城市轨道交通工程监测预警研究＊

徐耀德 金 淮，2 吴锋波

（1.北京安捷工程咨询有限公司，100037，北京；2.北京城建勘测设计研究院有限责任公司，100101，北京；3.中国科学院地质与地球物理研究所，100029，北京∥第一作者，高级工程师）

城市轨道交通地处复杂的城市环境条件、地质岩土条件之下，工程建设又不可避免地带来新的安全风险技术与管理问题，因施工不当引发的工程结构破坏、地层变形和地表沉降（隆起）等，可危及工程自身和周边环境安全，会带来严重的经济损失和恶劣的社会影响。如2003年7月1日上海轨道交通4号线浦东南路至南浦大桥站区间事故、2007年3月28日北京地铁10号线苏州街站东南出入口塌方事故、2008年11月15日杭州风情大道地面塌陷事故等惨痛教训，为人们敲响了警钟。

工程事故的不断出现，使安全风险意识逐渐深入人心，其中工程监测及其预警作为信息化施工和安全风险管控的“眼睛”，在全国城市轨道交通工程安全风险管控的研究和实施的需求和发展趋势凸显。目前，国内主要轨道交通建设城市探索研究或构建了安全风险监测预警管理体系，力图通过监测信息分析、风险判定和预警预报，及时发现安全隐患和采取应对措施，降低安全风险。但工程监测预警及管理的依据及方法相对不足，在控制指标、预警标准、预警反馈与责任机制及畅通运行等方面有待规范。因此研究制定科学、合理的监测预警技术和管理措施，有效发挥工程监测及预警在轨道交通建设的安全保障作用，为实现安全管理目标和工程建设的安全、顺利与快捷推进保驾护航，是当前亟待解决的重大问题之一。

在广泛收集国内外有关工程安全预警资料和相关法律法规与技术规范，调研国内相关行业、轨道交通工程监测及预警管理研究与实践现状、趋势的基础上，通过深入总结、理论分析、专家咨询和工程检验等方法，研究构建了一套基于工程监测的城市轨道交通工程安全预警分类分级及管理体系。研究成果已初步应用于北京市轨道交通工程中，工程监测预警及风险预控效果明显。

1 研究现状

1.1 预警思想、概念及方法

预警思想古已有之，由于军事的特殊地位和作用，“预警”一词最早出现并得到发展和完善。二战后，美国将预警理论应用于经济领域，为宏观经济稳健运行提供了有效的决策支持。其后，各国相继开展了预警研究，在国家战略、经济、灾害、社会管理等领域取得了丰富的研究成果。安全预警已经深入到经济、社会生活的方方面面。

1.1.1 预警基本概念

预警思想包括警情、警源、警兆、警度、警区和警点等基本概念[1]。

警情又称警义，是指系统发展过程中出现的异常情况，是预警时确定需要监测和预报的内容，即城市轨道交通工程监测预警的具体内容。

警源是指产生某种警情发生的根源，它是分析警兆的基础，也是排除警患的前提。城市轨道交通工程监测的警源主要包括工程周边环境、支护结构体系和周围地质体三大类型。

警兆又称先导指标或先行指标，是预警指标体系的主体，是唯一能够直接提供预警信号的预警指标。工程监测预警一般包括仪器监测预警和现场巡视预警指标。

警度又称警级，指警情的轻重程度，是预警的定量分析结果，及工程监测预警划分的预警等级。

警区即预警区间，是指警兆的变化范围；警点即确定预警的分界点，由量变转化为质变（警情）的临界点，它是横亘于安全与危险之间的一条警戒线。警区和警点统称为警限。

1.1.2 预警基本方法

根据不同的分类标准，预警方法可以有不同的类型划分。依据预警机制，可以分为黑色、黄色、红色、绿色和白色预警方法，其中黄色预警最为常见。如依据预警手段，黄色预警方法可分为指数预警、统计预警和模型预警，模型预警方法又可分为计量和非计量模型预警（见表1、表2）[1]。

城市轨道交通工程监测预警目前一般采用监测数据超值（控制值）预警或对监测数据进行回归分析等处理后进行预测预警，采取统计预警方法较多。工程应用过程中可根据工程监测的特点，结合指数预警或模型预警方法，建立预警模型，对应不同的警级给出模型的取值范围进行预警。一些存在较大安全隐患或关注较大的警兆可直接进行较高级别的预警。

表2 依据预警手段划分的黄色预警方法

1.2 预警研究现状

目前，宏观经济、社会管理、地质灾害、气象、建筑基坑、公路铁路隧道等其他行业的预警，在技术上，以基本警情为内容，根据警源特点的分析，选用合理的警兆，划分警度（警级），采用适宜的预警模型进行警情预警预报；在管理上，根据本行业特点建立适宜的预警预报体系，取得了积极的安全控制效果。城市轨道交通工程可以在划分预警等级、制定预警标准、建立预警信息采集、上报、响应和处置等方面的技术与管理机制充分借鉴其基本思路、方法。

城市轨道交通工程监测预警作为安全风险管理的重要内容，国内外已取得了较丰富的研究成果。

20世纪90年代出现电脑数据采集系统后，国外逐步对监测分析、信息反馈及预测报警的自动化开展研究，以满足信息化施工及险情预报要求。Demetrious C.Koutsof tas等（2000）通过旧金山地铁建设项目的施工过程，说明了信息化施工中监测的重要性[2]。J.B.Burland和J.R.Standing（2001）总结了伦敦地铁Jubilee线延伸段隧道施工对周围建筑物影响的风险评估方法，根据工程风险管理系统对建筑物进行监测预警预报。Chungsik Yoo、Jae－Hoon Kim等（2006）通过远程监控系统TURISK对韩国大邱地铁2号线周边建筑物进行预警预报[3]。

在监测预警指标方面，Singhal（1984）在柔性管（接头允许转动的管线）性能方面做了很多基础工作，通过弯曲、拉伸和扭转试验，分析了管线接头的抗变形机制。B.P.Kassap（1992，2000）等人论述了美国波士顿I－93州际公路北向隧道段下穿地铁RedLine南站的工程风险评估和控制指标确定情况。J.R.Standing和R.Selman（2001）研究了伦敦地铁Jubilee延长线下穿的10条地铁隧道动态变化和控制情况。Taki与O′Rourke（2003）研究认为铸铁管上的初始应力值大致为管线纵向弯曲应变达到0.02%～0.04%时的应力值。R.J.Finno（2005）提出了建筑物分层梁模型，计算最大弯曲应变和剪切应变，判断裂缝破坏风险等级[4]。Moorak Son（2005）提出了四阶段建筑物破坏方法，通过角变位和水平应变确定结构破坏风险等级。

国外城市轨道交通建设过程中应用了风险管理的理念，在相关法律、法规中制定了工程建设中监测、预警和安全保护等方面的内容。

近些年来，国内工程监测与安全风险管理研究不断开展，在工程监测项目确定、监测数据分析处理、预警标准、预警模型等方面均取得了较大的进展。

监测预警模型方面，李宏义（2000）、胡友健（2001）、刘瑢（2006）等从分析基坑位移影响因素和位移特征入手，提出了监测数据灰色预警模型[5－6]。叶继权等（2009）通过三次B样条曲线拟合法将围护结构水平位移的报警转化为弯矩进行报警。梁培新（2005）以南京地铁1号线龙蟠路隧道深基坑工程为工程背景，建立了基于反演理论的深基坑工程预警系统[7]。陈伟珂、王兴华（2007）以多层次模糊综合评价法对基坑开挖阶段预警指标进行评估分析[8]。

监测控制指标、预警报警值方面，宋建学（2006）、钟山（2006）、李均（2009）等分析了预警指标确定原则，根据工程实践经验和资料总结提出了一些量化指标[9－10]。丁华等（2008）总结了软土地区深基坑安全监测的一些预警征兆，并对其的产生原因和发展趋势进行了探讨分析。谢韬（2009）对基坑工程监测预警研究现状进行了总结，给出了支护结构、周边建筑物、地下管线、地下水位的预警值。齐震明、李鹏飞（2010）运用模糊聚类方法对北京地铁浅埋暗挖隧道地表沉降测点进行统计分析，提出了沉降控制标准和预警、报警、极限三级预警管理。吴锋波（2010）总结了目前建（构）筑物控制的各类变形参数，对其定量化研究成果进行归纳，根据大量变形实测资料，提出了控制指标的参考数值[11]。

监测预警管理系统方面，2001年8月上海轨道交通（4号线）二期使用了远程监控管理系统。北京交通大学王梦恕院士（2004）提出在北京建立安全风险管理系统，进行监测资料管理和预警。杜年春（2006）建立了“地铁施工监测信息管理及安全预警系统”，在广州实行了施工监测预警信息化管理。

2008年9月北京市轨道交通建设管理公司开始实行《北京市轨道交通工程建设安全风险技术管理体系》（试行），对工程监测预警分级、监测项目和控制指标确定、预警信息上报、响应和处置、预警管理及各方职责等进行了全面的规定，并以安全风险监控系统为平台，很好地实现了工程监测预警[12－13]。国内其他轨道交通建设城市上海、广州、深圳等也不同程度开展了工程监测预警系统的研究和实施工作，积累了一定的工程监测及预警管理经验。

2 工程监测内容和控制指标

目前，针对城市轨道交通工程的国家标准《城市轨道交通工程监测技术规范》尚处于编制过程当中，国内现行相关规范、规程对工程监测内容均有不同程度的说明。经统计分析，工程监测可以分为仪器监测（包括人工监测和自动化监测）和现场安全巡视。

2.1 仪器监测

通过《城市轨道交通工程测量规范》（GB50308—2008）、《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2009）等29部国家、行业和地方有关轨道交通工程监测的规范、规程的统计分析，工程监测对象一般包括工程支护结构体系、工程周边环境和周围地质体三大类（见表3）。

表3 工程监测的项目及内容（仪器监测）

2.2 监测控制指标

工程监测的控制指标是影响工程监测预警的关键指标，必须慎重给定，目前通用的做法是由设计单位给出。同时，不同的监测项目应设置不同的控制指标，一般包括允许变化（变形或内力）控制值、平均变化速率和最大变化速率等。

工程支护结构的控制指标应根据相关技术标准，结合地质条件、周边环境条件、施工工法、结构型式和地区工程经验等综合分析确定。工程周边环境的控制指标应参考相关技术标准、类似工程经验，并在周边环境现状调查、现状评估和分析计算的基础上，结合产权单位的要求综合确定。当工程风险等级较高时，应进行专门的控制指标研究，并组织专家论证后确定。

2.3 现场安全巡视

工程监测应能够掌握工程建设整体性状的变化，对工程安全状态做出迅速、及时的评价，除常规仪器监测以外，应进行现场安全巡视。现场巡视往往能更迅速发现问题和采取措施，是工程安全监测及预警的重要辅助手段和不可分割的组成部分。

现场安全巡视一般采用观察、拍照、现况描述和量测、摄像等方法，重点对各监测对象进行现场安全质量状况的巡视观察。如对工程周边环境中的建（构）筑物，需巡视其开裂、剥落，地下室的渗水情况与附属设备状态。对地下管线，巡视管线及接口的破损、渗漏情况。对周边道路（地面），巡视其沉陷、隆起、开裂等。对明（盖）挖法基坑，巡视开挖面地质性质及其变化，岩土体的渗漏水、塌落，基坑涌土、流沙或管涌，支护体系的渗漏、开裂、变形等。对盾构法隧道，需巡视管片衬砌的工作状态（包括管片变形、开裂、错台、拼装缝、掉块以及漏水状况等）、盾构机出土情况等。对矿山法隧道，巡视开挖面地层性质及其变化，围岩体渗漏水，土方开挖、工作面坍塌情况，降水效果等。

3 工程监测预警

3.1 监测预警分级

《中华人民共和国突发事件应对法》规定：“可以预警的自然灾害、事故灾难和公共卫生事件的预警级别，按照突发事件发生的紧急程度、发展势态和可能造成的危害程度分为一级、二级、三级和四级，分别用红色、橙色、黄色和蓝色标示，一级为最高级别。”全国各轨道交通工程建设城市也探索了适合当地特点的工程监测预警分级体系，北京、上海将工程监测预警分为黄色、橙色和红色预警三个级别，但无具体警限规定；沈阳将警级分为正常区（测值＜警戒值，绿色）、隐患区（警戒值≤变形＜临界值，黄色）和危险区（变形≥临界值，红色）三区；香港将工程监测预警分为预警值、告警值和管理值。

根据城市轨道交通工程及其建设管理的特点和成熟做法，按照城市轨道交通工程的风险等级、安全状况、危害程度及发展趋势等，将城市轨道交通工程监测预警由大到小可分为一级、二级、三级和四级，分别用红色、橙色、黄色和蓝色表示，红色为最高警级。

3.2 监测预警分类

研究认为，工程监测预警可分为单一监测数据预警、监测综合预警和工程监测预警三类。

3.2.1 监测数据预警

监测数据预警是根据对某监测项目某监测点的实测数据与预先给定的预警值进行对比，因超出预警值而进行的预警。监测数据预警是一切预警的基础，只是针对具体监测数据因超标而进行的单一数据预警，但不能完全反映监测项目或监测对象的安全状况。

工程监测数据分析处理是监测数据预测预警的工作基础，目前多采用散点图法和回归法，各地也可根据工程经验，结合科学先进的分析技术和手段（如信息系统），推动该项工作的开展。

监测项目测点数据预警，北京采用变化量和变化速率的“双控”指标，对重大风险工程的监测数据预警细化到关键工序之中。

（1）黄色监测数据预警：“双控”指标（变化量、变化速率）均超过监测控制指标的70%时，或双控指标之一超过控制指标的85%时。

（2）橙色监测数据预警：“双控”指标均超过控制指标的85%时，或双控指标之一超过控制指标时。

（3）红色监测数据预警：“双控”指标均超过控制指标，或实测变化速率出现急剧增长时。

而广州、深圳一般取控制指标的80%为警戒值；天津取80～90%为预警值。建议各地可根据各地轨道交通工程特点、建设管理经验等进行合理确定预警值。

3.2.2 监测综合预警

监测综合预警是综合考虑某一监测项目的监测数据预警点数量、位置分布及预警等级情况等进行的预警。监测综合预警能较好地反映工程监测项目因监测数据超标的不安全程度大小，一定程度上是真正意义的监测预警。这样可避免因监测数据预警点多、又无法掌握是否存在监测预警或不安全状态，给相关监控管理方决策和解决工程实际问题造成困扰。

3.2.3 工程监测预警

工程监测预警是指通过综合分析监测综合预警和巡视预警结果，对工程监测项目或监测对象乃至整个工程项目的不安全程度进行的警情预测判定。工程监测预警是一种广义的、高层次、基于各种监测数据和巡视信息以保证工程自身和周边环境安全的复合型、本质的工程预警，是一种完整意义、真正考量工程安全隐患或不安全状态的预警。监测预警的红、橙、黄和蓝色四警级主要是以工程监测预警来进行预警管理的，是实施工程预警管理策略的主要依据。

其中，巡视预警可根据现场巡视内容、异常程度及对工程、周边环境的影响程度等，结合地区经验制定相应的预警等级。如工程支护结构或周边土体的位移突然明显增长，支护结构体系出现过大变形、断裂，周边建筑结构、地面出现严重开裂，管线开裂及其他严重异常时属于红色巡视预警，应采取应急处置措施。

工程监测预警的等级需考虑单一或多个监测项目的预警的类别（监测综合预警与巡视预警）及数量、预警等级、工程风险等级及分布状况等影响因素综合确定，其相应的函数表达式为：

式中：

D——工程监测预警等级；

β——工程风险等级影响因子；

f1，f2，…，fn——不同的监测项目；

α1，α2，…，αn——不同监测项目的权重；

l1，l2，l3，l4——蓝色、黄色、橙色和红色预警监测项目的数量。

工程监测预警类似于中医的“望、闻（巡视）、问、切（监测）”，各影响因素的权重可根据具体工程或监测项目的特点具体确定。工程实际中应紧密结合当地工程经验，可采用综合对比分析、现场会商和专家论证等方法综合确定。

4 工程监测预警的管理

4.1 预警管理模式及责任机制

4.1.1 监测预警管理模式

目前，国内主要轨道交通建设城市多采用三层管理模式，并多依托远程监控管理信息系统进行工程监测预警管理。北京包括公司层（监控管理中心）、项目管理层（监控管理分中心）和现场实施层；上海包括集团层面（总监控中心）、项目公司层面（分监控中心）和实施层（总包、设计、监测、监理）；南京包括地铁总公司（远程监控总中心）、建设分公司（远程监控中心）和现场执行小组（监测、项目工程师、施工、监理）；杭州包括指挥层（集团公司、专家组）、中间管理层（远程监控管理中心）和现场执行小组（业主代表、设计、施工、监理、第三方监测）。

经研究，根据国家现行法律法规规定的工程建设参与方的安全质量责任，结合当前较多的三层机构管理模式，工程监测预警也应实施相应的三级预警分层管理，一般包括建设管理层（建设主管部门及相关政府管理部门、建设单位）、现场监管层（监理单位或建设单位委托的现场工程安全咨询机构）和监测预警实施层（土建施工单位、监测单位等，见图1）。

图1 工程监测预警管理组织机构框图

4.1.2 工程建设相关方责任

政府相关管理部门负责检查监督工程参建各方的预警实施及管理工作，工程出现重大突发事件时按照有关规定进行应急组织、处置与救援工作。

建设单位作为轨道交通工程的总体管理单位，是监测综合预警发布、响应与处置的监督管理和组织协调主体，负责组织制定工程监测预警管理标准、及时反馈和上报（必要时上报建设主管部门和政府相关管理部门）工程监测预警信息，并监督预警落实情况。

监理单位或建设单位委托的现场工程安全咨询机构是工程监测综合预警的发布主体和现场监督管理主体，负责工程综合监测预警的分析、发布与响应，并监督管理工程监测及分析、预警信息的形成与报告、监测预警的响应与处置等工作。

施工单位是施工监测预警信息的报告主体和监测数据预警、现场巡视预警和监测综合预警的处置与响应实施主体，负责施工监测实施、施工监测与巡视结果分析、预警信息上报及各类监测预警的响应和处置。

第三方监测单位是第三方监测预警信息的报告主体，负责第三方监测实施、第三方监测结果分析、预警信息报告和监测综合预警的响应与处置。

设计单位负责参与工程监测结果的分析、监测综合预警信息的响应与处置。

4.2 监测预警管理的内容及流程

针对城市轨道交通工程监测预警（如前所述，为广义上的工程本质预警），工程监测预警的管理主要包括：预警信息上报、响应、处置和消警等内容。

4.2.1 监测预警的信息上报、响应和处置

预警信息报送形式一般包括书面报送、远程监控系统报送、电话报送、短信报送等。遇红色警情必须以最快捷、有效的方式第一时间上报。监测预警实施层应根据警情采取加强监测、巡视和必要的先期风险处置。现场监管层收到预警信息后，应及时组织分析，判定监测预警等级，并进行发布和反馈。施工单位负责实施相关风险处置措施。

（1）蓝色监测预警应于确定时起1天内报送施工、第三方监测和设计单位。施工和第三方监测单位应加大监测频率，监理、咨询单位加强监督。

（2）黄色监测预警应于确定时起4h内报送施工、第三方监测、设计和建设单位业主代表。施工和第三方单位应加大监测频率和结果分析，监理、咨询单位和建设单位业主代表加强监督。

（3）橙色监测预警应于确定时起1h内报送施工、第三方监测、设计和建设单位。建设单位负责组织相关参建方进行分析处理，并根据监理、咨询单位或专家的预警处理意见，会同相关方及时制定处理方案，监督预警处置。

（4）红色监测预警应于确定时起立即以有效、快捷的方式报送相关参建单位、周边环境产权单位和建设主管部门。由建设主管部门组织相关参建方进行分析处理，制定处理方案，监督预警处置。

（5）当发生工程重大突发风险事件时，应首先采取有关处理措施，并第一时间上报建设主管部门和工程相关参建方单位负责人，必要时越级上报建设主管部门、政府相关管理部门和社会救援机构等。预警信息的上报、响应和处置流程见图2。

4.2.2 监测预警的消警

当预警期间没有发生工程自身或环境风险事故，没有次生灾害发生且监测预警处置已结束时，施工单位可提出消警申请，监理或工程安全咨询机构评定后确定是否消警。

消警应遵循谨慎、可靠的原则，对于状况不明、边界条件模糊、缺乏分析支撑、目前技术认知难以确定的监测预警不予消警。监测预警消除后，仍然应继续跟踪相应监测指标和工程安全状态。对于高级别风险工程和红色预警的消警，尚应组织专家论证确定。

图2 工程监测预警信息管理流程

5 结论与建议

1）当前我国城市轨道交通建设发展迅猛，工程监测及预警理论初步形成，需全面规范工程监测及预警技术，健全科学、普适的工程监测预警管理制度。

2）考虑城市轨道交通工程的特点及监测预警的内容、现状，可细分为监测数据预警、监测综合预警和工程监测预警三类。其中控制指标、监测数据预警点数量、分布及预警等级、工程风险等级及分布状况和现场巡视异常情况是其主要考量因素。

3）结合现行法律法规和已有成熟做法，工程监测预警等级可由大到小分为一级、二级、三级和四级（分别用红色、橙色、黄色和蓝色表示，红色为最高警级）。

4）工程监测预警管理包括预警的分层级管理模式、责任主体、预警上报、响应、处置和消警等内容，需在严格遵循现行法律法规的基础上根据轨道交通工程的特点和实际进行，建设、施工、监理方责任重大。

5）随着城市轨道交通工程监测预警工作的开展，监测预警应不断总结经验、加强监测预警技术创新，应用科学、先进的信息化技术和管理手段，以满足国内城市轨道交通迅猛发展和安全质量管理的需要。

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