周小莉，張立鋒，巫 山

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測(cè)繪工程系，四川 崇州 611231；2.廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510034；3.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，四川 崇州 611231）

信息化地鐵監(jiān)測(cè)方法研究

周小莉1，張立鋒2，巫 山3

（1.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 測(cè)繪工程系，四川 崇州 611231；2.廣東省重工建筑設(shè)計(jì)院有限公司，廣東 廣州 510034；3.四川水利職業(yè)技術(shù)學(xué)院 建筑工程系，四川 崇州 611231）

根據(jù)國(guó)內(nèi)地鐵監(jiān)測(cè)的工程需求，通過對(duì)地鐵周邊地表沉降、樁頂水平位移等進(jìn)行監(jiān)測(cè)，建立了高效順暢的信息反饋渠道和完善的信息管理與反饋機(jī)制，為地鐵施工的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和管理提供了依據(jù)。以某地鐵站施工監(jiān)測(cè)為例，對(duì)相關(guān)技術(shù)方法進(jìn)行了檢驗(yàn)，證明了其可行性和實(shí)用性。

地鐵；信息化；沉降監(jiān)測(cè)；水平位移監(jiān)測(cè)

21世紀(jì)以來，中國(guó)現(xiàn)代化進(jìn)程持續(xù)快速發(fā)展，城鎮(zhèn)化程度不斷加強(qiáng)，城市地下空間的開發(fā)與利用逐漸成為緩解城市空間資源急缺困境的重要途徑。為了減輕城市巨大的交通壓力，各大城市正在大規(guī)模地進(jìn)行地鐵建設(shè)，如何在地鐵建設(shè)中，實(shí)時(shí)掌握地鐵的變形情況，是一個(gè)十分現(xiàn)實(shí)又迫切的問題[1-2]。由于地鐵隧道建造在地質(zhì)復(fù)雜、道路狹窄、地下管線密集、交通繁忙的鬧市中心，其安全問題不容忽視。隨著我國(guó)地下空間開發(fā)利用程度的不斷擴(kuò)展，盾構(gòu)隧道施工技術(shù)日益成熟。然而，盾構(gòu)隧道開挖過程中不可避免地會(huì)對(duì)原有地層和應(yīng)力場(chǎng)產(chǎn)生擾動(dòng)，從而引起地層的移動(dòng)和地表沉降（或隆起），進(jìn)而對(duì)地表建（構(gòu)）筑物帶來不良影響[3-4]。在軟土層開挖隧道時(shí)，軟土靈敏度高，稍經(jīng)擾動(dòng)就會(huì)喪失承載力，且要經(jīng)過很長(zhǎng)時(shí)間才能穩(wěn)定下來[5-6]，因此為確保地鐵建設(shè)和營(yíng)運(yùn)安全，對(duì)隧道的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，越來越受到社會(huì)和政府的廣泛重視，尤其是對(duì)軟土環(huán)境中隧道的穩(wěn)定性更加關(guān)注。為確保工程在施工期間的安全以及周邊建(構(gòu))筑物的安全，基坑施工應(yīng)與監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)相結(jié)合，為基坑開挖及區(qū)間施工的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和施工動(dòng)態(tài)管理提供依據(jù)，以達(dá)到信息化施工的目的；同時(shí)積累量測(cè)數(shù)據(jù)，為今后類似工程設(shè)計(jì)與施工提供工程參考數(shù)據(jù)。

1 地鐵監(jiān)測(cè)的信息管理

為建立順暢的信息反饋渠道及完善的信息反饋流程，建立了地鐵施工監(jiān)測(cè)信息管理與反饋機(jī)制（見圖1），實(shí)現(xiàn)了對(duì)監(jiān)測(cè)過程的信息化管理。

圖1 監(jiān)測(cè)信息反饋流程圖

為消除工程事故，保障施工安全，必須將監(jiān)測(cè)所得的數(shù)據(jù)與設(shè)計(jì)值（或預(yù)警值）進(jìn)行對(duì)比，若超過設(shè)定的限值則立即采取措施，防止事故發(fā)生。依據(jù)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)情況，選取位移（沉降）絕對(duì)值指標(biāo)和速率值指標(biāo)建立了3級(jí)監(jiān)測(cè)預(yù)警程序表（表1）。

地鐵監(jiān)測(cè)的內(nèi)容多、工作量大、數(shù)據(jù)量多，為提高工作效率，減輕工作量，方便數(shù)據(jù)的管理與查詢分析，建立了一套有效的信息管理系統(tǒng)。首先將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)現(xiàn)場(chǎng)采集的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)導(dǎo)入信息管理系統(tǒng)，系統(tǒng)對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析與處理，再利用相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型完成水平位移監(jiān)測(cè)、沉降監(jiān)測(cè)等變形量統(tǒng)計(jì)計(jì)算，最后繪制各監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)時(shí)態(tài)曲線圖，并依據(jù)需要生成報(bào)告，以便為處置施工情況提供科學(xué)依據(jù)[7]。

表1 預(yù)警程序表

2 地鐵監(jiān)測(cè)的實(shí)施方法

地鐵基坑往往設(shè)計(jì)在人口密集的居住區(qū)、繁華的商業(yè)區(qū)，離地面建（構(gòu)）筑物、道路、橋梁、地下管線設(shè)施很近，工程風(fēng)險(xiǎn)較大，稍有大意就會(huì)對(duì)基坑造成危害，同時(shí)也會(huì)對(duì)基坑周圍的建（構(gòu)）筑物、道路、橋梁、地下管線等設(shè)施造成嚴(yán)重破壞。為確保地鐵施工安全，必須采取有效的監(jiān)測(cè)方法對(duì)地鐵的穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.1 支護(hù)結(jié)構(gòu)樁（墻）頂水平位移監(jiān)測(cè)

由于地鐵施工會(huì)造成建（構(gòu)）筑物的不均勻沉降和橫向受力等，從而導(dǎo)致其發(fā)生水平位移，因此需對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)樁（墻）頂進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)方法有小角法、交會(huì)法、活動(dòng)標(biāo)牌法、全站儀法等。全站儀法是監(jiān)測(cè)時(shí)在基坑施工影響范圍外穩(wěn)定的區(qū)域布設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在基坑邊相對(duì)穩(wěn)定處采用布設(shè)固定觀測(cè)墩的方法布設(shè)2個(gè)監(jiān)測(cè)控制點(diǎn)，作為水平位移監(jiān)測(cè)工作基點(diǎn)。監(jiān)測(cè)前必須對(duì)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢查，檢查方法有前方交會(huì)法和后方交會(huì)法。前方交會(huì)法應(yīng)盡量選擇較遠(yuǎn)的穩(wěn)固目標(biāo)作為定向點(diǎn)，測(cè)站點(diǎn)與定向點(diǎn)之間的距離應(yīng)大于交會(huì)邊的邊長(zhǎng)，交會(huì)角度α應(yīng)在30～150°之間；后方交會(huì)法是在工作基點(diǎn)周圍的穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)3～4個(gè)帶強(qiáng)制對(duì)中螺栓的測(cè)量標(biāo)志點(diǎn)，每次安裝棱鏡，檢查工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，并可修正工作基點(diǎn)坐標(biāo)。水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)方法是按監(jiān)測(cè)技術(shù)要求將儀器架設(shè)在工作基點(diǎn)墩上，在基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的冠頂梁上采用埋設(shè)觀測(cè)墩的形式布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，觀測(cè)點(diǎn)位置必須通視，并應(yīng)避開基坑邊的安全欄桿不影響施工，還要便于保護(hù)，可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況對(duì)布設(shè)方案進(jìn)行優(yōu)化調(diào)整。水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用極坐標(biāo)法進(jìn)行觀測(cè)，即以兩個(gè)已知點(diǎn)連線為極軸，以其中一個(gè)點(diǎn)為極點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，測(cè)定觀測(cè)點(diǎn)到極點(diǎn)的距離以及觀測(cè)點(diǎn)與極點(diǎn)連線和兩個(gè)已知點(diǎn)連線的夾角。

2.2 支護(hù)結(jié)構(gòu)、土體側(cè)向變形監(jiān)測(cè)

側(cè)向變形采用測(cè)斜儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)。測(cè)斜儀是一種能有效且精確測(cè)量深層水平位移的監(jiān)測(cè)儀器，通過測(cè)量測(cè)斜管軸線與鉛垂線之間的夾角變化量來監(jiān)測(cè)土、巖石和建筑物的側(cè)向位移[8]，主要由探頭、測(cè)讀儀、電纜、測(cè)斜管組成，如圖2a所示。測(cè)斜儀分為固定式和活動(dòng)式兩種，較多采用活動(dòng)式測(cè)斜儀，即先埋設(shè)帶導(dǎo)槽的測(cè)斜管（支護(hù)結(jié)構(gòu)的測(cè)斜管采用綁扎埋設(shè)，土體測(cè)斜管采用鉆孔埋設(shè)），間隔一定時(shí)間將探頭放入管內(nèi)沿導(dǎo)槽滑動(dòng)測(cè)定斜度變化，計(jì)算水平位移，如圖2b所示。設(shè)導(dǎo)輪距離為L(zhǎng)，探頭與垂線的夾角為θ，兩測(cè)段間水平撓度量為L(zhǎng)sinθ，總撓度量為∑Lsinθ，經(jīng)過多次觀測(cè)可得到總撓度量的變化值（即位移）。監(jiān)測(cè)前需判明測(cè)斜管是否處于穩(wěn)定狀態(tài)，若穩(wěn)定才能進(jìn)行監(jiān)測(cè)工作。

圖2 測(cè)斜儀布置及水平位移計(jì)算原理圖

2.3 支撐軸力、內(nèi)力監(jiān)測(cè)

基坑圍護(hù)支撐體系處于動(dòng)態(tài)平衡之中，隨著施工的進(jìn)行應(yīng)建立新的平衡，因此需通過支撐軸力監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確判斷基坑圍護(hù)支撐體系的穩(wěn)定情況，以指導(dǎo)基坑施工程序方法，確保施工安全。采用鋼筋混凝土制成的基坑支護(hù)，其軸力和內(nèi)力通常是先測(cè)定構(gòu)件受力鋼筋的應(yīng)力，再根據(jù)鋼筋和混凝土共同工作、變形協(xié)調(diào)條件反算得到。鋼筋應(yīng)力采用鋼筋應(yīng)力計(jì)監(jiān)測(cè)，一般是通過在構(gòu)件受力鋼筋上串聯(lián)鋼筋應(yīng)力傳感器，通過測(cè)定鋼筋所受應(yīng)力來計(jì)算其應(yīng)變量，再計(jì)算整個(gè)支撐的軸力。在基坑工程中，混凝土支撐與鋼支撐不同，通過應(yīng)力傳感器直接測(cè)得其軸力大小是十分困難的，都是先通過傳感器觀測(cè)獲取鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的應(yīng)變量（假設(shè)混凝土與鋼筋協(xié)調(diào)應(yīng)變），再計(jì)算其軸力。

2.4 建（構(gòu)）筑物沉降監(jiān)測(cè)

在建（構(gòu)）筑物的施工、竣工驗(yàn)收、竣工后的監(jiān)測(cè)等過程中，沉降監(jiān)測(cè)具有安全預(yù)報(bào)、科學(xué)評(píng)價(jià)和檢驗(yàn)施工質(zhì)量等作用，通過對(duì)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息進(jìn)行分析，可預(yù)報(bào)施工過程中將會(huì)出現(xiàn)的安全問題，并可及時(shí)調(diào)整施工方案，確保施工安全。沉降觀測(cè)一般應(yīng)在3倍車站基坑深度以外的穩(wěn)定區(qū)域選取3個(gè)或3個(gè)以上的基準(zhǔn)點(diǎn)（水準(zhǔn)基點(diǎn)），而工作基點(diǎn)應(yīng)避開沉降范圍，在進(jìn)行沉降觀測(cè)前需校核工作基點(diǎn)的高程，保證工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，工作基點(diǎn)與水準(zhǔn)基點(diǎn)構(gòu)成閉合或附合水準(zhǔn)路線（高程控制網(wǎng)），按一等或二等水準(zhǔn)測(cè)量要求施測(cè)，通過平差計(jì)算各工作基點(diǎn)的高程。為測(cè)定建（構(gòu)）筑物的沉降，必須在能全面反映建（構(gòu)）筑物變形特征的點(diǎn)位設(shè)置足夠數(shù)量的觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)還應(yīng)避開障礙物，并視立尺的需要離開墻（柱）面和地面一定距離。地表沉降觀測(cè)點(diǎn)布設(shè)是沿基坑方向，對(duì)可能受影響的地表、路面布設(shè)沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)。沉降觀測(cè)是運(yùn)用水準(zhǔn)測(cè)量方法從鄰近的工作基點(diǎn)利用閉合或附合路線引測(cè)周圍的沉降觀測(cè)點(diǎn)高程，也可采用支點(diǎn)觀測(cè)，但不能超過2個(gè)測(cè)站，且必須進(jìn)行往返觀測(cè)，最后通過軟件對(duì)外業(yè)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行平差處理，計(jì)算各點(diǎn)的高程、沉降量和累積沉降量。

2.5 周圍建（構(gòu)）筑物傾斜監(jiān)測(cè)

由于地鐵施工的影響，周圍建（構(gòu)）筑物可能發(fā)生不均勻沉降，從而產(chǎn)生傾斜變化，因此需要對(duì)其進(jìn)行傾斜監(jiān)測(cè)。傾斜監(jiān)測(cè)的方法是按國(guó)家變形監(jiān)測(cè)的精度要求，使用高精度全站儀測(cè)量出上下兩個(gè)點(diǎn)在同一坐標(biāo)系中的坐標(biāo)值，并比較其在不同觀測(cè)周期的變化量，以求出傾斜值。根據(jù)全站儀測(cè)定坐標(biāo)的原理，被測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)可表示為：

式中，S為斜距；V為豎盤讀數(shù)；α為方位角。由誤差傳播定律可得坐標(biāo)分量中誤差及點(diǎn)位中誤差。

2.6 地下水位監(jiān)測(cè)

地下水位監(jiān)測(cè)是利用降水井對(duì)水位變化進(jìn)行監(jiān)測(cè)。采用電測(cè)水位儀，當(dāng)探頭接觸到地下水時(shí)，報(bào)警器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，讀取標(biāo)尺讀數(shù)，此讀數(shù)為水位與固定測(cè)點(diǎn)的垂直距離；再通過固定測(cè)點(diǎn)的標(biāo)高及與地面的相對(duì)位置換算出從地面起算的水位埋深及水位標(biāo)高。

2.7 建（構(gòu)）筑物裂縫監(jiān)測(cè)

建（構(gòu)）筑物裂縫監(jiān)測(cè)的范圍為基坑邊緣向外2 倍開挖深度或隧道中線向外2倍隧道埋深范圍內(nèi)的建（構(gòu)）筑物既有裂縫和因工程施工引起的新裂縫。裂縫監(jiān)測(cè)方法是使用游標(biāo)卡尺在裂縫兩側(cè)錨固鋼釘，用卡尺直接量測(cè)鋼釘間距，確定裂縫寬度；在不可錨固鋼釘?shù)牡胤?，采用電子裂縫測(cè)寬儀進(jìn)行監(jiān)測(cè)；當(dāng)產(chǎn)生裂縫的建（構(gòu)）筑物不易采用常規(guī)方法觀測(cè)時(shí)，可安裝無(wú)線裂縫計(jì)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。

2.8 現(xiàn)場(chǎng)巡視觀察

現(xiàn)場(chǎng)巡視觀察的主要內(nèi)容有開挖面地質(zhì)狀況、降水工程、支護(hù)結(jié)構(gòu)體系、基坑周邊環(huán)境、施工工藝、建（構(gòu)）筑物、橋梁、既有線（鐵路）、道路（路面）、河流、湖泊、地下管線、周邊鄰近施工情況和監(jiān)測(cè)點(diǎn)巡視等。

3 實(shí)例分析

3.1 監(jiān)測(cè)區(qū)情況

本文選取某市某地鐵站為監(jiān)測(cè)區(qū)，該站呈東西走向，為地下二層結(jié)構(gòu)，全長(zhǎng)為184．9 m，車站西端設(shè)置了一個(gè)區(qū)間風(fēng)井、一個(gè)盾構(gòu)工作井；共設(shè)有4 個(gè)出入口，2 個(gè)消防疏散出入口，2 組風(fēng)亭及公共衛(wèi)生間。

3.2 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)

本次監(jiān)測(cè)以周邊地表沉降監(jiān)測(cè)、基坑樁頂沉降監(jiān)測(cè)、樁頂水平位移監(jiān)測(cè)為主要研究對(duì)象，在監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)中，以圖表的形式展示監(jiān)測(cè)成果，方便用戶查看和預(yù)測(cè)趨勢(shì)。本文將選取實(shí)驗(yàn)區(qū)主要監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形曲線進(jìn)行示例性說明，如圖3～5所示。

圖3 基坑樁頂沉降監(jiān)測(cè)時(shí)態(tài)曲線圖

圖4 周邊地表沉降監(jiān)測(cè)時(shí)態(tài)曲線圖

圖5 基坑樁頂水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)態(tài)曲線圖

3.3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

周邊地表沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)中，累計(jì)變形最大的為D48-2（累計(jì)沉降-2．29 mm），監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形相對(duì)較小均未超設(shè)計(jì)報(bào)警值，符合規(guī)范要求?；訕俄敵两当O(jiān)測(cè)點(diǎn)中，累計(jì)變化最大的為ZQC16（累計(jì)沉降-12．32 mm），監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形相對(duì)較小均未超設(shè)計(jì)報(bào)警值，符合規(guī)范要求?；訕俄斔轿灰票O(jiān)測(cè)點(diǎn)中，累計(jì)變化最大的為ZQS6（累計(jì)變形21．26 mm），監(jiān)測(cè)點(diǎn)變形相對(duì)較小均未超設(shè)計(jì)報(bào)警值，符合規(guī)范要求。綜上所述，在整個(gè)施工期內(nèi)，各項(xiàng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)正常、穩(wěn)定，變形平緩，沒有發(fā)生報(bào)警情況，處于安全可控狀態(tài)。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文對(duì)地鐵監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行了探討，通過對(duì)關(guān)鍵技術(shù)與方法的應(yīng)用，能掌握地鐵周邊環(huán)境在施工過程中的動(dòng)態(tài)變化；建立了順暢的信息反饋渠道及完善的信息管理與反饋機(jī)制，提高了工作效率，確保了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)處理的及時(shí)性和準(zhǔn)確性；通過使用監(jiān)測(cè)成果調(diào)整設(shè)計(jì)以指導(dǎo)施工，使地鐵建設(shè)工程能保質(zhì)、保量、安全順利實(shí)施。

[1] 張彬,張成．沈陽(yáng)地鐵車站深基坑沉降變形特性[J]．遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2015,34(2):197-202

[2] 丁進(jìn)選．地鐵監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]．勘察科學(xué)技術(shù),2013(2):15-17

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[4] 陳學(xué)軍,鄒寶平,鄺光霖,等．盾構(gòu)隧道下穿深圳濱海大道沉降控制技術(shù)[J]．鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2010,30(3):92-95

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P258

B

1672-4623（2017）01-0081-04

10.3969/j.issn.1672-4623.2017.01.025

周小莉，碩士，講師，研究方向?yàn)閿z影測(cè)量與遙感、工程測(cè)量。

2015-10-21。

項(xiàng)目來源：國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目（41001226）。