城市地铁隧道基坑变形监测与分析

常乐 CHANG Le

（沈阳城市建设学院，沈阳 110167）

0 引言

现代化城市建设的不断推进中，城市轨道交通和城际轨道交通工程的需求急速提升，地下工程的修建也不断增加，工程的推进需要大量基坑工程的支撑，而国家经济建设不断的加深发展，对城市快速交通网的要求也进一步提高。然而，城市建设的交通主干部分大多位于城市中心地带，特别是贯通城市地下交通的地铁隧道基坑工程，其周边环境多而复杂，新旧建筑交错，因此基坑工程从设计开始到施工测量直到变形监测都有相当高的要求。因此，必须根据基坑周围的环境进行整体监测以确保工程安全，但是基于各种地下管网布设密集、建筑周围环境复杂等原因，使得勘测设计、施工测量、运营监测等部门进行紧密沟通合作，对基坑变形程度进行严格把控，才能确保基坑工程在施工中保障安全。

1 基坑变形监测

1.1 基坑变形监测分类

基坑变形分类有多种方式，依其类型进行分类可分为基坑的静态变形与动态变形两大类[1]。基坑静态变形指基坑变量仅仅是时间的函数，就是说只表示某段时间内变形的量的观测结果；基坑动态变形不仅仅是时间函数，还受到了外力而产生了变化，是指受到外力作用而产生的变形，它的观测结果是在某一时刻瞬时发生的变形。

建（构）筑物基坑变形主要原因是在上部荷载承载力变化作用下地基的体积受到挤压而发生形变。纵向移动中垂直向上的称为上升，向下的称为沉降。造成这些形变的因素主要有以下两个方面：一是工程地质及土壤性质类的既有基坑的自然条件影响，比如地基的地质情况有差别，有的地质环境稳定，有的是并不稳定的，这样就会发生不均沉降进而引起倾斜。另一种原因与建筑本身相关联，包括建筑自身荷重、整体的建筑结构情况以及外界动荷载，包括风力、振动等方面的因素，这些因素相互关联，综合影响整体建筑物发生形变。

1.2 基坑变形监测的作用

现阶段基坑施工，基坑形变、附近土体沉降、支护结构受力等信息都是通过动态测量得到。通过动态的实时测量可以确保基坑施工过程中的安全稳定[2]：首先可以保证施工中基坑各部分结构的稳定，通过获取变形监测的实时数据可以控制基坑施工阶段的土层及支护结构变形；其次可以保证变形数据的有效处理分析并预测沉降及结构形变的规律，进而为减少对周边的干扰采用合理的工程方案；再次可以评估周边环境是否安全，也能对深基坑自身建设情况进行健康监测；最后也可以利用测量数据总结具体项目的建设模式积累经验，为同类项目提供参考。

1.3 监测方案设计前的准备工作

根据方案设计的原则，做好一个监测方案需要熟悉多个隧道施工方案和施工区域内土壤、地下水以及隧道施工影响范围内现有结构物的相关资料，所以，方案设计前的准备工作包括：

①收集各种资料。资料主要包括：隧道施工方案，施工区域内地质分析报告，施工影响范围内结构物的设计图纸和竣工资料，施工区域内的管线图，施工区域内的交通情况等。

②现场勘查。现场踏勘主要是对施工整体情况有所了解，包括施工中涉及到的范围内存在的建筑物、构筑物以及相关管网的情况，其中需要勘察管线位置、类型、尺寸，建筑物及构筑物的形状、结构、是否存在裂纹等等。勘查的主要目的是便于监测点的布置和施工对其影响的评价。

2 变形监测数据处理分析及稳定性分析

2.1 变形监测数据处理分析

在勘测过程中，不但需要现场获取变形监测的资料，还需要对变形数据进行分析整理，才能使变形监测为施工过程服务，以此保障工程安全、指导工程获取应有的效益。

在整理分析变形监测数据时主要有两方面内容[3]：

①监测数据的整理：将工程过程中测量所得的数据和相关材料进行整理并制成图表加以说明，使成果易于运用，这是本阶段的首要工作，具体有以下几点：

1）核对每一项原始数据，对全部变形监测数据的计算进行检核。

2）依照时间顺序依次在观测表中填写各点的变形数据。

3）绘制基坑变形相关图表包括变形数据的过程线和分布图。

②测量数据的分析：本阶段的分析是对建筑物及构筑物变形的过程、规律等情况进行归纳和总结。对变形的因素进行分析，总结它们之间的数学模型描述，得出变形值和影响因素之间的关联，之后再去判别建筑整体的利用符合标准与否。对于建筑变形内在的原因以及规律，则需要进行多次测量，得到海量资料后进一步查明，以便对原有设计值和经验系数进行修改。本阶段整体分析可总结为如下三种：

1）成因分析（定性分析）：定性的分析区别于定量统计，它是分析、辨别、明确观测值变化的形成和规律，是对建筑物自身以及建筑物上作用的荷载进行分析。

2）统计分析[4]：统计分析是接续成因分析的进一步分析，需要对测量数据统计分析后得到一定规律，进而得出变形因素与观测值之间的函数关系。

3）观测数据预测：可根据统计分析得到的函数关系进一步对建筑物将来可能发生的变形情况进预测，并能由此对建筑物是否安全及安全程度进行判别。

2.2 水准点稳定性分析

对建筑物进行垂直位移监测所设置的水准点，需要保证稳定，即使不能保证全部点都稳定不动的情况下，至少要有一组保证是稳定的，力求使其能保持稳定不动，可以以此为变形数据计算的基准[5]。而在实际工程中，除了基岩上所设置的标志之外，从冲积层设置的标志，就算埋设得再深，也很难确定是稳固的。比如，依据多年变形监测数据经过多次观察比较，发现部分深埋数十米甚至百米以上的钢筋混凝土桩，仍有抬升出现。另外，国外有很多膨胀土地区，设置在这里的水准点标志也很难做到保持固定没有位移。在此类区域内进行垂直方向变形监测，不可以无依据地选取某点作为基准的起始点，而是要根据反复测量的数据进行统计，得到一个相对其他点更稳定的水准点当做起始点，以此才能进行进一步分析。

比如，针对某水准网进行重复观测，从观测的N 次数据中去分析，通过N 次的成果能对水准点是否稳定进行判断。

改正数Δij（i—水准点号，j—观测周期），产生两种不同的因素：水准测量产生的误差与水准点可能发生的抬升和下沉；因此很难直接在Δij中判别出它们。

然而，从数据Δij的绝对值来看，若其数据明显高于水准点产生的测量误差，这里可以近似地将其视为第j 次测量相对于第一次测量的i 点的升降值。

当出现下面情况时，为了去掉改正数中的“系统部分”，需要确定改正值的均值，即改正数Δij接近水准测量而产生的误差时，需要进行此计算：

并将其每项改正数Δij中减掉它，进而得出由上述情况引起的偶然误差：

很明显，δij即为第i 点（i=1，2，…，n）在j 次观测（j=1，2，…，N）时与这一点与各次测量值均值的偏差。它可以用来表示水准点是否稳定，作为一个稳定性指标，并且σi越小，水准点越稳定。

3 工程项目

3.1 项目概况

某地地铁1 号线全长20 余公里，是本市轨道交通线网中一条贯通南北的轨道交通骨干线，地铁首先进行枢纽站规划，发现其枢纽站的站周边规划已经基本形成，多以高层建筑为主，因此采取了以暗挖法施工为主的枢纽站站址周边规划。

3.2 观测仪器

项目主要采用Trimble DINI12 配套LD12 铟钢尺，精度满足每公里往返测高程中误差≤0.3mm。

3.3 监测项目及限差

项目主要监测项目及限差要求见表1。

表1 垂直位移基准网观测主要技术指标及要求

3.4 监测方法

隧道竖直变形监测及水平位移观测可以将观测点设在隧道顶部或腰线处，然后在进行测量变形监测时，可采用常规水准测量方法。同时，建立以隧道轴线及其轴线的垂直方向形成的坐标系，并利用导线测量的方式对设定的观测点进行坐标测量，从而对隧道水平位移量进行计算。以项目枢纽站基坑支护工程变形监测为例，对枢纽站基坑的垂直方向和水平方向进行监测。监测基准点埋设在基坑外30m 以外的通视条件良好、地质坚硬处，布设可通视的2-3 个基准点，方便后期复核。监测点位于基坑内，利用钻具成孔的方式布设，将钢筋打入土层进行布设[6]。

3.5 监测成果

以枢纽站基坑支护工程监测为例，分析一周内的变形监测数据，从竖直方向变形监测及水平方向变形监测所得数据进行分析。

3.5.1 竖直方向变形监测数据分析

监测数据的直观表示利用变形曲线图可以更直观的反映一周内的建筑基坑竖直方向的变形规律，图1 以观测的三个典型点，来表示一周内的变形。

图1 竖直方向监测数据变形曲线图

基坑的变形观测点普遍布设在土体或混凝土中，在混凝土结硬的过程会发生收缩，这就可能引起观测点抬升，而施工时会出现土体产生回弹现象，也会引起观测点的抬升，加之基坑打桩过程产生的土压力也会造成观测点的抬升，因此在基坑监测过程中，若观测点出现小幅抬升属正常现象，不会对基坑安全造成影响。

3.5.2 水平方向变形监测数据（见表2）

表2 水平方向变形监测数据（某次观测数据）

反映一个建筑基坑水平方向的变形规律，可根据曲线图进行分析，水平方向典型点位移数据如图2 所示。

图2 水平方向监测数据变形曲线图

隧道全线整体位移变形状态及走向可通过曲线进行直观、全面的展示，利于分析，便于发现问题并及时预警。

3.6 监测结果分析

根据监测报警值规范《建筑基坑支护技术规程》（JGJ 120-2012）及本次监测各变形观测数据，通过统计分析，得到变形情况如下：桩顶水平位移：累计变化最大值12mm，各点累计值及变化速率未达到预警值。桩顶竖向位移：累计变化最大值1.23mm，各点累计值及变化速率均未达到预警值。土体深层水平位移：累计变化最大值，深度（4.9m）0.88mm，各点累计值及变化速率均未达到预警值。建筑物沉降：累计变化最大值1.98mm，各点累计值及变化速率均未达到预警值。地表竖向位移：累计变化最大值31.87mm，各点累计值及变化速率均未达到预警值。项目整体监测评价：正常。

4 结论

目前，随着城市化进程的不断推进，各种建筑物不断出现，而基坑支护工程是一项风险较大的工程项目，因此建筑物的变形观测越来越受到重视，而对建筑物的基坑变形进行监测也越来越重要，成为各种项目中必不可少的一个环节。同时，为了使变形观测的结果与规律更加真实可靠，需要对变形观测的数据成果进行整理和细致的分析，并需要妥善处理建筑基坑变形监测中存在的问题。而工程变形监测普遍采用分析变形原因和变形规律的方式和对此采取的有效措施对于决策者和施工人员及时掌握变形信息和变形情况、预测变形趋势具有十分重要的意义。在变形监测分析过程中，通过绘制的变形曲线能更加直观地反映基坑变形的趋势，有利于工程决策者和施工人员更及时的掌握工程的变形信息，在此基础上实施的有效改进措施，对提高工程的可行性和安全性有着十分重要的意义。同时越来越多的现代化监测及管理方法，能降低监测的数据观测难度，减少数据处理工作，提高工作效率，为基坑安全作业提供支撑。