城市地鐵隧道基坑變形監測與分析

常樂 CHANG Le

（沈陽城市建設學院，沈陽 110167）

0 引言

現代化城市建設的不斷推進中，城市軌道交通和城際軌道交通工程的需求急速提升，地下工程的修建也不斷增加，工程的推進需要大量基坑工程的支撐，而國家經濟建設不斷的加深發展，對城市快速交通網的要求也進一步提高。然而，城市建設的交通主干部分大多位于城市中心地帶，特別是貫通城市地下交通的地鐵隧道基坑工程，其周邊環境多而復雜，新舊建筑交錯，因此基坑工程從設計開始到施工測量直到變形監測都有相當高的要求。因此，必須根據基坑周圍的環境進行整體監測以確保工程安全，但是基于各種地下管網布設密集、建筑周圍環境復雜等原因，使得勘測設計、施工測量、運營監測等部門進行緊密溝通合作，對基坑變形程度進行嚴格把控，才能確保基坑工程在施工中保障安全。

1 基坑變形監測

1.1 基坑變形監測分類

基坑變形分類有多種方式，依其類型進行分類可分為基坑的靜態變形與動態變形兩大類[1]。基坑靜態變形指基坑變量僅僅是時間的函數，就是說只表示某段時間內變形的量的觀測結果；基坑動態變形不僅僅是時間函數，還受到了外力而產生了變化，是指受到外力作用而產生的變形，它的觀測結果是在某一時刻瞬時發生的變形。

建（構）筑物基坑變形主要原因是在上部荷載承載力變化作用下地基的體積受到擠壓而發生形變。縱向移動中垂直向上的稱為上升，向下的稱為沉降。造成這些形變的因素主要有以下兩個方面：一是工程地質及土壤性質類的既有基坑的自然條件影響，比如地基的地質情況有差別，有的地質環境穩定，有的是并不穩定的，這樣就會發生不均沉降進而引起傾斜。另一種原因與建筑本身相關聯，包括建筑自身荷重、整體的建筑結構情況以及外界動荷載，包括風力、振動等方面的因素，這些因素相互關聯，綜合影響整體建筑物發生形變。

1.2 基坑變形監測的作用

現階段基坑施工，基坑形變、附近土體沉降、支護結構受力等信息都是通過動態測量得到。通過動態的實時測量可以確保基坑施工過程中的安全穩定[2]：首先可以保證施工中基坑各部分結構的穩定，通過獲取變形監測的實時數據可以控制基坑施工階段的土層及支護結構變形；其次可以保證變形數據的有效處理分析并預測沉降及結構形變的規律，進而為減少對周邊的干擾采用合理的工程方案；再次可以評估周邊環境是否安全，也能對深基坑自身建設情況進行健康監測；最后也可以利用測量數據總結具體項目的建設模式積累經驗，為同類項目提供參考。

1.3 監測方案設計前的準備工作

根據方案設計的原則，做好一個監測方案需要熟悉多個隧道施工方案和施工區域內土壤、地下水以及隧道施工影響范圍內現有結構物的相關資料，所以，方案設計前的準備工作包括：

①收集各種資料。資料主要包括：隧道施工方案，施工區域內地質分析報告，施工影響范圍內結構物的設計圖紙和竣工資料，施工區域內的管線圖，施工區域內的交通情況等。

②現場勘查。現場踏勘主要是對施工整體情況有所了解，包括施工中涉及到的范圍內存在的建筑物、構筑物以及相關管網的情況，其中需要勘察管線位置、類型、尺寸，建筑物及構筑物的形狀、結構、是否存在裂紋等等。勘查的主要目的是便于監測點的布置和施工對其影響的評價。

2 變形監測數據處理分析及穩定性分析

2.1 變形監測數據處理分析

在勘測過程中，不但需要現場獲取變形監測的資料，還需要對變形數據進行分析整理，才能使變形監測為施工過程服務，以此保障工程安全、指導工程獲取應有的效益。

在整理分析變形監測數據時主要有兩方面內容[3]：

①監測數據的整理：將工程過程中測量所得的數據和相關材料進行整理并制成圖表加以說明，使成果易于運用，這是本階段的首要工作，具體有以下幾點：

1）核對每一項原始數據，對全部變形監測數據的計算進行檢核。

2）依照時間順序依次在觀測表中填寫各點的變形數據。

3）繪制基坑變形相關圖表包括變形數據的過程線和分布圖。

②測量數據的分析：本階段的分析是對建筑物及構筑物變形的過程、規律等情況進行歸納和總結。對變形的因素進行分析，總結它們之間的數學模型描述，得出變形值和影響因素之間的關聯，之后再去判別建筑整體的利用符合標準與否。對于建筑變形內在的原因以及規律，則需要進行多次測量，得到海量資料后進一步查明，以便對原有設計值和經驗系數進行修改。本階段整體分析可總結為如下三種：

1）成因分析（定性分析）：定性的分析區別于定量統計，它是分析、辨別、明確觀測值變化的形成和規律，是對建筑物自身以及建筑物上作用的荷載進行分析。

2）統計分析[4]：統計分析是接續成因分析的進一步分析，需要對測量數據統計分析后得到一定規律，進而得出變形因素與觀測值之間的函數關系。

3）觀測數據預測：可根據統計分析得到的函數關系進一步對建筑物將來可能發生的變形情況進預測，并能由此對建筑物是否安全及安全程度進行判別。

2.2 水準點穩定性分析

對建筑物進行垂直位移監測所設置的水準點，需要保證穩定，即使不能保證全部點都穩定不動的情況下，至少要有一組保證是穩定的，力求使其能保持穩定不動，可以以此為變形數據計算的基準[5]。而在實際工程中，除了基巖上所設置的標志之外，從沖積層設置的標志，就算埋設得再深，也很難確定是穩固的。比如，依據多年變形監測數據經過多次觀察比較，發現部分深埋數十米甚至百米以上的鋼筋混凝土樁，仍有抬升出現。另外，國外有很多膨脹土地區，設置在這里的水準點標志也很難做到保持固定沒有位移。在此類區域內進行垂直方向變形監測，不可以無依據地選取某點作為基準的起始點，而是要根據反復測量的數據進行統計，得到一個相對其他點更穩定的水準點當做起始點，以此才能進行進一步分析。

比如，針對某水準網進行重復觀測，從觀測的N 次數據中去分析，通過N 次的成果能對水準點是否穩定進行判斷。

改正數Δij（i—水準點號，j—觀測周期），產生兩種不同的因素：水準測量產生的誤差與水準點可能發生的抬升和下沉；因此很難直接在Δij中判別出它們。

然而，從數據Δij的絕對值來看，若其數據明顯高于水準點產生的測量誤差，這里可以近似地將其視為第j 次測量相對于第一次測量的i 點的升降值。

當出現下面情況時，為了去掉改正數中的“系統部分”，需要確定改正值的均值，即改正數Δij接近水準測量而產生的誤差時，需要進行此計算：

并將其每項改正數Δij中減掉它，進而得出由上述情況引起的偶然誤差：

很明顯，δij即為第i 點（i=1，2，…，n）在j 次觀測（j=1，2，…，N）時與這一點與各次測量值均值的偏差。它可以用來表示水準點是否穩定，作為一個穩定性指標，并且σi越小，水準點越穩定。

3 工程項目

3.1 項目概況

某地地鐵1 號線全長20 余公里，是本市軌道交通線網中一條貫通南北的軌道交通骨干線，地鐵首先進行樞紐站規劃，發現其樞紐站的站周邊規劃已經基本形成，多以高層建筑為主，因此采取了以暗挖法施工為主的樞紐站站址周邊規劃。

3.2 觀測儀器

項目主要采用Trimble DINI12 配套LD12 銦鋼尺，精度滿足每公里往返測高程中誤差≤0.3mm。

3.3 監測項目及限差

項目主要監測項目及限差要求見表1。

表1 垂直位移基準網觀測主要技術指標及要求

3.4 監測方法

隧道豎直變形監測及水平位移觀測可以將觀測點設在隧道頂部或腰線處，然后在進行測量變形監測時，可采用常規水準測量方法。同時，建立以隧道軸線及其軸線的垂直方向形成的坐標系，并利用導線測量的方式對設定的觀測點進行坐標測量，從而對隧道水平位移量進行計算。以項目樞紐站基坑支護工程變形監測為例，對樞紐站基坑的垂直方向和水平方向進行監測。監測基準點埋設在基坑外30m 以外的通視條件良好、地質堅硬處，布設可通視的2-3 個基準點，方便后期復核。監測點位于基坑內，利用鉆具成孔的方式布設，將鋼筋打入土層進行布設[6]。

3.5 監測成果

以樞紐站基坑支護工程監測為例，分析一周內的變形監測數據，從豎直方向變形監測及水平方向變形監測所得數據進行分析。

3.5.1 豎直方向變形監測數據分析

監測數據的直觀表示利用變形曲線圖可以更直觀的反映一周內的建筑基坑豎直方向的變形規律，圖1 以觀測的三個典型點，來表示一周內的變形。

圖1 豎直方向監測數據變形曲線圖

基坑的變形觀測點普遍布設在土體或混凝土中，在混凝土結硬的過程會發生收縮，這就可能引起觀測點抬升，而施工時會出現土體產生回彈現象，也會引起觀測點的抬升，加之基坑打樁過程產生的土壓力也會造成觀測點的抬升，因此在基坑監測過程中，若觀測點出現小幅抬升屬正常現象，不會對基坑安全造成影響。

3.5.2 水平方向變形監測數據（見表2）

表2 水平方向變形監測數據（某次觀測數據）

反映一個建筑基坑水平方向的變形規律，可根據曲線圖進行分析，水平方向典型點位移數據如圖2 所示。

圖2 水平方向監測數據變形曲線圖

隧道全線整體位移變形狀態及走向可通過曲線進行直觀、全面的展示，利于分析，便于發現問題并及時預警。

3.6 監測結果分析

根據監測報警值規范《建筑基坑支護技術規程》（JGJ 120-2012）及本次監測各變形觀測數據，通過統計分析，得到變形情況如下：樁頂水平位移：累計變化最大值12mm，各點累計值及變化速率未達到預警值。樁頂豎向位移：累計變化最大值1.23mm，各點累計值及變化速率均未達到預警值。土體深層水平位移：累計變化最大值，深度（4.9m）0.88mm，各點累計值及變化速率均未達到預警值。建筑物沉降：累計變化最大值1.98mm，各點累計值及變化速率均未達到預警值。地表豎向位移：累計變化最大值31.87mm，各點累計值及變化速率均未達到預警值。項目整體監測評價：正常。

4 結論

目前，隨著城市化進程的不斷推進，各種建筑物不斷出現，而基坑支護工程是一項風險較大的工程項目，因此建筑物的變形觀測越來越受到重視，而對建筑物的基坑變形進行監測也越來越重要，成為各種項目中必不可少的一個環節。同時，為了使變形觀測的結果與規律更加真實可靠，需要對變形觀測的數據成果進行整理和細致的分析，并需要妥善處理建筑基坑變形監測中存在的問題。而工程變形監測普遍采用分析變形原因和變形規律的方式和對此采取的有效措施對于決策者和施工人員及時掌握變形信息和變形情況、預測變形趨勢具有十分重要的意義。在變形監測分析過程中，通過繪制的變形曲線能更加直觀地反映基坑變形的趨勢，有利于工程決策者和施工人員更及時的掌握工程的變形信息，在此基礎上實施的有效改進措施，對提高工程的可行性和安全性有著十分重要的意義。同時越來越多的現代化監測及管理方法，能降低監測的數據觀測難度，減少數據處理工作，提高工作效率，為基坑安全作業提供支撐。