地铁设施安全保护监测技术体系建设研究

姜叶翔，黄江华，羊逸君，吴 勇，王烨晟，张文君，李忠诚

（1.杭州市地铁集团有限责任公司，杭州 310014；2.浙江华东测绘与工程安全技术有限公司，杭州 310014；3.中国电建集团华东勘测设计研究院有限公司，杭州 210014；4.浙江省智慧轨道交通工程技术研究中心，杭州，310014）

0 引言

21世纪以来，我国地铁建设进入高潮期，据不完全统计，至2019年底，国内城市轨道交通运营总里程约6882.13 km，共有40个城市开通城市轨道交通。当前，行业内针对地铁设施及结构保护等方面，已经出台了多个管理规定及技术规程[1-5]，初步明确了相关基本技术和管理要求，对地铁设施监测也提出了政策性、原则性的要求，但内容尚不够细化，特别针对地铁车站、隧道或者其他配套设施监测点布置、监测频率、监测控制值等技术要求有待进一步完善，针对设施本体及其外部作业影响工程的监测实施尚未进行整合统一，其影响区的监测要求尚未明确。

基于上述问题，本文重点研究就现有标准中针对地铁设施保护监测技术中未作明确及不足的部分开展研究，力求形成统一完善的地铁设施安全监测技术体系。

1 地铁设施安全保护监测等级及体系框架

工程监测等级的划分及确定，是各类监测方案设计及监测实施技术的基础，可基于明确监测工作的方向性、针对性及重点部位，是确定监测项目、监测频率、精度指标、控制值指标、监测技术要求等的重要依据。考虑到地铁设施的安全保护监测工作，从对象上涉及本体与其周边环境及外部作业相互影响关系，其监测等级的确定，需综合考虑本体健康状态、抗变形能力以及其周边环境岩土体状况、周边环境状况和外部作业工程自身风险等级及影响程度等安全性要求等多方面。目前，现行相关规范、规程[1-5]中，针对地铁设施的监测等级尚未明确并提及，但相关的等级及评定标准主要有如下几个方面表述。

1.1 地铁设施本体安全等级

针对设施本体安全等级，现行相关规范中有“隧道本体自身等级”（结构安全状况），“现状评估等级”，“服役状态等级”，“健康度”等相关概念用词表述，其一般基于本体的监测数据、巡查检测情况及养护情况进行综合判断。其中，文献[3]中，将其分为1~4级（由严重~一般）进行考虑、文献[6]中将其分为5级（由一般~严重）进行考虑，现行行业标准CJJ-T 202-2013[2]，在其第3.3.3条“城市轨道交通结构的现状评估应在外部作业实施前，通过现状调查、检测、测量和计算分析等手段，评估当前城市轨道交通结构的安全状态及持续抗变形能力和承载能力，并应确定相应的结构安全控制指标值”，该条款明确了结构自身等级及安全状态的确定应结合检测、测量等手段进行综合确定。综上所述，针对设施本体的安全等级，一般划分为4级到5级，但前述各文献中，尚未就设施本体安全等级与工程监测等级之间的关联关系予以明确阐述，对应监测实施技术分级缺少。

1.2 外部作业对地铁设施本体影响等级

针对各外部作业工程，其对地铁设施影响程度等级划分，现行各类标准中均有表述，一般按外部作业距离地铁设施本体的远近程度以及作业的类别进行综合考虑，分为3~5级[2，5，7]，但同样尚未明确其与工程监测等级的关联关系，在当前的监测实践中，对影响区范围内的监测点布设、监测技术等级选用等存在一定随意性。

1.3 地铁设施安全保护监测等级及其框架搭建

针对地铁设施安全保护监测尚未有明确的监测等级概念阐述，导致现有的地保监测工作实践中，其监测等级的确定依据，基本仍依照GB50911-2013[7]执行，但该标准适用于建设期，而相较于运维期，由于在监测对象、监测范围、监测项目及监测技术要求等要素方面均有不同，直接套用存在不合理处。此外，当前的地保监测实践中，基本将设施本体、外部作业及其影响区（影响区内的周边环境）这三类对象，基本作为相互独立的体系进行考虑，进而分别建立独立的监测体系及技术要求，所应用的规范及标准涵盖建设期及运维期[7-12]两大类，导致其监测基准点、测量部位、测量时间、周期、精度、标准要求等均存在较大差异，尚无法准确反映上述三类监测对象相互影响作用机理以及运维期地铁设施保护监测工作的整体性。

研究明确的保监测合理化的监测等级，进而建立整体统一的监测体系，是当前地铁设施安全监测工作实践中亟需解决的问题。鉴于此，本文将设施本体、外部作业及其影响区（影响区内周边环境）三者及相互影响进行统一考虑，进而制定一体化的监测等级体系框架，设置原则如下：

（1）等级设定体现以设施本体保护为基本原则。针对设施本体，重点考虑其自身安全服役状态，其监测等级应与其安全状态、病害状态及其结构变形剩余允许变形量等相关联；针对外部作业及其影响区，则综合考虑外部作业对本体影响程度及其影响对象的状况进行确定；

（2）当设施本体状态不佳或破坏比较严重的情况下，其对应的外部作业工程自身的变形允许量等，应通过监测等级分级作出明确限制，具体表现为对应的监测项目需增加、监测频率需增加、监测布点密度增高、监测实施精度提高等；

（3）考虑与建设期监测等级分级相[7-8]统一，其监测等级分级宜按三级划分，以分别设置对应监测技术要求。

基于上述原则，本文建立如下地铁设施安全监测等级划分参考标准：

在物流作业这一环节中，针对作业时间以及货物遗失等来说，订单处理、分拣与验货等都是其关键控制点。要控制关键点，必须明确安全和不安全产品之间的界限，要保证产品安全性，必须严格管理关键控制点，使其处于特定临界范围。可以将临界范围分为三种类型，分别为化学范围、微生物范围以及物力范围。

（1）针对地铁设施本体及外部作业影响等级分级概念，其针对地铁设施本体等级确定的依据如表1所示。

表1 地铁设施本体安全保护监测等级参考表Table 1 Reference table of monitoring level of safety protection of subway facilities

（2）表2中，其A、B、C级确定的具体指标，可参见文献4中附录B相关内容（表3），该分级综合考虑了外部作业影响风险大小、影响程度大小、距离地铁设施本体远近、外部岩土体等因素分级较为合理，其中A级表明地铁设施受外部作业工程影响程度最高，需要采取严格的保护措施。

表2 外部作业工程及其影响区监测等级参考表Table 2 Reference table of monitoring grade of external work and its affected area

表3 轨道交通结构安全状况分类[4]Table 3 Classification of rail transit structure safety conditions[4]

基于等级划分框架，进而建立地铁设施安全保护监测总体技术框架如图1。

2 监测技术体系建设及应用

2.1 外部作业工程影响区及监测范围体系建设

针对浙江软土地区地质，在图1监测技术体系框架下，基于相关文献调研及设施保护安评及监测工作实践案例数据总结，本文建立了较为常见的外部基坑工程、外部隧道工程（穿越工程）、旁侧桩基工程、上覆堆载卸载（包括上方基坑工程），对其影响范围、影响程度、影响分区以及对应的监测范围进行了初步明确，具体可参见表4。

表4 软土地区外部工程施工对邻近既有地铁隧道影响监测范围参考体系[12-15]Table 4 Reference system for monitoring scope of influence of external engineering construction on adjacent existing subway tunnels in soft soil area[12-15]

图1 地铁设施安全保护监测技术体系总体框架Fig.1 Overall framework of safety protection and monitoring technology system of subway facilities

2.2 外部作业工程监测项目、测点布设、频率体系建设

针对外部作业工程，在表2确定的不同监测等级条件下，可进一步分级建立对应的监测项目、测点布设、监测频率及监测实施精度要求体系，本文以外部基坑工程作业为例进行建设。

（1）外部作业工程监测项目体系。监测项目体系建设，应分别考虑外部作业工程本体特点及其影响区情况，基于不同工程监测等级，建立分级监测项目体系，以求做到分级合理、重点突出、实践有效。

基于表5，针对外部工程本体的监测项目主要体现控制变形为主，内力为辅原则，重点监测区域应为工程所影响地铁设施侧；针对其工程影响区，应对水位、地层变形、地表沉降、孔隙水压力等进行有效监测，严密监控其作为外部影响源对地铁设施的影响情况。

表6 外部工程及其影响区监测点布设参考（基坑）Table 6 Reference for layout of monitoring points in external engineering and its influenced area（foundation iit）

序号 监测项目布设位置外部作业工程监测等级为一级主要影响区一般影响区布点间距外部作业工程监测等级为二级主要影响区一般影响区外部作业工程监测等级为三级主要影响区一般影响区7 土体深层水平位移 布设在影响区范围8 坑外地下水位 布设在影响区范围9地表沉降 布设在影响区范围10 土体孔隙水压力 布设在影响区范围11 土体分层竖向位移 布设在影响区范围10 m 20 m 10 m 20 m 5 m 10 m 10 m 20 m 10 m 20 m 15 m 25 m 15 m 25 m 15 m 25 m 15 m 25 m 15 m 25 m 20 m 30 m 20 m 30 m 20 m 30 m 20 m 30 m 20 m 30 m

（3）外部作业工程监测频率体系。针对外部工程监测频率的设定，在对应监测等级分级的基础上，应综合考虑外部作业工程影响阶段进行确定，一般成槽阶段其频率稍低，开挖阶段频率高，且与地质条件相关联（表7）。

表7 外部作业工程监测频率（基坑）Table 7 Monitoring frequency of external work（foundation pit）

2.3 地铁设施本体安全监测项目、测点布设、频率及技术体系建设

（1）设施本体监测项目体系建设。设施本体监测项目的确定应根据本体结构的特点、对应监测等级分级、所处工程影响区分区的要求合理确定，并能准确反映监测对象的变化特征和安全状态。本文结合等级分级框架以及当前地保监测工作实践，建立综合明挖法结构、盾构法及顶管法结构、矿山法结构、高架结构、地面结构以及交界面等特殊结构位置的地铁设施监测项目体系（图3）。

图3 地铁设施本体安全保护监测项目体系框架图[16-18]Fig.3 System framework of safety protection monitoring project of subway facility ontology[16-18]

（2）设施本体监测点布设体系。设施本体监测点布设体系，在不同监测等级分级，应准确能反映监测对象实际状态、位移和内力变化规律，以及可分析当前结构安全状态要求。本文以明挖法车站及盾构法隧道地下结构为例，建立明确地铁设施监测布点体系（表8）。

表8 地铁设施监测点布设体系（明挖法车站及盾构法隧道结构）[2-4]Table 8 Layout system of subway facilities monitoring points（open-cut station and shield tunnel structure）[2-4]

（3）设施本体监测频率体系。设施本体的监测频率，应考虑等级分级、外部工程特点，并考虑人工监测及自动化监测项结合方式，本文以明挖法及盾构法地下结构为例，初步建立如下频率体系（表9）。

表9 明挖法及盾构法地下结构监测频率体系Table 9 Monitoring frequency system of underground structure by open cut and shield tunneling method

3 总结

本文基于当前地铁设施安全保护监测工作实践，综合相关文献、工程案例总结分析，提出了针对地铁设施安全保护监测及其外部作业工程监测等级划分标准。研究建立了地铁设施安全保护监测体系框架；明确了将外部作业影响工程本体、外部工程影响区及其周边环境、地铁设施本体三大类对象作为地铁设施保护的监测实施对象；建立了基于外部作业工程影响分区的监测范围划定标准；制定了针对外部作业影响工程监测的具体技术要求体系，并提出了将监测点布设密度与监测等级及其所处影响区双重关联，以及监测频率与监测等级和外部作业工程施工阶段双重关联的监测实施方案设计理念，并分别以外部基坑工程及明挖法车站及盾构法隧道本体结构为例进行了说明。该体系的建立，有助于促进当前地铁设施监护工作实践更加合理化及针对性，并可为其他涉及各类地下工程保护、监护工作提供重要参考及借鉴意义。