地铁施工对上部建筑结构安全性影响的在线监测系统设计与实践

李智慧，刘卫景，刘文峰，郭兴玲，杨 鹏

（1.青岛地铁集团工程建设分公司，山东 青岛 266000；2.江西飞尚科技有限公司，江西 南昌 330052）

0 引言

地铁是城市现代化建设和发展过程中缓解地面交通压力的重要交通工具，城市地铁大多贯穿于城市主干道和繁华区的地下。地铁施工会引起周边岩土变形，给地表建筑物及其附属设施带来安全隐患［1-2］。地铁开挖对地层产生扰动，可能会引起地表及附近建筑物变形或沉降，危及附近建筑物的安全［3-4］。在地铁施工过程中，采取何种措施和手段以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工作［5］。地铁工程施工安全风险大、管理体系不科学等因素，导致地铁施工重大安全事故频频发生，给社会造成了恶劣影响，并带来了严重的经济损失［6］。

施工监测作为保证施工安全的一个重要手段，已经在地铁建设中得到了广泛应用。科学、准确、及时地分析、预报地铁施工对建（构）筑物变形发展的影响，并以此来正确指导施工，现场监测数据的及时分析和保存在地铁施工过程中具有特别重要的意义［7］。结合施工期间三方监测数据与现场工况，骆建军等［8］总结了北京地铁四号线黄庄站在浅埋暗挖法施工下地表及拱顶沉降产生的原因及沉降规律，并提出控制沉降措施；邱冬炜等［9］对城市地铁施工监测系统进行了探讨，并指出施工监测是保证施工安全和工程质量十分重要的措施，监测数据的处理和分析涉及大量而复杂的计算、绘图、地理定位和制表等工作，但施工监测系统能够自动对地铁施工监测的数据进行管理，并及时给出安全预警；如何确保地铁施工影响区环境安全，深圳地铁提出了土建施工第三方监测的概念，张成平等［10］详细阐述了第三方监测的目的、作用、管理体系、实施内容和工作程序，论述了第三方监测与业主、承包商、监理之间的关系，实践表明，第三方监测是业主确保地铁施工影响区环境安全的有效管理模式，在地铁建设中极有推广价值；印灯平［11］以上海地铁9号线施工对港汇高层住宅楼实测为例，介绍了沉降监测的实施方法，并分析了观测成果，得出施工阶段沉降变化的规律，对保障地铁施工具有重要意义。

前人在在线监测系统方面也做过很多研究，但应用于具体工程的尚不多见。本文在传统人工监测基础上，通过对地上建筑物内部沉降在线监测系统进行设计并应用于工程实践，对施工期地铁隧道开挖过程进行全天侯数据收集，并利用云平台实时发布监测结果和预警信息，以期使相关人员能够及时准确地了解上部结构的状态，准确分析地铁施工对上部结构物的影响，为地铁安全施工提供有力指导。

1 在线监测系统设计及安全性评估

1.1 预期效果

城市隧道开挖具有不同于一般山岭隧道开挖的特殊性，大多具有浅埋、大跨等特点，其施工风险高、施工难度大、安全事故后果严重。大量工程实践经验及理论分析表明，风险的发生存在多方面原因，既有内在因素也有外在因素。地上建筑物是一个地基基础与上部结构密切作用的整体，上部结构对地基变形非常敏感，结构的变形破坏机制复杂，形式多样，受不均匀沉降和沉降速率变化的影响最大，破坏后果也更加严重。通过对隧道施工引起的建筑物风险进行分析和评估，掌握建筑物当前的风险状态和发展趋势，是后续施工过程中各种控制工作的基础，对保护建筑物的安全至关重要。

传统检测是由人工定期用仪器到现场进行测量，检测工作量大，受天气、人工、现场条件等因素的限制，存在一定的系统误差和人为误差。同时，人工检测还存在不能及时检测各项参数，难以及时掌握工程的安全技术指标等缺点。

在地铁施工期间，在线监测系统对周边建（构）筑物沉降等可进行自动化监测，从而真正保障地铁施工期间周边建（构）筑物的安全。

1.2 系统设计原则

监测系统是提供获取建筑物结构信息的工具，使决策者可以针对特定目标做出正确的决策。本系统主要设计原则为：1）保证系统的可靠性；2）保证系统的先进性；3）可操作和易于维护性；4）具有完整和扩容功能；5）以最优成本控制。

1.3 系统功能要求

该系统具有全方位、全天侯实时监测能力。可实时采集、传输、存储、分析、管理监测数据，实现自动监测，可实时掌握工程整体运行的安全状态。

1）能够实现对地铁周边建筑物变形的连续自动监测。可依据设定进行定时采集、特殊事件采集等，无需人员进入施工现场。

2）能够实现无线传输。无需长距离布设线缆、光缆，可有效保证系统的整体稳定、可靠运行。系统具备应答式和自报式2种方式，即可按设定的方式自动进行定时测量或接收命令进行选点、巡回检测及定时检测。

3）具备网络数据通讯与远程数据通讯功能。

4）推断结构的变化趋势，预测结构的安全状况。通过实施监测得到丰富的数据样本，通过系统的自动分析功能，获得施工作业环境的影响因素。

5）自动预警/报警。当结构出现异常时，在监测中心以声音以及警示灯方式进行报警，并通过短信及时通知相关人员。

6）资料管理及历史资料存储。可实现监测数据存储，显示各项监测、监测数据信息的历史变化过程及当前状态，为安全生产管理提供简单明了、直观有效的参考信息；安全监测管理分析模块具备基础资料管理、测量参数设定、监测内容适时发布、图形报表制作、数据分析及综合预警等功能。

7）与相关部门数据互连和数据共享查询。能够实现：工程安全监测信息在公司内部及主管部门的多级共享；安全监测系统的远程访问、管理及维护；系统的分析数据和现场的监测数据可实时发布。

2 万隆商厦结构特点和安全监测要求

2.1 结构特点

万隆商厦地基软弱，结构复杂，且多次改扩建后造成许多结构缺陷，存在多处结构性安全隐患。万隆商厦建设在承载力仅有140 kN/m2的软弱地基上，且后期经过改扩建（将原来L形（6层）和方形（3层）部分加高至9层）。图1所示粗实线即沉降缝所在位置。原有1—3层的沉降缝依然存在，4—6层的沉降缝在扩建过程中无法与原结构水平连接，7—9层在扩建时已通过水平梁连接为一体。整栋建筑在1—6层为分体结构，7—9层合为一体。

图1 万隆商厦内部沉降缝位置示意图Fig.1 Positions of settlement joints ofWanlong Mall

经过调取1992年万隆商厦的地基设计图发现：当时的地基设计在沉降缝两侧采用了不同的方案。L形部分的地基较宽，配筋多；方形部分的地基宽度小，配筋少。因此，该楼目前必然会产生较大的沉降量。图1还标示了首层平面布置与地铁隧道的相对位置。

万隆商厦6层以上的平面布置如图2所示。6—9层的大量客房布置大大增加了结构的负荷，且7—9层不再保留原有结构的沉降缝，改为整体框架式结构，而这样的结构改建往往存在结构上的安全隐患。一旦沉降缝两侧产生不一致的竖向沉降或者水平位移，必然会引发上部结构的附加受力和变形，严重时可能引起上部结构不可修复的损坏或破坏。该建筑的结构复杂，楼内住户众多，结构损坏或破坏必然会带来直接的经济损失，并造成不良的社会影响。

图2 万隆商厦6层以上的平面布置（单位：mm）Fig.2 Plan layoutof floors ofWanlong Mall above the6th floor（mm）

2.2 沉降监测点布置

根据《建筑物变形测量规范》，沉降观测点应能全面反应建筑物及地基变形特征，并结合地质情况、建筑结构特点及本项目的实际情况，沉降观测点应选择在以下位置：

1）为了尽量避免地铁施工对地面产生的沉降影响，主要监测基准点选择在距离本次监测建筑60 m的位置。

2）考虑到暗挖区间对地面建筑物的影响，沉降测点在区间上方的，沿建筑物横轴的柱上布置。

3）考虑到受沉降槽宽度的影响，沉降观测点在近似垂直于区间掘进方向的纵轴及其辅助轴线上布置。

4）在建筑的四角、建筑裂缝、后浇带和沉降缝的两侧进行布置。

2.3 结构沉降监测点布置方案

1）如图1所示，在靠近掘进方向的纵轴5—6轴线之间，在该沉降缝周边垂直于地铁线方向设置多个沉降监测点。

2）沿着掘进方向的横轴C—D轴线之间，靠近C轴线的沉降缝、垂直于地铁线方向设置多个沉降监测点。

3）考虑到2条沉降缝的交叉点形成的结构薄弱区，建议在轴线C和轴线6交点附近区域布置多个沉降监测点。

最终的测点布置如图3所示，图3中标注出的沉降监测点基本覆盖了地铁隧道上方的施工影响区。

图3 万隆商厦沉降监测点布置示意图Fig.3 Layout of settlementmonitoring points forWanlong Mall

根据《建筑物质量鉴定报告》，沉降缝对建筑物地基变形最敏感，地基变形对建筑物损害最直观。综合以上情况并经几方讨论，建议对以上测点的沉降进行实时在线监测，以对施工期周边建筑物的安全提供更为有效、科学的依据。

2.4 监测设备选型和采集制度

建筑物不均匀沉降监测拟采用压差式变形测量传感器FS-LTG-Y200。其技术指标为：量程为200 mm，灵敏度为0.2 mm，综合精度为±0.2%FS，输出RS485数字信号，供电为24 V DC（7～24 V DC），采集频率为5 min/次。

3 基于云平台的数据采集传输和预警系统

云计算（cloud computing）是一种基于互联网的计算方式，通常通过互联网提供动态易扩展且经常是虚拟化的资源。狭义云计算指IT基础设施的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需资源；广义云计算指服务的交付和使用模式，指通过网络以按需、易扩展的方式获得所需服务，这种服务可以是IT和软件、互联网相关，也可以是其他服务。它意味着计算能力也可作为一种商品通过互联网进行流通。云其实是网络、互联网的一种比喻，过去在图中往往用云来表示电信网，后来也用来表示互联网和底层基础设施的抽象。

云服务中心系统将在线安全监测系统与云计算有机结合，搭建起强大的技术支撑平台，将各单一项目监测系统汇总整合，形成地方性或行业性的整体安全监测中心，以方便各级分管单位统一进行监控管理。

云服务中心系统以实时监测为基础，综合管理在线监测的各类静态的和动态的监测数据（沉降、倾斜、裂缝等），统一完成数据的实时监控及数据、报表、站点、权限、参数、任务的管理等功能。系统采用多层结构，将结构安全监测、结构模拟、安全评估、预警等融为一体，如图4所示。

图4 云服务中心系统示意图Fig.4 System of cloud service center

3.1 云平台系统功能简述

系统能够提供良好的人机交互界面，便于使用者操作，可提供实时数据查询、结构健康分析报告推送、异常气象条件下实时分析推送、异常预警短信、邮件通知等功能。

1）拓扑。目前，web端已经装载GIS地图模块，应用打开后能直观地看到当前业主下所有结构物的地理位置和当前结构安全监测状态。

2）安全仪表盘。通过软件端对数据进行智能分析，根据专家评估，并依照行业标准等给出结构物安全状态评分。

3）报表及告警拓扑。根据结构物数据分析结果，定期给业主方提供报表，并对结构物的健康状况按等级给出告警状态。

4）预告警管理。对已经产生告警的监测项，业主方可以直接进入预告警模块进行告警信息的查看和确认。

5）工作报表。为了更全面地分析结构物状态变化，web端可将监测到的结构物状态按周期为业主提供分类报表，包括日常监测数据报表、异常数据报表、专家评分报表等。

6）数据查询。为便于业主方对结构物的安全监测，软件将实现数据实时查询功能，并对历史数据可提供查看和打印功能。

7）推送服务。对已经产生的告警信息和周期报表，软件将实现实时推送功能。

8）系统管理。系统管理实现了不同用户和推送等级的管理。

9）SPI/API。用户可以通过SPI/API方式访问云计算服务中心的数据接口，通过数据接口，用户可以查看和下载关心的数据；同时，提供了二次开发的支持，用户可以使用数据接口，构建自己的管理系统。

3.2 监测预警值

3.2.1 周边建（构）筑物重要性等级的划分

按照建筑物的重要性不同，国家规范将建筑物划分为3级。

1）I级。古建筑物、近代优秀建筑物，重要的工业建筑物，10层以上高层、超高居民用建筑物，大于24 m的地上构筑物及重要的地下构筑物。其破坏后果很严重，具有重大国际影响或非常严重的国内政治影响，经济损失巨大。

2）II级。一般的工业建筑物，4—6层的多层建筑物，7—9层中高层民用建筑物，10—24层的地上构筑物，一般地下构筑物。其破坏后果严重，政治影响严重，经济损失较大。

3）III级。次要工业建筑物，1—3层的底层民用建筑物，小于10 m的地上构筑物，次要地下构筑物。其破坏后果一般，有一定的政治影响和经济损失。

3.2.2 周边建（构）筑物控制指标

依据建筑物重要性等级不同，允许沉降的控制值如表1所示。

3.2.3 工程监测报警值

工程监测报警值应以监测项目的累计变化量和变化速率值两个值控制。

表1 建（构）筑物控制指标参考值Table 1 Control standards for settlement of buildings（structures）

3.2.4 周边环境监测报警值的极限值

周边环境监测报警值的极限值应根据主管部门的要求确定。如无具体规定，可参考表1和表2确定。

表2 不均匀沉降的预报警值及措施Table 2 Alarming values of differential settlement and countermeasures

参考GB 50007—2011中关于地基变形的规定，对于砌体承重结构应进行局部倾斜控制，砌体承重结构沿纵墙6～10 m内基础两点的沉降差与其距离的比值为：对于中、低压缩性土为0.002，对于高压缩性土为0.003；对于框架结构和单层排架结构应由相邻柱基的沉降量控制，单层排架结构（柱距为6 m）柱基的沉降量为200 mm，框架结构对于中、低压缩性土的沉降差为0.002l，对于高压缩性土的沉降差为0.003l（l为相邻柱基的中心距离）。

本系统选择表2所示的预警和报警等级，当出现下列情况之一时，必须立即报警。1）当监测数据达到报警值；2）周边建筑物的结构部分、周边地面出现可能发展的变形裂缝或较严重的突发裂缝。若情况比较严重，应立即停止施工，并对基坑支护结构和周边的保护对象采取应急措施。

3.3 双重预警功能

3.3.1 系统报警

预警信息是根据用户在设备设置里进行配置得来的，用户配置阀值会与系统采集的数值进行比对，如果采集的数值比设置的阀值大，则会触发报警功能，用户会在进入系统的第一时间得知报警数据。

3.3.2 短信报警

短信报警可根据设置的级别发送手机预警信息。可在系统中添加报警时需要通知的用户，并根据不同的用户添加不同的报警等级，系统会自动按照报警的级别进行短信发送。例如：若用户被设置的报警等级为一级，系统会将所有的报警发送给此用户，若用户被设置的报警等级为二级，只有系统发生黄色预警（二级预警）时才会发送给该用户。

4 沉降监测应用实例

在地铁施工尚未进入万隆商厦之前，系统已开始工作。每小时自动测试12个数据，项目监测期持续到地铁作业完全穿越整栋建筑物的施工影响区。

分别选择临近左线的P19—P23沉降监测点，临近右线的P6—P8和P18测点，以及远离左线和右线施工影响区的P26测点，P26是人工监测和在线监测数据对比的参考点。通过这些测点的高程变化，分析施工工艺参数对沉降和隆起的影响，以便更好的指导施工，减小地铁施工对建筑物的影响。最后通过人工测量手段，对在线监测结果进行对比验证。

4.1 沉降监测数据分析

图5为2014年1月9日—3月16日左线测点P19—P23相对于P26的高程变化。图5中实心水平黑色线表示注浆施工，空心水平线表示开挖施工。左线的3次注浆时段内，周边测点持续隆起。注浆后的开挖期，多数测点出现少许沉降。

由图5可看出，左线在1月16—25日注浆期间，多数测点持续隆起，距离作业面最近的P20测点隆起幅度最大；2月22日—3月2日再次注浆，距离作业面最近的P19测点隆起幅度最大；3月13—16日又启动注浆，测点P19和P20已显现出隆起态势。

图5 左线周边测点沉降隔山Fig.5 Settlement/heave measured atmonitoring points near left tunnel tube

图6为2014年1月9日—3月16日右线测点P6—P8和P18相对于P26的高程变化。在右线3次注浆时段内，右线周边测点不断隆起，在开挖过程中，多数测点出现少许沉降。

由图6可看出，右线在1月9—16日注浆期间，右线测点隆起幅度差别不大；2月13—21日再次注浆，右线测点又一次剧烈隆起，距离作业面最近的P7测点隆起幅度最大；3月2—11日又开始注浆，右线测点继续隆起，距离作业面最近的P6测点隆起幅度最大，距离作业面最远的P8测点隆起幅度最小。在注浆结束后的开挖过程中，多数测点出现少许沉降。

图6 右线周边测点沉降Fig.6 Settlement/heavemeasured atmonitoring points near right tunnel tube

在2014年春节停工期内（1月26日—2月7日），所有测点的数据都非常稳定，大多数测点的数据波动小于1 mm。特别是在万隆商厦停业期间，绝大多数测点的高程波动均小于0.3 mm。

4.2 在线监测与人工测量结果对比

为了印证在线监测系统的稳定性和数据结果的可信度。自2014年1月10日开始，飞尚科技有限公司在万隆商厦2楼地面选择了与在线监测系统传感器距离最近的8个靠近立柱装修层最近的位置进行标高的人工测量，以验证在线监测系统给出沉降数据的正确性。在长达2个多月的对比观测中，发现在线监测系统和人工测量的结果吻合度很好。

图7为1月10—28日期间2楼地面的人工测点（PP6，PP18和PP20）相对于在线监测点（P6，P18和P20）的标高变化情况。这些测点都是距离在线监测点P6，P18和P20最近的人工测点，布置在靠近测点立柱的2楼地面。从起伏变化规律看，其一致性很好，大多数测点偏差小于1 mm，人工测量结果与在线监测系统给出的结果吻合度很高。

图7 人工测量与在线监测的结果比较Fig.7 Comparison and contrast between manual monitoring results and on-linemonitoring results

4.3 检测结果对地铁施工的指导作用

通过对大量的数据进行分析发现，开挖前的超前加压注浆造成的地面隆起值远远大于开挖引起的沉降值。控制注浆压力和注浆速度可以很好的控制隆起量。通过隆起量控制可以适当地抵消开挖引起的沉降量，使地铁开挖对建筑物的影响降到最小。

5 结论

1）在线监测系统能够及时准确地了解上部结构的状态，准确分析地铁施工对上部结构物的影响。

2）传统的结构物外围人工监测不能准确反映地上建筑物的内部变形，必须引入覆盖地铁施工影响区的在线监测系统以实时监测结构的状态变化。

3）基于云平台的结构安全监测系统及其预警体系建设可以提供更全面及时的监测数据跟踪和预警，以指导地铁安全施工，保障地铁施工区的地上建筑结构的安全。

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