对地铁施工监测技术及安全预警系统的探讨

曾拾生

摘 要：作为地下工程，城市地铁建设安全隐患大，风险高。在地铁施工过程中，采取何种措施和手段，保障地铁项目自身及周边建筑环境的安全，是地铁建设的一项重要内容。本文通过结合昆明地铁工人文化宫车站施工过程中的具体监测实例，对地铁施工中的监测技术进行较为全面、系统的总结
关键词：地铁施工；监测；

地铁建设项目周期长、投资大、施工技术复杂、不可预见风险因素多、对社会环境影响大，属于高风险工程。近年来我国地铁工程中的安全事故屡屡发生，频繁出现人员伤亡、重要市政设施损坏的事故。因此，提高地铁工程的安全管理水平，是应对当前地铁建设的当务之急：以先进的监测设备和技术方法对地铁施工进行监测，通过科学的数据分析辨识风险，并进行风险评估和风险控制，以预防、规避或转移风险，保障地铁施工安全。
一、工程概况
昆明市轨道交通首期工程文化宫站为2号线与3号线工程换乘车站，本站位于北京路与东风东路十字路口下地处昆明市繁华的北京路与东风路十字路口，交通疏解压力很大。车站有效站台长118米，宽14米，外包长度307.6米，外包宽度22.9米。车站围护结构采用地下连续墙，开挖采用半盖挖法施工。2号线开挖深度一般为16.578m，最深达18.178m，3号线一般开挖深度为23.56m，最大开挖深度达25.3m。共设6个出入口。文化宫站是目前昆明地铁建设规模、工程量、投资最大的地下车站，车站累计开挖土方量超过40万立方，主体结构钢筋混凝土近10万立方。
二、监测目的
工程进行信息化施工，通过在工程施工期间对基坑围护体系和周围环境的变化情况进行监测，汇总各项监测信息，可进行综合分析，有利于指导施工，采取各项施工措施以及环境保护措施的实施。
三、监测重点
根据本工程施工安排和环境条件，信息化监测的重点有以下内容：
1) 基坑本身的安全监测是工程的重点；
2) 基坑周围的环境，其变形监测亦是工程的重点。
四、监测内容
监测内容设置取决于工程本身的规模、施工方法、地质条件、环境条件及常规监测方式，本着经济、合理、有效的原则，遵守工程施工的规律，合理设置监测内容。
基坑开挖是土体卸荷产生应力释放的过程，也是一个应力重新分布的过程，会引起围护体的巨大变形。这种变形贯穿于施工的全过程，但是，这种变形也可以通过合理的设计，有效的施工措施结合“时空效应”理论的信息反馈技术等方法进行有效控制，将变形控制在允许的程度。因此，有效、准确、及时的施工监测是信息化施工的关键。
针对一般工程的设计要求及施工条件，总体设置以下监测内容：
1) 围护体位移（测斜）监测     2) 围护墙顶沉降与位移监测
3) 支撑轴力监测               4) 立柱隆沉监测
5) 坑底土体隆沉监测           6) 坑外地下水位（潜水）变化监测
7) 坑外地表沉降监测           8) 建(构)筑物沉降监测
五 、测点布设
5.1  围护（墙）体测斜孔布设
围护体测斜是对基坑开挖阶段围护体向坑内方向的水平位移进行监控，及时掌握基坑变形的动态信息。根据各种规范及地铁公司要求，监测点布置间距宜为3幅地墙（约18m），中间及阳角部位宜布置监测点，每侧边监测点至少设置1个，对于基坑中部，特别是基坑宽度较大、开挖较深、受力集中区域，应予以加密。测斜孔深度必须与围护体深度一致，无效量测深度不得大于2 m，否则应在地墙迎土面补设测点。在地下连续墙内埋设测斜管方法如下：
在地下连续墙钢筋笼内绑扎高强度PVC测斜管，管长与钢筋笼长度一致。测斜管外径为70mm，管体与钢筋笼主筋绑扎牢，管内一对十字滑槽（用于下放测斜仪探头滑轮）必须与基坑边线垂直，上、下端管口用专用盖子封好，接头部位用胶水、胶带密封，钢筋笼吊装完后，立即注入清水，防止泥浆浸入，并做好测点保护。
埋设时间：与围护体施工同步。
5.2  围护（墙）体顶部沉降、位移测点布设
由于测斜所反映的墙体位移是相对于墙顶（或者墙底）为不动点的相对位移，故尚须测出墙顶的绝对位移，两者相比较才能得出墙体向坑内方向各点的绝对位移。因而，设立墙顶位移监测点应与墙体测斜孔位置相对应。将监测点埋设于第一道圈梁梁顶，同时兼做顶部沉降点。
埋设时间：与围护（墙）体第一道圈梁混凝土浇筑同步，同时做好测斜管接出地面工作。
5.3 支撑轴力布设
围护（墙）体外侧的侧向土压力由围护（墙）体及支撑体系所承担，当实际支撑轴力与支撑在平衡状态下应能承担的轴力（设计值）不一致时，将可能引起围护体系变形过大或支撑体系失稳。为了监控基坑施工期间支撑的内力状态，需设置支撑轴力监测点。
为确保基坑安全，监测点宜布置在支撑受力较大、较复杂的支撑上，其测试元件选用钢弦式传感器，量程按设计最大值的1.5倍选用，其安装方法如下：                 
⑴第一道钢筋砼支撑轴力布设钢弦式钢筋应力计（见下图片）来监测支撑受力。钢筋计在混凝土钢筋绑扎完后进行安装，将钢筋应力计焊在距离整个支撑长度的1/2～1/3处混凝土支撑的主筋上（注意：焊接钢筋应力计的主筋必须截断），导线用¢50的PVC塑料管引出到外面，砼浇筑7天后（或者砼强度达70～80%）才能测量初始频率。
⑵其余几道钢管支撑中布设钢弦式轴力计（见下图片）的方法监测支撑受力：轴力计一般设置在支撑端部的活络头侧，X型外壳钢托架与活络头贴角全部围焊，防止轴力计偏移支撑中心，维持支撑的稳定性，见示意图。（注意：初始频率必须在整个支撑预加力前测出）
现场轴力计埋设
测量时采用频率计，通过加低电压测出测试元件的振弦频率，与率定表比较换算，然后计算出整根支撑的受力。
埋设时间：与支撑施工安装同步。
5.4  立柱隆沉测点布设
立柱对支撑体系起到一定的支承和约束作用，其隆沉将直接影响支撑体系的安全，亦应加强对其的隆沉监测。监测点宜布置在基坑中部、施工栈桥下的立柱上，且数量不得少于立柱总数的10%。
埋设时间：第一道支撑施工开始埋设
5.5  坑底土体隆沉测点布设
基坑开挖是卸荷的过程，随着基坑内土体开挖有应力释放过程，引起坑内土体回隆，严重时，坑外土体涌入基坑形成坑底隆起，在砂性土层中，在动水压力作用下可能出现涌砂，这将对工程造成严重影响，危及基坑安全。通过埋设坑底土体隆沉观测孔，利用分层沉降仪可量测基坑开挖过程中土层的隆沉量，依据隆沉量和速率及早发现问题。
    在埋设的测管内慢慢放入沉降仪测头，每到一个磁环埋设点，沉降仪测头感应信号并启动声响器，根据声响记录钢尺距管顶的距离，管顶高程以二等水准联测求得，由管顶高与沉降仪钢尺上的读数求得磁环埋设点的高程。各点累计隆沉量等于实时测量值与其初始值的变化量。
埋设时间：在坑底加固完成后开始降水前1周完成。
5.6  坑外地表沉降监测点布设
地表沉降是基坑施工最基本的监测项目，它最能直接反映周围环境的变化情况。将钢筋或木桩埋入围护体外的土体中，深度约0.6米，露出地面，顶部焊上测钉(如果现场条件不允许，则在地面布设间接点)。
埋设时间：工程开始施工前2周埋设。
5.7  建(构)筑物沉降监测点布设
本工程周边已有建筑物都在基坑西、南两侧，基坑施工对建筑物存在影响，在受影响范围内的建筑物布设监测点，监测点宜布置在建筑物角点、中点位置，沿周边布置间距宜为6～20m，且每边不应少于2个。
埋设时间：工程开始施工前2周埋设。
六 、监测设备安装顺序
各监测设备仪器的安装随基坑工程施工步序而开展，基本按如下顺序进行：
1) 先期布设房屋、地面沉降点。
2) 围护墙施工时，同步安装墙体内的测斜管。
3) 围护墙及坑内外加固施工完后，钻孔埋设坑外的水位管监测点。
4) 围护墙顶的圈梁浇捣时，同步埋设墙顶的沉降、位移测点，并做好测斜管的保护工作，进行初始值的测取工作。
5) 基坑开挖前，应测出各测试项目的初始值。
6）第一道钢筋混凝土支撑施工时，同步安装钢筋计，混凝土浇注后7天，测出初读数。
7）每道钢支撑施工时，同步安装轴力计，每根支撑预加力前，需完成轴力测试仪器的安装工作，并测出初读数。
七 、监测频率安排
7.1  监测频率设置依据
根据二级基坑监测时间间隔要求，监测工作自始至终要与施工的进度相结合，根据工况合理安排监测时间间隔，做到既经济又安全。根据以往同类工程的经验，常用监测频率见下表 (最终监测频率须与设计、总包、业主、监理及有关部门协商后确定)。
监测内容 监       测       频      率
围护施工 坑内降水 基坑开挖 底板浇筑后 支撑拆除期间
围护顶部变形监测 / / 1次/1天 2次/周 1次/1天
围护结构侧向位移监测 / / 1次/1天 2次/周 1次/1天
支撑轴力监测 / / 1次/1天 2次/周 1次/1天
立柱桩垂直位移监测 / / 1次/1天 2次/周 1次/1天
坑底土体垂直位移监测 / 2次/周 1次/层土 
坑外地表垂直位移监测 /  1次/1天 2次/周 1次/1天
坑外房屋垂直位移监测 /  1次/1天 2次/周 1次/1天
坑外水位观测 / 2次/周 1次/1天 2次/周 1次/1天
7.2  监测频率设置说明
监测工作布置的基本原则是在确保施工安全，本着“经济、合理、可靠”的原则下安排监测进程，尽可能建立起一个完整的监测预警系统。
1) 基坑预降水阶段，应在降水前一周完成水位观测孔、连续墙顶变形点的埋设，并测定初始值，观测项目为水位观测，测量频率为2～3次/周。
2) 在基坑开挖过程中，由于土体应力场的变化，围护墙深部将向坑内位移，势必引起周边地表、地下管线的沉降，尤其是当基坑开挖至坑底垫层浇注前这一时间段内，整个围护体处于最不利受力状态，变形速率也会增大。特殊情况如监测数据有异常或突变，变化速率偏大等，适当加密监测频率，直至跟踪监测。
3) 在地下结构施工阶段，各监测项目观测频率为2～3次/周，支撑拆除阶段1次/天。
八、结束语
总之，在项目施工期间，使用先进的监测设备和安全风险管理平台，采用适合的监测方法，确保监测数据的连续性、准确性和可靠性，并通过安全风险管理平台的分析处理、安全风险评判和风险评估，及时进行安全信息发送，并提出合理的施工纠正、改进措施，确保地铁施工安全；在地铁施工结束后，收集各种施工监测数据，建立地铁施工安全管理数据库，并组织专家评审研究，总结经验，评述不足，为后继工程提供指导依据

参考文献
  [1] 王暖堂．深基坑围护结构力学变形监测技术[J]．北京测绘，2008，2）：12-15