2)在黄土覆盖深厚的西安地区，地铁工程应建立深埋桩水准标石作为专用高程基准，结合地勘资料在城市地铁规划范围内建立至少两个基准点，标底处在只受基底板块大范围均匀沉降影响的持力层上。

3)专用高程基准建成稳定后，应与国家一等水准网基岩点联测，并定期复测。地铁建设期间的首级水准网测量，可以用地铁专用测量基准点作为起算点，初测时可以用单点基准，采用经典自由网平差。复测时为节省投资、提高效率，离深埋桩较远的线路，可以用重心基准或拟稳基准的秩亏自由网平差。

4)对于多期复测成果，正在施工的结构要根据具体情况慎重使用，保证贯通和结构质量是关键。

5)施工变形监测基准网要保持独立性，应该分离出区域性地面沉降影响造成的非施工因素沉降量。但有条件时应与施工控制网联测，以便了解监测对象在所采用的系统中的变形状况。

6)地铁周边的其他市政工程建设应注意与最新的地铁高程成果进行联测，避免与密贴地铁结构物发生冲突。

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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

姜雁飞(1967—)，男，陕西西安人，博士生，高级工程师，主要从事GIS集成及城市轨道交通的管理与研究。