巖土工程施工中地下結構監測和安全評估方法探析

王北強

摘要：地下結構在工程施工中承擔著重要的功能和作用，然而其受到地質環境和工程施工影響較大，存在安全隱患。因此，監測單位對地下結構監測和安全評估具有重要的意義。隨著城市化進程不斷加快，地下結構的使用越來越廣泛，如地下車庫、地下管網等。然而，地下工程施工過程中的地質災害、變形和破壞等問題也頻繁發生，嚴重威脅著工程的安全和穩定運行。因此，構建科學有效的地下結構監測和安全評估方法，可以提前預警、減少事故風險，保障工程的順利施工和可持續發展。

關鍵詞：巖土；工程；監測；評估方法

DOI：10.12433/zgkjtz.20240343

一、巖土工程施工中的地下結構監測技術

（一）監測對象和監測要素

在巖土工程施工中，地下結構的監測對象主要包括土體、巖石體和地下建筑物等。針對不同的監測對象，需要監測的要素也不盡相同。對于土體和巖石體的監測，常見的要素包括地表沉降、地表位移、地下水位、地下應力、溫度等。地表沉降和地表位移是評估工程變形和沉降的重要指標，通過全站儀、GPS和測量標桿等設備測量。地下水位是巖土工程施工中的關鍵要素，對地下結構的穩定性和安全性具有重要影響，通過水位計和壓力計等裝置監測。地下應力是評估地下結構受力情況的重要指標，通過應變計和測力計等設備測量。溫度的監測通過溫度計和紅外測溫儀等工具測量。

對于地下建筑物的監測，除了上述要素外，還需要考慮結構變形、應力和振動等方面的監測。結構變形通過激光測距儀、傾斜儀和應變計等設備監測。應力的監測通過應變計、傳感器和應力片等工具測量。振動是評估地下建筑物受到的外界震動影響的重要指標，通過加速度計和振動傳感器等設備進行監測。

（二）監測方法與技術

1.傳統監測方法

傳統的地下結構監測方法主要包括測量法、觀測法和試驗法。測量法是利用各種測量儀器和設備對地下結構的監測要素進行直接測量的方法。例如，使用全站儀、GPS、水位計等設備進行位置、高程和水位的測量。

觀測法是通過觀察和記錄地下結構的表觀變形和現象來評估其安全性和穩定性。例如，使用傾斜儀、裂縫計等設備對地下結構的傾斜度和裂縫情況進行觀測和記錄。

試驗法是通過對地下結構進行負荷試驗或模型試驗，獲取其受力和變形特性的方法。例如，通過靜載試驗、振動試驗等獲得地下結構的承載能力和動態響應。

2.新興監測方法

隨著科技的進步，新興的地下結構監測方法不斷涌現。其中，無線傳感網絡技術是一種具有廣泛應用前景的新興監測方法。該技術利用無線傳感器節點構建網絡，實時采集和傳輸地下結構的監測數據，具有實時性強、安裝方便等優點。通過無線傳感網絡，實現對地下結構的位移、應力、溫度等參數實時監測和預警。

另外，遙感技術也被廣泛應用于地下結構監測中，如衛星遙感、航空遙感等。通過獲取遙感圖像，獲得地下結構的變形情況、地下水位等信息，提供更全面的監測數據。同時，人工智能技術開始應用于地下結構的監測與診斷中。通過大數據處理和智能算法，對監測數據進行分析和解讀。例如，使用機器學習和深度學習算法對監測數據進行走勢預測、異常檢測和結構健康評估，提升監測效率和準確性。

（三）監測數據分析與處理

監測數據的分析與處理是地下結構監測的重要環節，對準確評估結構的安全性和穩定性至關重要。常用的數據分析與處理方法包括數據歸納與整理、數據校核與平滑、數據比較與對比、數據趨勢評估等。通過對監測數據的分析和處理，獲取結構的變形、應力等信息，并與設計參數進行對比，判斷結構是否存在異常情況。同時，進行模型分析和數值計算，預測結構的變形和承載能力，為施工中的調整和優化提供依據。

二、巖土工程施工中地下結構安全評估方法

（一）安全評估指標體系

在巖土工程施工中評估地下結構的安全性，需要建立科學完整的指標體系，以綜合考慮結構穩定性、結構變形和經濟效益等多個方面的因素。

1.結構穩定性評估

地下結構的穩定性是安全評估的首要考慮因素之一。評估指標包括地下結構的材料強度、承載能力、穩定性分析結果等。例如，結構的安全系數、滑移和翻轉等限制條件可以用于評估結構的穩定性。此外，還需要考慮地下結構與周圍土體的相互作用，如地基的承載能力和土體側推等因素。

2.結構變形評估

地下結構的變形是評估其安全性的另一個重要方面。變形評估指標包括結構的沉降、位移和變形量等。這些指標反映地下結構及其周圍土體的變形特征。通過監測和測量指標，評估結構的變形情況，并及時采取相應的措施保證結構的安全。

3.經濟效益評估

經濟效益評估考慮了地下結構在使用過程中的經濟效益和可行性。評估指標包括建造成本、維護費用、使用壽命等因素。通過評估這些指標，為工程決策提供經濟依據，確保在滿足安全需求的前提下，最大限度地節約成本。

（二）安全評估方法

1.傳統評估方法

傳統的地下結構安全評估方法主要包括經驗公式法、析力法和整體系數法。這些方法基于經驗公式和解析力學原理，通過對結構受力分析和參數計算評估地下結構的安全性。

首先，經驗公式法是一種基于已有實測數據和經驗數據的評估方法。通過對大量實際工程的統計分析，建立經驗公式或經驗關系，用于預測地下結構的穩定性和變形情況。這些公式通?？紤]了地下水位、土體性質、地下結構形式等因素，可以快速評估地下結構的安全性。

與經驗公式法有所不同，析力法是通過對地下結構的受力分析來評估其穩定性。該方法將結構和土體分為若干個小區域，應用力學原理推導每個區域的受力方程，并解出各個區域的受力狀態。通過分析結構的受力特征和穩定限制條件，評估地下結構的安全性。析力法需要較為復雜的計算過程和較高的工程力學知識。

整體系數法是一種將地下結構的安全系數引入評估中的方法。該方法通過確定各種荷載和參數的安全系數，并綜合考慮，得出整體安全系數。整體系數法簡化了計算過程，降低了分析難度，適用于一般地下結構的安全評估。需要注意的是，傳統評估方法通常基于經驗和假設，結果可能存在一定的不確定性。

在實際應用中，應綜合考慮各種方法的優缺點，并根據具體情況選擇適當的方法進行地下結構的安全評估。此外，隨著計算機技術的發展，還出現了基于數值模擬的安全評估方法，如有限元法和離散元法。這些方法可以更精確地模擬地下結構的力學行為，提供更準確的安全評估結果，但需要更復雜的計算和較高的技術需求。

2.數值模擬和分析方法

數值模擬和分析方法是一種利用計算機軟件開展的地下結構安全評估方法。常見的數值模擬方法包括有限元方法和計算流體動力學方法。

有限元方法是一種將結構和土體離散為有限個小單元，在每個單元上進行力學分析的方法。通過將結構和土體劃分為小單元網格，建立節點和單元之間的力學關系，利用力學原理求解結構的應力和變形情況。有限元方法考慮復雜的結構和土體性質，提供更精確的應力和變形預測結果。然而，該方法需要網格劃分和數值計算，計算量較大且要有較高的計算機性能和專業知識。

計算流體動力學方法是一種模擬流體在結構周圍流動情況的方法。對于地下結構來說，液體的作用是重要的，如地下水和土體相互作用引起的滲流等。計算流體動力學方法通過數值模擬流體的運動，預測地下結構在液體作用下的穩定性。該方法適用于評估滲流、液體壓力和土體侵蝕等問題。該方法需要網格劃分和數值計算，并考慮流體力學的復雜性。

數值模擬和分析方法可以提供更精確的地下結構安全評估結果，并考慮更多復雜因素的影響。該方法的準確性和可靠性取決于輸入參數和模型的正確性，需要結合實測數據和合理的假設進行分析和解釋。

（三）安全評估結果解讀與應用

1.結果解讀

解讀安全評估結果是確保評估工作有效的關鍵。根據評估結果，判斷結構的穩定性、變形情況和經濟效益等方面是否滿足設計要求。根據評估結果的不同等級，確定是否需要進一步采取措施來確保地下結構的安全。

2.結果應用

根據安全評估結果，制定相應的控制措施和管理策略。例如，修改工程設計、調整施工方法、加強工程監測等。這些措施旨在提高地下結構的安全性和穩定性，減少潛在風險。

3.結果反饋

將安全評估的結果及時反饋給相關人員和團隊。促進信息共享和溝通，以便共同制定合理的管理計劃和決策。通過不斷優化和改進，提高巖土工程施工中地下結構安全評估的準確性和可靠性。

三、巖土工程施工中的地下結構監測與安全評估案例分析

（一）典型地下結構監測案例分析

1.案例一：隧道監測

在某城市地鐵隧道施工過程中，嚴格監測地下結構。監測點位設置在隧道內部和周圍，監測隧道的沉降、位移、應力等參數。監測數據通過傳感器實時采集，并通過數據分析軟件進行處理和分析，監測結果用于評估隧道的穩定性和變形情況，以及判斷是否需要采取調整施工方法或加固措施。

2.案例二：地下室施工監測

某高層建筑地下室施工期間，開展地下室墻體的監測。監測點位設置在地下室墻體的不同位置，通過激光測距儀實時測量墻體的位移和變形。監測數據與設計要求對比，監測結果用于評估地下室墻體的穩定性和變形情況，確保施工安全開展。

（二）典型地下結構安全評估案例分析

1.案例一：地下管廊安全評估

某城市地下管廊的結構穩定性，需要安全評估。首先，收集管廊的設計圖樣和相關資料，確定管廊的結構參數和荷載條件。然后，利用有限元方法對管廊進行數值模擬，計算管廊的應力和變形情況。將計算結果與設計要求對比，并評估管廊的結構穩定性。最后，根據評估結果制定相應的加固方案和管理措施。

2.案例二：地鐵站臺安全評估

某城市地鐵線路的站臺結構存在問題，需要安全評估。評估內容包括對站臺結構的材料強度、承載能力和穩定性進行分析。通過采集站臺的監測數據，如沉降和位移等參數，結合有限元分析方法，評估站臺結構的變形情況。根據評估結果，確定是否需要加固或維修站臺結構，以確保乘客的安全。

（三）案例分析與討論

在這些典型的地下結構監測和安全評估案例中，通過合理設置監測點位和采用先進的監測技術，對地下結構實時監測，并獲取準確的監測數據。通過數據分析和數值模擬等方法，對地下結構的穩定性和變形情況評估。在監測案例中，及時獲取監測數據有助于工程人員了解地下結構的實際情況，判斷是否存在風險，并采取相應的措施以確保施工安全。在安全評估案例中，通過分析監測數據和數值模擬，準確評估地下結構的穩定性和變形情況，為后續加固和維修工作提供依據。然而，需要注意的是，監測和評估結果僅作為參考，還需要結合實際情況和專業經驗綜合判斷。此外，在監測和評估過程中，注意數據的準確性和可靠性，以及監測設備的正常運行。

四、結語

綜上所述，地下結構監測和安全評估在巖土工程施工中起著至關重要的作用。在地下結構監測方面，傳統監測方法通過對結構變形和應力狀態的監測，及時了解地下結構的變化情況。而新型監測方法具有高效、精確和非接觸的特點，可以提供更全面的監測數據。在地下結構安全評估方面，建立科學合理的評估指標體系是關鍵。通過評估指標體系，綜合考慮結構的穩定性、變形情況和荷載能力等因素，準確評估地下結構的安全性。同時，采用合適的安全評估方法如有限元分析、風險評估和可靠性評估等，對地下結構進行全面的安全性評估，并根據評估結果采取有效措施?？傊?，地下結構監測和安全評估是巖土工程施工中不可或缺的環節。

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