地铁施工中监测控制及自动化监测研究

摘要 在地铁施工过程中，基坑监测及周围建构筑物监测作为重要的监测内容，通常采用水准仪、测斜仪及全站仪等进行测量，其测量精度高，应用广泛，但该监测措施基本上采用人工监测，无法对关键风险部位进行实时监测。文章对人工监测和自动化监测的优缺点及数据可靠情况进行分析，依托广州地铁18号线万顷沙站明挖区间项目，采用传统人工监测和深基坑自动化监测结合的方式进行数据对比，结果表明：人工监测和自动化监测数据差异很小，自动化监测可以应用在地铁施工关键风险部位。

关键词 地铁施工;基坑监测;自动化监测

中图分类号 U231.3文献标识码 A文章编号 2096-8949（2022）12-0010-03

收稿日期：2022-03-24

作者简介：蔺义（1994—），男，本科，研究方向：城市轨道交通测量及监测。

0 引言

在当前城市轨道交通广泛建设的环境下，为保证施工安全和施工质量，施工时须对地铁深基坑及周围建筑物变形沉降进行监测及控制[1]。监控量测是基坑施工的重点，监测支护结构、周围土体状态、地表及建筑物的动态，及时分析和预测，针对风险部位进行自动化监测，实时上传数据，指导施工，为以后类似施工做经验储备。在施工过程中必须严格按照设计要求进行监测工作，对重点风险部位进行加密监测。为地铁施工中的安全生产及质量控制提供可靠的数据支撑[2]。

1 工程概况

1.1 工程地质

该段基坑为广州地铁18号线万顷沙出入段线明挖区间中取100 m作为研究段，工程地质情况：基底处于<2-1A>淤泥层，部分基底处于<4N-2>粉质黏土层。结构底板位于<2-1A>、<2-1B>地层段，采用850@600三轴搅拌桩裙边+抽条加固。加固后复合地基承载力特征值不低于185 kPa。底板位于<4N-2>段天然地基承载力特征值不低于140 kPa。

1.2 监测背景

该施工段跨越七涌河道，采用明挖法施工，明挖施工期间，阻断原七涌河道。为保证地铁施工安全和七涌河道的正常运行功能，采用全断面截流方案对七涌河道进行临时阻断，河道水流由两端水闸控制流量。

基坑范围内的地质主要为：填土层<1>、淤泥层<2-1A>、淤泥质土层<2-1B>、淤泥质粉细砂层<2-2>等。地质天然含水量高、天然孔隙比大、压缩性高、渗透性弱、固结系数小，南沙地区软土一般为絮状结构，其中以滨海沉积的片架结构黏土为代表，受到扰动后强度会显著降低，甚至呈流动状态，触变性强。淤泥质地层黏聚力差，抗剪强度小，成槽过程中易出现塌孔、缩颈等问题，槽壁稳定性不易控制;基坑开挖过程中土体自立性不良。

在基坑开挖过程中可能出现以下风险：

（1）基坑范围均处在<2-1A>淤泥、<2-1B>淤泥质土等软弱地层，基底位于<4N-2>可塑状粉质黏土层，局部位于<2-1B>淤泥质土层。基坑开挖过程中容易造成开挖面纵坡失稳，基底涌水涌砂的风险。

（2）基坑开挖范围处于软弱地层，淤泥层分布广泛且厚度较大，为软土地基沉降较高风险区和地面塌陷高风险区，施工过程可能造成地面沉降大、沉陷和突水事故，严重时会造成基坑坍塌。

（3）基坑支撑架设不及时、支撑架设计不牢靠或支撑体系刚度不足，基坑超挖引起的基坑变形大，甚至基坑坍塌。

（4）三轴搅拌桩机、汽车吊、履带吊、成槽机、双轮铣等高耸设备在施工过程中如地基失稳，易造成机械倾倒。

（5）三轴搅拌桩及地下连续墙在淤泥质地层中易造成塌孔、缩孔，导致地面沉降大，甚至坍塌。

软土的特性有：天然含水量高、渗透系数小、具有较强的流变性，压缩性强。软土的变形程度取决于荷载及时间，时间对土的沉降及位移有明显影响。深基坑在软土中施工时，基坑的开挖会造成周围土体的卸压，打破既有土体的稳定性，导致基坑支护结构墙体产生过大水平位移变形，严重会导致墙体失衡、坍塌，基坑内基底土体卸压易产生隆起、上浮，使基坑周围土体产生沉降，直接影响基坑周边环境，导致毗邻的建筑产生位移、倾斜、不均匀沉降甚至损坏。

基坑开挖后，基坑内部基本是超厚的流塑状淤泥，有较强的流变性，基坑开挖时和开挖后都会使土压力减小，出现失衡状态。淤泥所产生的位移、沉降或隆起会使三轴搅拌樁槽壁加固的稳定性控制困难，淤泥土的自稳性差，开挖时易导致滑坡，下陷。基底仍然存在淤泥土，地基承载力不足会有基底隆起的风险。选取该施工段作为自动化监测实验段，采用人工监测和自动化监测同步进行。如有变化及时采取相应措施进行加固处理。

1.3 地铁施工监测实施的意义

施工监测首要目的是对基坑的支护体系、基坑周边建构筑物等进行变形监测，为施工过程提供技术参考及修正，对施工过程中采取的措施进行验证，确保施工安全。对施工期间基坑和支护结构变形和其他影响范围内的周边环境以及被保护建构筑物等变形的量值进行测量，能及时反映其变化情况。该试验段中实现信息化指导是施工的必要手段，及时监测基坑支护结构的变形量进而判断支护结构是否稳定及周边建构筑物是否变形。在施工过程中对实测数据及周边建筑物的变形观测资料分析，预测基坑及周边建筑物的变化发展趋势，为优化施工方案提供依据;将监测实际数据与预测值相对比，判断上一步施工布置和围护（支护）结构变形是否达到了预期的要求，根据监测数据调整下一步施工工序及参数，保证基坑施工生产安全及周边建构筑的安全。

2 监测布点原则及布设方式

重要监测项采用同位置、布设双孔原则，人工监测和自动化监测同步进行。

深层水平位移是基坑开挖过程中重要的监测项目，可以直观反映出支护墙（桩）位移变化情况。地铁基坑施工过程中保证深层土体水平位移监测数据的真实性及准确性，传统测斜仪器由测斜管、测斜探头、数字式测读仪及通信电缆四个部分构成。自动化测斜仪由测斜管、通信电缆、信号接收（发射）机及固定式测斜仪构成。基坑开挖时，测斜管随着支护结构体的变形而发生形变，将形变转化成距离，其中的距离就是该深度的位移变化量。B14F8796-C278-4202-B829-5DCCD1B07EA2

混凝土支撑采用应力计，在支撑梁四角主筋绑扎后，将钢筋计焊接到主筋上并焊接牢固，并将通信线绑扎在支撑梁上，顺着支撑梁钢筋绑扎从冠（腰）梁处伸出，保护通信线不被破坏，钢筋计编号要和元件上编号相同，初始频率等信息要齐全后才可浇筑混凝土。

3 监测项目分析

3.1 布设基准点

监测基准点应布设在工程施工影响范围之外的稳定区域。基准点使用前应遵循先检测后使用的原则。基准点、监测点按规范、设计图纸、监测方案等要求及时进行埋设，定期进行巡查和复测;监测点在开挖之前埋设，并完成采值报验等相关手续。

3.2 加强组织管理和协调

建立基坑上下应急联动机制，成立应急救援机构及编制应急预案，保证监测信息沟通流畅。以“分区、分级、分阶段”的原则制定监控量测控制标准[3]，以绿色、蓝色、黄色、橙色和红色作为工程风险状态标示。绿色指安全状态，蓝色指风险提示，黄、橙、红作为递进式三级综合预警等级进行反馈和控制。

3.3 围护结构深层水平位移及周围土体深层水平位移监测数据计算与比对

活动式测斜仪采用带导轮的测斜探头，探头两对导轮间距500 mm，以两对导轮之间的距离为一个测段。每一测段上、下导轮间相对水平偏差量δ可通过下式计算得到。固定式测斜仪计算原理和活动式计算原理相同。

δ=l×sinθ                                                                  （1）

式中，l——上、下导轮间距;θ——探头敏感轴与重力轴夹角。

测段n相对于起始点的水平偏差量Δn，由从起始点起连续测试得到的δi累计而成，即：

式中，δi——起始测段的水平偏差量（mm）;Δn——测点n相对于起始点的水平偏差量（mm）。

经实际数据验算，选取一天自动化测斜变化情况和该监测点累计人工变化情况，自动化测斜数据密集，但变化量及趋势互相吻合，人工测斜和自动化测斜数据比对结果见图1。

3.4 混凝土支撑轴力、钢支撑应力监测数据计算及比对、水位监测数据分析

混凝土（钢支撑）构件中的钢筋计，出厂时均有对应的系数表，在測量时，用测读仪连接钢筋计导线，测出各钢筋计的频率，通过计算换算成轴力值。

钢筋计埋设前必须检查其初始频率和厂家提供的系数表上初始频率是否在误差范围内，使用前分三次测定初始频率，取三次的平均值作为监测初始值。日常监测值与初始值的差值为累计变化量，该次值与前次值的差值为该次变化量。

用频率读数仪测读、记录应力计频率。计算方法如下：

（1）钢支撑轴力计算公式为：

P=KΔF+B                                                              （3）

式中，P——所受荷载值（kN）;K——仪器标定系数（kN/F）;ΔF——输出频率模数实时测量值相对于基准值的变化量（F）;B——仪器的计算修正值（kN）。

（2）混凝土支撑轴力、围护结构内力计算公式为：

式中，Nq——围护墙内力（kN）;σs——钢筋应力

（kN/mm2）;——钢筋计监测平均应力（kN/mm2）;kj——第j个钢筋计标定系数（kN/Hz2）;fji——第j个钢筋计监测频率（Hz）;fj0——第j个钢筋计安装后的初始频率（Hz）;Ajs——第j个钢筋计截面面积（mm2）;Ec——混凝土弹性模量（kN/mm2）;Es——钢筋弹性模量（kN/mm2）;Ac——混凝土截面面积（mm2），Ac=A?As;A——围护墙截面面积（mm2）;As——钢筋总截面面积（mm2）。

自动化轴力和人工轴力计算采用相同方法，由于数据量较大，因此选取16 d数据进行分析（图2）。随机选取点位比对，变化曲线及变化量基本相同，自动化数据连贯性明显高于人工数据，数据可靠，能直观反映出构件受力的变化情况。

水位数据分析，选取一天水位数据进行列举，某一天自动化水位监测数据如图3，该次人工测得数据为?1.92。自动化监测数据和人工数据吻合，并且还能反映出潮汐变化对水位的影响。

4 结语

通过对该项目监测情况的研究及资料分析后发现，在应用监测自动化墙体测斜、支撑轴力项目中进行比对，人工测量相比自动化监测数据量相对较少，比对相同时间点的监测数据，结果显示自动化监测与人工监测数据变化量基本一致，变化曲线相同，细节变化量比人工测量表达更为充分。基坑监测风险部位可采用人工监测和自动化监测方式相结合，能够使监测数据进行实时传输，预警后迅速反应，为施工安全提供保障。

参考文献

[1]张阿根， 魏子新. 中国地面沉降[M]. 上海： 上海科学技术出版社， 2020.

[2]李兰英， 王新民， 徐丹青. 地面沉降机理及控制措施[C]//.地球科学与社会可持续发展——2005年华东六省一市地学科技论坛论文集，2005：243-246.

[3]叶喆. 地铁施工沉降监测与控制方案研究[J]. 科技创新与应用， 2020（30）： 127-128.B14F8796-C278-4202-B829-5DCCD1B07EA2