信息化測繪條件下的地鐵施工監測方法探討

周小莉，俞 葒

(1.四川水利職業技術學院 測繪工程系，四川 崇州 611231；2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院， 河南 焦作 454000)

(1.Dept.of Surveying and Mapping Engineering, Sichuan Water Conservancy Vocational College, Chongzhou 611231， China; 2.School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000， China)

信息化測繪條件下的地鐵施工監測方法探討

周小莉1，俞 葒2

(1.四川水利職業技術學院 測繪工程系，四川 崇州 611231；2.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院， 河南 焦作 454000)

地鐵施工監測是保障地鐵安全施工的重要手段，同時也為由地鐵施工引起的地表環境影響評價提供重要的數據支撐。文中在現代地鐵施工技術背景下，以信息化測繪技術為支撐，對地鐵施工監測的新內涵進行探討，對地鐵施工監測過程中的信息管理與反饋機制、主要方法進行系統論述與總結，并以某地鐵站施工監測為例，對相關技術與方法進行檢驗，證明技術與方法的可行性和實用性。

信息化測繪；地鐵；施工監測；方法

隨著城市化進程的加快，人口與車輛的增多帶來嚴重的交通問題，修建地鐵成為緩解路面交通擁擠、改善城市交通狀況、促進城市交通建設可持續發展的重要途徑。然而在人口密集、建筑設施密布的城市中進行地鐵施工，不可避免會對巖土體產生擾動，引起周圍地表發生位移和變形，甚至危及周邊建筑物、道路和地下管線的安全。監測地鐵施工引起的各種變形，對建筑物保護、保證施工進度和人身安全都具有十分重要的意義，已經成為地鐵工程的一個重要組成部分[1]。1969年，Peck提出地層損失的概念和估算隧道開挖地表下沉的實用方法[2]。Verruijt&Booker提出隧道變形機理主要是隧道表面土體的對稱徑向位移和隧道的橢圓化變形[3]。朱忠隆等研究了上海地鐵二號線土壓平衡式盾構隧道施工引起的縱向地表沉降規律[4]。施成華等將地表下沉和地表隆起視為一隨機過程，分析了盾構隧道施工引起的縱向地表沉降[5]。廖少明等提出盾構隧道掘進時要進行信息化施工，且要通過監測數據調整控制盾構施工參數[6]。張勇等提出顧及工作基點沉降影響的測點沉降修正方法，表明采用合理的方法對測點的沉降進行修正，將使測點的沉降監測成果更加真實可靠[7]。上述成果多是從施工引起的變形機理方面進行研究。

隨著地鐵施工技術的改進與提高以及信息化測繪技術的發展，地鐵監測的內涵也在發生著變化，本文對信息化條件下地鐵施工監測方法進行探討，并運用信息化管理與反饋機制對監測過程進行管理，以期為同類工程提供參考。

1 地鐵監測的信息管理與反饋

建立地鐵施工監測、信息管理與反饋機制，是保證地鐵施工安全的重要保障。筆者提出如圖1所示監測信息管理與反饋機制，在工程實施過程中對各項監測信息進行管理。首先根據各個監測點的情況，設置監測點的預警值、警戒值和控制值，并將各監測點原始監測數據導入信息管理系統中，通過對監測數據的處理與分析，利用相關數學模型，完成各監測項的變形量計算、變形量時程曲線圖繪制等工作，并根據需要自動生成監測成果次報和階段性報告，以便對施工情況處置提供科學的依據。

圖1 監測信息反饋流程

2 地鐵監測內容及方法

地鐵施工是一個系統工程，為保障其安全施工，需要監測多項指標，綜合考慮各項指標才能對地鐵安全和周邊的安全狀況做出客觀、全面的判斷。地鐵施工監測主要包括：周邊及沿線的主要建(構)筑物的沉降、道路及地表沉降、支護結構樁頂部水平位移、土體側向變形、支護結構變形、支撐軸力、錨桿拉力、支撐立柱沉降、地下水位等內容的監測。其中，建(構)筑物、道路及地表沉降監測及基坑水平位移監測是地鐵監測的主要內容，其變形數據對研究變形體的空間狀態與時間特性，并對變形的原因做出科學解釋具有重要意義。本文以這三項監測為主要內容對相關技術與方法進行探討。

2.1 建(構)筑沉降監測

建(構)筑沉降監測是以垂直位移為主的變形觀測，基本方法是按建(構)筑場地地形、地質條件以及對垂直位移變形觀測的精度要求，合理布設控制網點，同時根據工作要求在基坑支護結構上和建筑物體結構上埋設變形觀測點。根據變形觀測點得到觀測數據，計算和整理后反饋到勘察設計施工部門。

2.1.1 沉降監測控制網

沉降監測控制點包括基準點和工作基點，沉降監測基準點的選設必須保證點位地基堅實穩定、通視條件好、利于標石長期保存與觀測等條件。工作基點選設在靠近觀測目標且便于聯測觀測點的穩定或相對穩定位置。控制網應與城市軌道交通工程高程系統一致；布設成閉合、附合或結點網；高程控制點不應少于3個，且應定期檢測。沉降監測控制網采用國家二等水準測量技術要求進行測量，同時滿足變形監測的“三定”要求(測站固定、儀器固定、人員固定)，在布設的同時量測出每次儀器的安置位置，并用紅油漆在地面做出標記。

2.1.2 建(構)筑沉降監測點布設原則與方法

建(構)筑物沉降監測監控對象為基坑邊緣以外3倍開挖深度范圍內需要保護的建(構)筑物。建(構)筑物的豎向位移監測點通常布置在：建(構)筑物四角的柱基上；不同地基或基礎的分界處；建(構)筑物不同結構的分界處；變形縫、抗震縫或嚴重開裂處的兩側；新、舊建筑物或高、低建筑物交接處的兩側；煙囪、水塔和大型儲倉罐等高聳構筑物基礎軸線的對稱部位，每一構筑物不得少于4點。沉降監測點布設還要考慮不影響建筑物的外觀，不影響車輛或行人的交通，避開有礙設標與觀測的障礙物等。

2.1.3 構(建)筑物沉降觀測方法

根據水準控制線路測出的各控制點高程數據，采用閉合線路或附合線路觀測周圍的各建筑(構)物沉降點，也可采用支點觀測，但支點站數不得超過兩站，且支點觀測必須進行兩次觀測。每次觀測由固定測量人員、固定儀器按相同的觀測路線進行，觀測記錄至0.01 mm，計算及結果至0.1 mm。

2.1.4 建(構)筑物沉降監測控制標準

在建(構)筑物沉降監測的控制標準評判中，判定內容分為最大沉降值和沉降速率兩類，樁基礎建筑物的最大沉降控制標準值10 mm，天然地基建筑物的最大沉降控制標準值為30 mm，最大沉降速率為2 mm/d，在工程的監測過程中，沉降值與沉降速率達到控制標準值的80%時，則發出警報。

2.2 道路及地表沉降監測

道路及地表沉降監測用來測定道路及地面高程隨時間變化的情況。盾構法、礦山法、頂管法隧道監測通常包含重要道路及地表沉降的監測，其控制測量網布設及沉降點觀測方法與建筑物沉降部分基本相同。

2.2.1 道路及地表沉降監測點的布設原則與方法

道路及地表沉降監測點的布設對于不同的主體采用不同的方法。對于區間隧道，沿隧道左、右線的中線縱向各布置一行沉降監測點，間距根據隧道埋深以及地表、地層的實際情況確定，在始發和到達井100 m范圍內加密布設。選擇區間的特殊地段和典型地層處布設橫斷面，每個橫斷面上依據近密遠疏的原則布置7相應測點，其最外點位于結構外沿不小于1倍埋深處；對于車站，主體基坑沿基坑邊以15 m排距布設測點，每排布置2個測點，并且每個車站布設3～5個主斷面，每個主斷面依據近密遠疏的原則布置測點。在特殊地質地段和周圍存在重要建(構)筑物或重要管線時，監測斷面間距適當加密。

2.2.2 沉降監測控制標準

在道路及地表沉降監測的控制標準評判中，判定內容分為最大沉降量、最大隆起量以及變形速率3類，其最大變形控制值和預警標準見表1。

表1 道路及地表沉降控制標準

2.3 支護結構樁頂部水平位移監測

水平位移監測總體上遵循基準點—監測控制點(工作基點)—水平位移監測點的觀測原則。在基坑邊相對穩定處布設監測控制點，作為水平位移監測工作基點，同時在基坑施工影響范圍外穩定的區域布設或利用4個基準點或基準方向，用以檢核工作基點的穩定性。觀測時，首先利用基準點檢核工作基點的穩定性，再在工作基點上設站，進行水平位移監測點的觀測。

2.3.1 工作基點的布設及穩定性檢查

為確保按照《建筑物變形測量規程》的二級精度進行水平位移觀測，視線長度≤300 m，在車站基坑周邊布設工作基點，在基坑外穩定區域、通視情況好的位置布設導線基準點，組成本基坑水平位移監測控制網，控制測量以全站儀導線測量等形式開展。根據施工場地及周邊環境的實際情況，可選擇后方交會法結合導線測量法進行水平位移監測工作基點的穩定性檢查。

2.3.2 水平位移監測點的布設

在基坑支護結構的冠頂梁上布設監測點，可采用埋設觀測墩的形式，在支護樁冠頂梁上鉆孔，在孔內埋設Φ25鋼筋，并澆筑混凝土觀測墩，墩頂部埋設強制對中螺栓和棱鏡整平鋼板。實際監測過程中，可采用反射棱鏡作為監測目標，定制對中螺栓代替普通的棱鏡對中螺栓，以便將棱鏡直接安裝在監測位置。

2.3.3 水平位移監測點的觀測方法

根據基坑施工現場實際條件，水平位移監測可采用全站儀極坐標法或前方交會等方法進行。在變形監測中，基坑位移關注的是垂直于基坑邊方向的變化量。設基坑長邊為x軸，垂直基坑長邊為y軸，則矩形基坑變化量主要關心y方向或x方向的變化量。

3 實例分析

3.1 監測區及監測點布設情況

本研究選取某市某地鐵站為監測區，該站是兩條地鐵線路的換乘站，兩條地鐵線之間采用“L”型島-島節點換乘方式，并預留站廳換乘。該站位于城市西區，集中了大量的住宅小區、飯店，客流相對集中，受施工場地和交通疏解要求的限制，采取圍護樁加鋼支撐的支護形式，采用蓋挖法施工，盾構過站。實驗區布設了22個建(構)筑物沉降監測點，7個道路及地表沉降監測點，6個水平位移監測點，監測點布置見圖2。

3.2 監測數據統計

本次監測選取以鄰近建(構)筑物沉降監測、地表沉降監測與樁頂水平位移監測為主要研究對象。在監測數據統計中，圖表具有較好的視覺效果，可方便用戶查看數據的差異、圖案和預測趨勢。本文選取實驗區主要監測點的變形曲線進行示例性說明，見圖3～圖5。

圖2 監測點布置圖

圖3 周邊建筑物沉降變形曲線圖

圖4 地表沉降變形曲線圖

3.3 監測數據分析

本次沉降監測點中，累計變形最大點為J3-4(3.34 mm)，監測點變形相對較小均未超報警值；地表沉降監測點中，累計變形最大點為D3(5.5 mm)，監測點變形相對較小均未超報警值；水平位移監測點中，累計變形最大點為S3(-4.29 mm)，監測點變形相對較小均未超報警值。總的來說，在整個施工周期內，各項監測數據正常、穩定，變形(化)平緩，沒有發生報警情況；基坑在整個監測周期內處安全可控狀態。

圖5 基坑水平位移曲線

4 結 論

本文對信息化測繪技術條件下，地鐵監測的關鍵技術與方法進行探討，通過這些關鍵技術與方法的應用，能掌握地鐵周邊環境在地鐵隧道施工過程中的動態變化，及時地進行預測，建立順暢、高效的信息反饋渠道及完善的信息反饋流程，提高工作效率，確保監測數據處理的及時性和準確性，用監測成果調整設計并指導施工，達到信息化施工的目的，使重大建筑工程保質、保量、安全地順利實施。

[1]李建廷,李東輝.廣州地鐵沉降監測方法及數據處理[J].地理空間信息,2011,9(4),122-124.

[2]PEEL R B．Deep excavations and tunnelling in soft ground[A]．In：Proceedings of the 7th International Conference on Soil Mechanics and Foundation Engineering[C].Mexico，State of the Art Volume，Sociedad Mexicana de Mecanica de Suelos，A．C，Mexico City,1969,225-290．

[3]VERRUIJT A，BOOKER J R．Surface Settlement due to Deformation of A Tunnel in An Elastic Half Plane[J]．Geotechnique，1996,46(4):753-756．

[4]朱忠隆，張慶賀，易宏傳．軟土隧道縱向地表沉降的隨機預測方法[J]．巖土力學,2001,22(1):56-59．

[5]施成華，彭立敏．隨機介質理論在盾構法隧道縱向地表沉降預測中的應用[J]．巖土力學,2004,25(2):320-323．

[6]廖少明，侯學淵．盾構法隧道信息化施工控制[J].同濟大學學報,2002,30(11):1305-1310．

[7]張勇，田林亞．顧及工作基點沉降影響的測點沉降修正方法研究[J].測繪工程,2013,22(4):65-71．

[責任編輯：張德福]

Research and application of monitoring methods to subway construction under information-based surveying and mapping

ZHOU Xiao-li1，YU Hong2

Rapid hair subway construction presents new challenges to the safety of subway construction project.Construction monitoring of metro subway is an important mean to monitor the construction process,accident warning and guarantee the safety, but also provides important data support for environmental impact assessment of surface on the grounds caused by subway construction.Based on the background of modern subway construction technology, using information technology to support mapping of new content to explore the subway construction monitoring, process monitoring for subway construction information management and feedback mechanism, the key technologies and methods of the system are discussed and summarized.A subway station is taken as an example, the technologies and methods are tested in order to prove the feasibility and practicality.

information-based surveying and mapping; subway; monitoring for construction; methods

2014-04-22

國家自然科學基金資助項目(41001226);河南省高等學校骨干教師資助計劃(2012GGJS-055);河南省教育廳自然科學研究計劃項目(2010B170006); 礦山空間信息技術國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金(KLM201202);數字制圖與國土信息應用工程國家測繪地理信息局重點實驗室開放基金項目(GCWD201002); 河南理工大學博士基金(B2010-9)

周小莉(1982-)，女，講師，碩士研究生.

TU196

：A

：1006-7949(2014)09-0036-04

(1.Dept.of Surveying and Mapping Engineering, Sichuan Water Conservancy Vocational College, Chongzhou 611231， China; 2.School of Surveying and Land Information Engineering, Henan Polytechnic University, Jiaozuo 454000， China)