城市軌道交通工程監測預警研究＊

徐耀德 金 淮，2 吳鋒波

（1.北京安捷工程咨詢有限公司，100037，北京；2.北京城建勘測設計研究院有限責任公司，100101，北京；3.中國科學院地質與地球物理研究所，100029，北京∥第一作者，高級工程師）

城市軌道交通地處復雜的城市環境條件、地質巖土條件之下，工程建設又不可避免地帶來新的安全風險技術與管理問題，因施工不當引發的工程結構破壞、地層變形和地表沉降（隆起）等，可危及工程自身和周邊環境安全，會帶來嚴重的經濟損失和惡劣的社會影響。如2003年7月1日上海軌道交通4號線浦東南路至南浦大橋站區間事故、2007年3月28日北京地鐵10號線蘇州街站東南出入口塌方事故、2008年11月15日杭州風情大道地面塌陷事故等慘痛教訓，為人們敲響了警鐘。

工程事故的不斷出現，使安全風險意識逐漸深入人心，其中工程監測及其預警作為信息化施工和安全風險管控的“眼睛”，在全國城市軌道交通工程安全風險管控的研究和實施的需求和發展趨勢凸顯。目前，國內主要軌道交通建設城市探索研究或構建了安全風險監測預警管理體系，力圖通過監測信息分析、風險判定和預警預報，及時發現安全隱患和采取應對措施，降低安全風險。但工程監測預警及管理的依據及方法相對不足，在控制指標、預警標準、預警反饋與責任機制及暢通運行等方面有待規范。因此研究制定科學、合理的監測預警技術和管理措施，有效發揮工程監測及預警在軌道交通建設的安全保障作用，為實現安全管理目標和工程建設的安全、順利與快捷推進保駕護航，是當前亟待解決的重大問題之一。

在廣泛收集國內外有關工程安全預警資料和相關法律法規與技術規范，調研國內相關行業、軌道交通工程監測及預警管理研究與實踐現狀、趨勢的基礎上，通過深入總結、理論分析、專家咨詢和工程檢驗等方法，研究構建了一套基于工程監測的城市軌道交通工程安全預警分類分級及管理體系。研究成果已初步應用于北京市軌道交通工程中，工程監測預警及風險預控效果明顯。

1 研究現狀

1.1 預警思想、概念及方法

預警思想古已有之，由于軍事的特殊地位和作用，“預警”一詞最早出現并得到發展和完善。二戰后，美國將預警理論應用于經濟領域，為宏觀經濟穩健運行提供了有效的決策支持。其后，各國相繼開展了預警研究，在國家戰略、經濟、災害、社會管理等領域取得了豐富的研究成果。安全預警已經深入到經濟、社會生活的方方面面。

1.1.1 預警基本概念

預警思想包括警情、警源、警兆、警度、警區和警點等基本概念[1]。

警情又稱警義，是指系統發展過程中出現的異常情況，是預警時確定需要監測和預報的內容，即城市軌道交通工程監測預警的具體內容。

警源是指產生某種警情發生的根源，它是分析警兆的基礎，也是排除警患的前提。城市軌道交通工程監測的警源主要包括工程周邊環境、支護結構體系和周圍地質體三大類型。

警兆又稱先導指標或先行指標，是預警指標體系的主體，是唯一能夠直接提供預警信號的預警指標。工程監測預警一般包括儀器監測預警和現場巡視預警指標。

警度又稱警級，指警情的輕重程度，是預警的定量分析結果，及工程監測預警劃分的預警等級。

警區即預警區間，是指警兆的變化范圍；警點即確定預警的分界點，由量變轉化為質變（警情）的臨界點，它是橫亙于安全與危險之間的一條警戒線。警區和警點統稱為警限。

1.1.2 預警基本方法

根據不同的分類標準，預警方法可以有不同的類型劃分。依據預警機制，可以分為黑色、黃色、紅色、綠色和白色預警方法，其中黃色預警最為常見。如依據預警手段，黃色預警方法可分為指數預警、統計預警和模型預警，模型預警方法又可分為計量和非計量模型預警（見表1、表2）[1]。

城市軌道交通工程監測預警目前一般采用監測數據超值（控制值）預警或對監測數據進行回歸分析等處理后進行預測預警，采取統計預警方法較多。工程應用過程中可根據工程監測的特點，結合指數預警或模型預警方法，建立預警模型，對應不同的警級給出模型的取值范圍進行預警。一些存在較大安全隱患或關注較大的警兆可直接進行較高級別的預警。

表2 依據預警手段劃分的黃色預警方法

1.2 預警研究現狀

目前，宏觀經濟、社會管理、地質災害、氣象、建筑基坑、公路鐵路隧道等其他行業的預警，在技術上，以基本警情為內容，根據警源特點的分析，選用合理的警兆，劃分警度（警級），采用適宜的預警模型進行警情預警預報；在管理上，根據本行業特點建立適宜的預警預報體系，取得了積極的安全控制效果。城市軌道交通工程可以在劃分預警等級、制定預警標準、建立預警信息采集、上報、響應和處置等方面的技術與管理機制充分借鑒其基本思路、方法。

城市軌道交通工程監測預警作為安全風險管理的重要內容，國內外已取得了較豐富的研究成果。

20世紀90年代出現電腦數據采集系統后，國外逐步對監測分析、信息反饋及預測報警的自動化開展研究，以滿足信息化施工及險情預報要求。Demetrious C.Koutsof tas等（2000）通過舊金山地鐵建設項目的施工過程，說明了信息化施工中監測的重要性[2]。J.B.Burland和J.R.Standing（2001）總結了倫敦地鐵Jubilee線延伸段隧道施工對周圍建筑物影響的風險評估方法，根據工程風險管理系統對建筑物進行監測預警預報。Chungsik Yoo、Jae－Hoon Kim等（2006）通過遠程監控系統TURISK對韓國大邱地鐵2號線周邊建筑物進行預警預報[3]。

在監測預警指標方面，Singhal（1984）在柔性管（接頭允許轉動的管線）性能方面做了很多基礎工作，通過彎曲、拉伸和扭轉試驗，分析了管線接頭的抗變形機制。B.P.Kassap（1992，2000）等人論述了美國波士頓I－93州際公路北向隧道段下穿地鐵RedLine南站的工程風險評估和控制指標確定情況。J.R.Standing和R.Selman（2001）研究了倫敦地鐵Jubilee延長線下穿的10條地鐵隧道動態變化和控制情況。Taki與O′Rourke（2003）研究認為鑄鐵管上的初始應力值大致為管線縱向彎曲應變達到0.02%～0.04%時的應力值。R.J.Finno（2005）提出了建筑物分層梁模型，計算最大彎曲應變和剪切應變，判斷裂縫破壞風險等級[4]。Moorak Son（2005）提出了四階段建筑物破壞方法，通過角變位和水平應變確定結構破壞風險等級。

國外城市軌道交通建設過程中應用了風險管理的理念，在相關法律、法規中制定了工程建設中監測、預警和安全保護等方面的內容。

近些年來，國內工程監測與安全風險管理研究不斷開展，在工程監測項目確定、監測數據分析處理、預警標準、預警模型等方面均取得了較大的進展。

監測預警模型方面，李宏義（2000）、胡友健（2001）、劉瑢（2006）等從分析基坑位移影響因素和位移特征入手，提出了監測數據灰色預警模型[5－6]。葉繼權等（2009）通過三次B樣條曲線擬合法將圍護結構水平位移的報警轉化為彎矩進行報警。梁培新（2005）以南京地鐵1號線龍蟠路隧道深基坑工程為工程背景，建立了基于反演理論的深基坑工程預警系統[7]。陳偉珂、王興華（2007）以多層次模糊綜合評價法對基坑開挖階段預警指標進行評估分析[8]。

監測控制指標、預警報警值方面，宋建學（2006）、鐘山（2006）、李均（2009）等分析了預警指標確定原則，根據工程實踐經驗和資料總結提出了一些量化指標[9－10]。丁華等（2008）總結了軟土地區深基坑安全監測的一些預警征兆，并對其的產生原因和發展趨勢進行了探討分析。謝韜（2009）對基坑工程監測預警研究現狀進行了總結，給出了支護結構、周邊建筑物、地下管線、地下水位的預警值。齊震明、李鵬飛（2010）運用模糊聚類方法對北京地鐵淺埋暗挖隧道地表沉降測點進行統計分析，提出了沉降控制標準和預警、報警、極限三級預警管理。吳鋒波（2010）總結了目前建（構）筑物控制的各類變形參數，對其定量化研究成果進行歸納，根據大量變形實測資料，提出了控制指標的參考數值[11]。

監測預警管理系統方面，2001年8月上海軌道交通（4號線）二期使用了遠程監控管理系統。北京交通大學王夢恕院士（2004）提出在北京建立安全風險管理系統，進行監測資料管理和預警。杜年春（2006）建立了“地鐵施工監測信息管理及安全預警系統”，在廣州實行了施工監測預警信息化管理。

2008年9月北京市軌道交通建設管理公司開始實行《北京市軌道交通工程建設安全風險技術管理體系》（試行），對工程監測預警分級、監測項目和控制指標確定、預警信息上報、響應和處置、預警管理及各方職責等進行了全面的規定，并以安全風險監控系統為平臺，很好地實現了工程監測預警[12－13]。國內其他軌道交通建設城市上海、廣州、深圳等也不同程度開展了工程監測預警系統的研究和實施工作，積累了一定的工程監測及預警管理經驗。

2 工程監測內容和控制指標

目前，針對城市軌道交通工程的國家標準《城市軌道交通工程監測技術規范》尚處于編制過程當中，國內現行相關規范、規程對工程監測內容均有不同程度的說明。經統計分析，工程監測可以分為儀器監測（包括人工監測和自動化監測）和現場安全巡視。

2.1 儀器監測

通過《城市軌道交通工程測量規范》（GB50308—2008）、《建筑基坑工程監測技術規范》（GB 50497—2009）等29部國家、行業和地方有關軌道交通工程監測的規范、規程的統計分析，工程監測對象一般包括工程支護結構體系、工程周邊環境和周圍地質體三大類（見表3）。

表3 工程監測的項目及內容（儀器監測）

2.2 監測控制指標

工程監測的控制指標是影響工程監測預警的關鍵指標，必須慎重給定，目前通用的做法是由設計單位給出。同時，不同的監測項目應設置不同的控制指標，一般包括允許變化（變形或內力）控制值、平均變化速率和最大變化速率等。

工程支護結構的控制指標應根據相關技術標準，結合地質條件、周邊環境條件、施工工法、結構型式和地區工程經驗等綜合分析確定。工程周邊環境的控制指標應參考相關技術標準、類似工程經驗，并在周邊環境現狀調查、現狀評估和分析計算的基礎上，結合產權單位的要求綜合確定。當工程風險等級較高時，應進行專門的控制指標研究，并組織專家論證后確定。

2.3 現場安全巡視

工程監測應能夠掌握工程建設整體性狀的變化，對工程安全狀態做出迅速、及時的評價，除常規儀器監測以外，應進行現場安全巡視。現場巡視往往能更迅速發現問題和采取措施，是工程安全監測及預警的重要輔助手段和不可分割的組成部分。

現場安全巡視一般采用觀察、拍照、現況描述和量測、攝像等方法，重點對各監測對象進行現場安全質量狀況的巡視觀察。如對工程周邊環境中的建（構）筑物，需巡視其開裂、剝落，地下室的滲水情況與附屬設備狀態。對地下管線，巡視管線及接口的破損、滲漏情況。對周邊道路（地面），巡視其沉陷、隆起、開裂等。對明（蓋）挖法基坑，巡視開挖面地質性質及其變化，巖土體的滲漏水、塌落，基坑涌土、流沙或管涌，支護體系的滲漏、開裂、變形等。對盾構法隧道，需巡視管片襯砌的工作狀態（包括管片變形、開裂、錯臺、拼裝縫、掉塊以及漏水狀況等）、盾構機出土情況等。對礦山法隧道，巡視開挖面地層性質及其變化，圍巖體滲漏水，土方開挖、工作面坍塌情況，降水效果等。

3 工程監測預警

3.1 監測預警分級

《中華人民共和國突發事件應對法》規定：“可以預警的自然災害、事故災難和公共衛生事件的預警級別，按照突發事件發生的緊急程度、發展勢態和可能造成的危害程度分為一級、二級、三級和四級，分別用紅色、橙色、黃色和藍色標示，一級為最高級別。”全國各軌道交通工程建設城市也探索了適合當地特點的工程監測預警分級體系，北京、上海將工程監測預警分為黃色、橙色和紅色預警三個級別，但無具體警限規定；沈陽將警級分為正常區（測值＜警戒值，綠色）、隱患區（警戒值≤變形＜臨界值，黃色）和危險區（變形≥臨界值，紅色）三區；香港將工程監測預警分為預警值、告警值和管理值。

根據城市軌道交通工程及其建設管理的特點和成熟做法，按照城市軌道交通工程的風險等級、安全狀況、危害程度及發展趨勢等，將城市軌道交通工程監測預警由大到小可分為一級、二級、三級和四級，分別用紅色、橙色、黃色和藍色表示，紅色為最高警級。

3.2 監測預警分類

研究認為，工程監測預警可分為單一監測數據預警、監測綜合預警和工程監測預警三類。

3.2.1 監測數據預警

監測數據預警是根據對某監測項目某監測點的實測數據與預先給定的預警值進行對比，因超出預警值而進行的預警。監測數據預警是一切預警的基礎，只是針對具體監測數據因超標而進行的單一數據預警，但不能完全反映監測項目或監測對象的安全狀況。

工程監測數據分析處理是監測數據預測預警的工作基礎，目前多采用散點圖法和回歸法，各地也可根據工程經驗，結合科學先進的分析技術和手段（如信息系統），推動該項工作的開展。

監測項目測點數據預警，北京采用變化量和變化速率的“雙控”指標，對重大風險工程的監測數據預警細化到關鍵工序之中。

（1）黃色監測數據預警：“雙控”指標（變化量、變化速率）均超過監測控制指標的70%時，或雙控指標之一超過控制指標的85%時。

（2）橙色監測數據預警：“雙控”指標均超過控制指標的85%時，或雙控指標之一超過控制指標時。

（3）紅色監測數據預警：“雙控”指標均超過控制指標，或實測變化速率出現急劇增長時。

而廣州、深圳一般取控制指標的80%為警戒值；天津取80～90%為預警值。建議各地可根據各地軌道交通工程特點、建設管理經驗等進行合理確定預警值。

3.2.2 監測綜合預警

監測綜合預警是綜合考慮某一監測項目的監測數據預警點數量、位置分布及預警等級情況等進行的預警。監測綜合預警能較好地反映工程監測項目因監測數據超標的不安全程度大小，一定程度上是真正意義的監測預警。這樣可避免因監測數據預警點多、又無法掌握是否存在監測預警或不安全狀態，給相關監控管理方決策和解決工程實際問題造成困擾。

3.2.3 工程監測預警

工程監測預警是指通過綜合分析監測綜合預警和巡視預警結果，對工程監測項目或監測對象乃至整個工程項目的不安全程度進行的警情預測判定。工程監測預警是一種廣義的、高層次、基于各種監測數據和巡視信息以保證工程自身和周邊環境安全的復合型、本質的工程預警，是一種完整意義、真正考量工程安全隱患或不安全狀態的預警。監測預警的紅、橙、黃和藍色四警級主要是以工程監測預警來進行預警管理的，是實施工程預警管理策略的主要依據。

其中，巡視預警可根據現場巡視內容、異常程度及對工程、周邊環境的影響程度等，結合地區經驗制定相應的預警等級。如工程支護結構或周邊土體的位移突然明顯增長，支護結構體系出現過大變形、斷裂，周邊建筑結構、地面出現嚴重開裂，管線開裂及其他嚴重異常時屬于紅色巡視預警，應采取應急處置措施。

工程監測預警的等級需考慮單一或多個監測項目的預警的類別（監測綜合預警與巡視預警）及數量、預警等級、工程風險等級及分布狀況等影響因素綜合確定，其相應的函數表達式為：

式中：

D——工程監測預警等級；

β——工程風險等級影響因子；

f1，f2，…，fn——不同的監測項目；

α1，α2，…，αn——不同監測項目的權重；

l1，l2，l3，l4——藍色、黃色、橙色和紅色預警監測項目的數量。

工程監測預警類似于中醫的“望、聞（巡視）、問、切（監測）”，各影響因素的權重可根據具體工程或監測項目的特點具體確定。工程實際中應緊密結合當地工程經驗，可采用綜合對比分析、現場會商和專家論證等方法綜合確定。

4 工程監測預警的管理

4.1 預警管理模式及責任機制

4.1.1 監測預警管理模式

目前，國內主要軌道交通建設城市多采用三層管理模式，并多依托遠程監控管理信息系統進行工程監測預警管理。北京包括公司層（監控管理中心）、項目管理層（監控管理分中心）和現場實施層；上海包括集團層面（總監控中心）、項目公司層面（分監控中心）和實施層（總包、設計、監測、監理）；南京包括地鐵總公司（遠程監控總中心）、建設分公司（遠程監控中心）和現場執行小組（監測、項目工程師、施工、監理）；杭州包括指揮層（集團公司、專家組）、中間管理層（遠程監控管理中心）和現場執行小組（業主代表、設計、施工、監理、第三方監測）。

經研究，根據國家現行法律法規規定的工程建設參與方的安全質量責任，結合當前較多的三層機構管理模式，工程監測預警也應實施相應的三級預警分層管理，一般包括建設管理層（建設主管部門及相關政府管理部門、建設單位）、現場監管層（監理單位或建設單位委托的現場工程安全咨詢機構）和監測預警實施層（土建施工單位、監測單位等，見圖1）。

圖1 工程監測預警管理組織機構框圖

4.1.2 工程建設相關方責任

政府相關管理部門負責檢查監督工程參建各方的預警實施及管理工作，工程出現重大突發事件時按照有關規定進行應急組織、處置與救援工作。

建設單位作為軌道交通工程的總體管理單位，是監測綜合預警發布、響應與處置的監督管理和組織協調主體，負責組織制定工程監測預警管理標準、及時反饋和上報（必要時上報建設主管部門和政府相關管理部門）工程監測預警信息，并監督預警落實情況。

監理單位或建設單位委托的現場工程安全咨詢機構是工程監測綜合預警的發布主體和現場監督管理主體，負責工程綜合監測預警的分析、發布與響應，并監督管理工程監測及分析、預警信息的形成與報告、監測預警的響應與處置等工作。

施工單位是施工監測預警信息的報告主體和監測數據預警、現場巡視預警和監測綜合預警的處置與響應實施主體，負責施工監測實施、施工監測與巡視結果分析、預警信息上報及各類監測預警的響應和處置。

第三方監測單位是第三方監測預警信息的報告主體，負責第三方監測實施、第三方監測結果分析、預警信息報告和監測綜合預警的響應與處置。

設計單位負責參與工程監測結果的分析、監測綜合預警信息的響應與處置。

4.2 監測預警管理的內容及流程

針對城市軌道交通工程監測預警（如前所述，為廣義上的工程本質預警），工程監測預警的管理主要包括：預警信息上報、響應、處置和消警等內容。

4.2.1 監測預警的信息上報、響應和處置

預警信息報送形式一般包括書面報送、遠程監控系統報送、電話報送、短信報送等。遇紅色警情必須以最快捷、有效的方式第一時間上報。監測預警實施層應根據警情采取加強監測、巡視和必要的先期風險處置。現場監管層收到預警信息后，應及時組織分析，判定監測預警等級，并進行發布和反饋。施工單位負責實施相關風險處置措施。

（1）藍色監測預警應于確定時起1天內報送施工、第三方監測和設計單位。施工和第三方監測單位應加大監測頻率，監理、咨詢單位加強監督。

（2）黃色監測預警應于確定時起4h內報送施工、第三方監測、設計和建設單位業主代表。施工和第三方單位應加大監測頻率和結果分析，監理、咨詢單位和建設單位業主代表加強監督。

（3）橙色監測預警應于確定時起1h內報送施工、第三方監測、設計和建設單位。建設單位負責組織相關參建方進行分析處理，并根據監理、咨詢單位或專家的預警處理意見，會同相關方及時制定處理方案，監督預警處置。

（4）紅色監測預警應于確定時起立即以有效、快捷的方式報送相關參建單位、周邊環境產權單位和建設主管部門。由建設主管部門組織相關參建方進行分析處理，制定處理方案，監督預警處置。

（5）當發生工程重大突發風險事件時，應首先采取有關處理措施，并第一時間上報建設主管部門和工程相關參建方單位負責人，必要時越級上報建設主管部門、政府相關管理部門和社會救援機構等。預警信息的上報、響應和處置流程見圖2。

4.2.2 監測預警的消警

當預警期間沒有發生工程自身或環境風險事故，沒有次生災害發生且監測預警處置已結束時，施工單位可提出消警申請，監理或工程安全咨詢機構評定后確定是否消警。

消警應遵循謹慎、可靠的原則，對于狀況不明、邊界條件模糊、缺乏分析支撐、目前技術認知難以確定的監測預警不予消警。監測預警消除后，仍然應繼續跟蹤相應監測指標和工程安全狀態。對于高級別風險工程和紅色預警的消警，尚應組織專家論證確定。

圖2 工程監測預警信息管理流程

5 結論與建議

1）當前我國城市軌道交通建設發展迅猛，工程監測及預警理論初步形成，需全面規范工程監測及預警技術，健全科學、普適的工程監測預警管理制度。

2）考慮城市軌道交通工程的特點及監測預警的內容、現狀，可細分為監測數據預警、監測綜合預警和工程監測預警三類。其中控制指標、監測數據預警點數量、分布及預警等級、工程風險等級及分布狀況和現場巡視異常情況是其主要考量因素。

3）結合現行法律法規和已有成熟做法，工程監測預警等級可由大到小分為一級、二級、三級和四級（分別用紅色、橙色、黃色和藍色表示，紅色為最高警級）。

4）工程監測預警管理包括預警的分層級管理模式、責任主體、預警上報、響應、處置和消警等內容，需在嚴格遵循現行法律法規的基礎上根據軌道交通工程的特點和實際進行，建設、施工、監理方責任重大。

5）隨著城市軌道交通工程監測預警工作的開展，監測預警應不斷總結經驗、加強監測預警技術創新，應用科學、先進的信息化技術和管理手段，以滿足國內城市軌道交通迅猛發展和安全質量管理的需要。

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