城市地下空间岩土工程安全技术分析

邹 弦 文 武

（重庆市勘测院，重庆 400000）

由于地下空间工程的特殊性，如何确保岩土工程安全和顺利开发地下空间，是这类工程的核心问题。在规划与开发建设中，应加强安全监测，采用先进的安全技术，完善预警系统，全面采集并科学地分析和解读地质数据，提高变形预测精度，努力降低施工风险，促进工程安全、稳定发展。

1 城市地下空间工程核心特点

相对于常规的岩土工程，城市地下空间工程建设环境比较特殊，受地质、水文等自然因素影响较大，往往需要应对原有地下设施带来的空间占用和规划限制，较地面工程风险性更高、建设难度更大。地下空间工程需要协调地面与地下的空间矛盾，面对更加复杂的土木工程环境，施工过程中极易对周边其他工程、设施等造成干扰。另外，还要进行复杂的受力运算，协调岩土体与相关支护结构的联合影响。这类工程施工具有季节性，如避开冬季施工和降雨量较大的季节等，以减少对环境的影响，降低施工风险。由于工程量大，施工空间具有局限性，提高了工程事故的应对难度，为解决事故影响，往往要投入较高的成本。由于工程的特殊性，地下空间工程中岩土工程的安全性更应引起重视。这类工程中，容易发生地面塌陷和沉降问题，在城市地下铺设管线等设施，极易发生受力变形或管线断裂。各种基坑在工程施工时，可能发生变形或坍塌，影响工程推进和人员安全。由于地下空间结构变化，引起附近建筑物受力异常，从而产生开裂或建筑物倾斜。地下巷道可能发生突水情况，较危险的情况还包括重度渗漏、支护失稳和结构物变形等。既往工程中出现的地下空间事故显示，一旦事故发生，往往会产生严重后果。因此，加强地下空间工程安全监测，降低施工风险，是这类工程的技术重点。

2 监测技术

对岩土工程实施安全监测，不仅要监测其形状变化、应力情况，还要监测地下水状态。监测技术的主要应用方向是监测周围环境、观察水文地质变化和监测支护结构，并及时发现体系变形。在环境监测中，应注意观察地质破碎带，发现地下障碍物，定位地下空间存在的空洞、溶洞等不稳定结构，分析地下含水带潜在位置及对工程的影响；监测支护结构时要着重监测土压和土层，分析地表建筑位移或变形情况，监测锚杆使用过程中的固定应力。在监测时，可进行物理监测或几何监测，几何监测分为直接监测和间接监测（见表1）。

表1 常见监测技术

2.1 物理监测

物理监测是以雷达反射和地震反射两种核心技术对地质情况进行探测。在现有技术水平下，使用全站仪、水准仪等监测仪器对支护结构顶端进行检测，这种监测主要针对水平方向位移在监测纵深方向变化时，如监测倾斜角度，通常使用测斜仪。应变计用于支护结构应力变化监控，也可对混凝土应力变化进行监测。使用经纬仪时，可了解建筑变形情况，使用水准仪也可获取此类信息。可通过物理探测周围物质变化。不同仪器在执行监测任务时技术应用方式不同，侧重的数据维度也不同，使用全站仪时，可针对支护结构顶部进行监测，适用于快速检测基坑或分析隧道整体下沉情况，可操作性强，效率较高。全站仪检测对施工活动无显著干扰，对环境适应性强，数据获取精准度较高，属于非接触式量化监测。

2.2 几何监测

在几何监测中有间接监测或直接监测两种方式。在进行沉降的精密监测时，可选用电水平尺系统，该系统被广泛应用于地铁建设安全监测，可实现实时动态三维监测，地铁隧道一旦发生变形，系统即可捕捉并上报。收敛变形系统结合全站仪可有效监测地下空间形状异常变化。在地铁建设时，构建的监测系统中要包括通信电缆、倾斜仪和水平梁，监测基坑侧面隧道，对提高隧道和地铁运行稳定性有积极意义。采用间接几何法进行监测时，使用的设备是固定式测斜仪，可以用来监测建筑异常倾斜情况，这一过程涉及数据采集系统的智能化参与，并以传感器为支撑观察连续墙在地下空间中的位移情况。数字摄影技术与巴塞特收敛仪即为应用间接几何监测。目前常用的GK-6150基坑底部监控主要是通过传感器对倾斜角度进行动态监测，计算角度变化，得到水平位移数据，无需人工值守，实现自动化监测。

3 数据分析技术

岩土体开挖是地下空间工程施工中的一项基础性、高频率操作，这种开挖方式容易引起地表变形。技术人员从开采煤矿开始就对地表移动盆地问题进行了研究，由于过去受技术限制，研究范围较窄，多用于模型试验，分析、拟合相关观测资料，利用以上数据总结地表沉降经验。计算机技术对大规模数据计算提供了有力支持，利用数值分析研究地下开挖引起地表形变等技术，因此得到了发展。采用理论计算、模型试验、数据分析等方法，可以更精准地预测地下空间开挖行为可能造成的地表沉降。理论计算可以将数值计算、经验公式与随机介质等相结合进行。

借助于实测数据，可以结合神经网络、统计或时序分析进行分析，也可利用灰色模型进行数据分析和变形预测，如用经验公式作为预测变形的工具，需要综合施工初期采集的监测数据，分析数据，确定待定参数，根据规定的条件，对变形预计公式进行形式确定，在以后的工程中即可应用此公式辅助变形预测。由于实施过程是根据前期工程实际监测数据为依据设定待定参数，因此，通过经验公式预测相关变形情况，可保证变形预测更符合工程实际，但也存在缺陷，即对地层下沉模态进行了先验假设。

以某地下工程为例，根据实体信息计算出支护结构基础沉降区间为（0.016 19～0.016 23）m，为保险起见，取值s=0.016 1，该结构由18根基桩共同分担，隧道总荷载25 103.71t，经过数据分析，得出该基础单桩荷载1 389.24t，单桩抗压刚度值约为85 189.6t/m。由数值判断支护的稳定性。

4 变形预测技术

对于地表沉降的预测，可采用半解析元、边界元或有限元等方法进行预测。在有限元预测中，又可进行技术细化，根据粘弹性、塑性或线性分为不同技术分支。上述计算既可以进行二维计算，也可以进行三维计算，如利用有限元方法对盾构隧道建设中的模型分析进行完善，构建三维模型分析变形的可能性，在此种预测中，实际测量数据与计算数据差距较小。有限元计算模式是土压平衡盾构建设对临近岩土体造成影响时，综合影响因素创建三维非线性模拟变形预测。在该模式中，针对个体盾构施工进行模拟，工程施工时，隧道环境地表土体位移、横断面差异化沉降和岩土体变形进行综合分析，总结沉降规律，通过计算可获取该工程中地面纵向沉降数据，绘制沉降分布曲线，实践证明其与真实数据十分贴近。相关研究显示，通过数值计算进行地表变形预测存在可行性。此方法的局限性在于其预测精度必须与岩土体本构关系、力学参数一致，在计算时难以科学设定弹塑性本构模型或粘弹塑模型。

变形预测也可用随机介质法辅助预测。盾构施工隧道在进行开挖操作时会造成地表沉降，此种沉降具有随机性，几何随机介质理论分析隧道施工引起的纵向地表沉降与实地勘测数据较一致。应用此方法可对地下洞室引起的地表沉降进行非线性模型构建，以DFP算法为基础，对浮点编码遗传算法进行完善，得到加速混合遗传模式计算手段，应用优化算法可解决地下洞室此类非线性沉降问题，确定辅助模型参数，还可以获得更科学的计算数据。以极坐标系为框架，综合换元法运算，可进行辅助隧道开挖引起的水平方向位移或变形、沉降、倾斜等预测。由该理论生成的隧道断面收敛公式可有效计算隧道施工后地表竖向沉降。该算法与经验公式的相似处在于：随机介质法主要针对变形表征进行计算，而变形力学机理分析研究较少，在实际应用中，岩土体、隧道施工设备和支护结构相关体系构成复杂，用随机介质法进行预测时，精准难以保证，实用性有限。另外，还可以进行回归分析，在预测时，预测可靠性与数据量、数据质量密切相关，如在一个基坑工程中，共有12个基坑，结合测量数据实施神经网格训练后，选取其中4个数据进行计算，显示神经网格模型预测值与实际变形值的误差≤12%，为可接受范围，预测应用价值较高。

5 安全预警技术

安全预警技术是综合多种先进技术手段构建预警系统，根据工程实际情况和监测需要科学设定阈值。预警系统对工程制定区域和信息维度进行智能化持续性的动态监测，当环境变化数据超出预警区域值后，预警系统根据预先设定的方式发出警报。警报系统可选择现场警报警示，也可通过手机短信、发送邮件等方式将预警信息传输至指定终端，提醒相关人员及时处理，减少损失，抑制事态朝着消极方向发展。

随着地下空间工程数量的增多、复杂程度的提高，对工程信息化技术支持的精度要求也在提高，同时，也需要一个更全面、更具实效性的信息系统，以辅助信息化施工，降低施工难度，提高施工效率，促进工程安全。信息化工程施工中，需要以监测预警技术为核心技术，完善管理系统，对施工数据进行监控和检验，保证设计的科学性，及时发现并改正定位设计和施工缺陷。前期假设数据和拟定参数是否科学需要通过信息系统进行检验修订，信息系统对支护结构稳定性和科学性进行测评，以指导安全施工。

施工中，要实时监测采集施工过程中岩土工程数据，重点进行变形监测，将施工设计方案中的岩土工程变形预测数据作为对照数据，分析现有变形数据是否与之一致，一旦出现明显偏差，应立即停工并分析产生偏差的原因，重新审视原有设计的科学性，分析当前变形的长期影响。在此过程中应运用反分析法核定岩土力学参数。另外，应针对后续施工进行岩土工程预测，分析岩土体特点和工程影响，完善后续施工设计，指导施工有序进行。预测后续施工风险，提前预警，做到有效预防。这种预警技术在数据分析的基础，结合通信、网络和计算机等技术实施预警监测。

应用预警系统监测地下空间工程时，可根据工程规模和施工难度等因素灵活构建安全预警系统。可设定预警指标，当触发指标时发出警报。可采用变形预测模型，利用BIM和其他三维建模系统模拟构建模型，在模型中输入工程数据模拟施工过程，发现设计中实际操作的缺陷、评价方案的可行性。利用工程模型，可对基坑、支护变形数据进行预测，对比变形速率变化及其与警戒值的差距，预测施工后地表变形情况。该模型可预测支护结构等位移，通过数据分析，结合图形绘制技术，设定对极限状态的识别标准，进而实现位移警报、沉降警报，以计算机和建模技术为核心技术实现预警系统建设和预警管理。城市区域多设有位移实测系统，结合其监测值构建地域性神经网络，预测范围内位移信息，通过与标准技术指标和警戒值的相关信息对比，可以分析变形或位移情况，从而实现预警。对于基坑工程，可根据既往同类建设数据设定量化指标，结合量化指标完善预警系统。通过对以往施工中基坑失稳的原因进行分析，技术人员总结出了基坑失稳情况呈现的数据曲线，分析变形曲线，制定了基坑失稳预警值和相关系统的技术指标。目前地铁施工监测已具备较成熟完善的安全预警系统，支持数据监测和信息管理。技术人员通过回归分析对地表变形情况进行预测，从而提高了预警系统的实用性。过程控制也可辅助完善基坑建设预警系统，利用该技术可以预防和控制深基坑事故的发生。以反演理论为基础的预警系统通过事故反演进行系统控制，及时发出警报。随机介质理念下的预警系统则是对地表移动情况构建模型，根据地表位移变化等预测建筑物安全性。应用该类技术时，应根据工程构建系统，科学选择预测方法，合理设定预警指标。

6 结语

综上所述，地下空间工程是政府主导、多部门参与的工程类型，地下空间设施由不同的单位负责管理，工程涉及的监测信息由多家单位参与，覆盖相关项目与地下空间建设全周期。对工程规划、建设期间的安全信息进行综合分析，增强工程安全管理的有效性和前瞻性，加强危险预警和风险规避，不断提高技术水平，促进工程的顺利施工，提高地下城建水平。