岩土工程施工中地下结构监测和安全评估方法探析

王北强

摘要：地下结构在工程施工中承担着重要的功能和作用，然而其受到地质环境和工程施工影响较大，存在安全隐患。因此，监测单位对地下结构监测和安全评估具有重要的意义。随着城市化进程不断加快，地下结构的使用越来越广泛，如地下车库、地下管网等。然而，地下工程施工过程中的地质灾害、变形和破坏等问题也频繁发生，严重威胁着工程的安全和稳定运行。因此，构建科学有效的地下结构监测和安全评估方法，可以提前预警、减少事故风险，保障工程的顺利施工和可持续发展。

关键词：岩土；工程；监测；评估方法

DOI：10.12433/zgkjtz.20240343

一、岩土工程施工中的地下结构监测技术

（一）监测对象和监测要素

在岩土工程施工中，地下结构的监测对象主要包括土体、岩石体和地下建筑物等。针对不同的监测对象，需要监测的要素也不尽相同。对于土体和岩石体的监测，常见的要素包括地表沉降、地表位移、地下水位、地下应力、温度等。地表沉降和地表位移是评估工程变形和沉降的重要指标，通过全站仪、GPS和测量标杆等设备测量。地下水位是岩土工程施工中的关键要素，对地下结构的稳定性和安全性具有重要影响，通过水位计和压力计等装置监测。地下应力是评估地下结构受力情况的重要指标，通过应变计和测力计等设备测量。温度的监测通过温度计和红外测温仪等工具测量。

对于地下建筑物的监测，除了上述要素外，还需要考虑结构变形、应力和振动等方面的监测。结构变形通过激光测距仪、倾斜仪和应变计等设备监测。应力的监测通过应变计、传感器和应力片等工具测量。振动是评估地下建筑物受到的外界震动影响的重要指标，通过加速度计和振动传感器等设备进行监测。

（二）监测方法与技术

1.传统监测方法

传统的地下结构监测方法主要包括测量法、观测法和试验法。测量法是利用各种测量仪器和设备对地下结构的监测要素进行直接测量的方法。例如，使用全站仪、GPS、水位计等设备进行位置、高程和水位的测量。

观测法是通过观察和记录地下结构的表观变形和现象来评估其安全性和稳定性。例如，使用倾斜仪、裂缝计等设备对地下结构的倾斜度和裂缝情况进行观测和记录。

试验法是通过对地下结构进行负荷试验或模型试验，获取其受力和变形特性的方法。例如，通过静载试验、振动试验等获得地下结构的承载能力和动态响应。

2.新兴监测方法

随着科技的进步，新兴的地下结构监测方法不断涌现。其中，无线传感网络技术是一种具有广泛应用前景的新兴监测方法。该技术利用无线传感器节点构建网络，实时采集和传输地下结构的监测数据，具有实时性强、安装方便等优点。通过无线传感网络，实现对地下结构的位移、应力、温度等参数实时监测和预警。

另外，遥感技术也被广泛应用于地下结构监测中，如卫星遥感、航空遥感等。通过获取遥感图像，获得地下结构的变形情况、地下水位等信息，提供更全面的监测数据。同时，人工智能技术开始应用于地下结构的监测与诊断中。通过大数据处理和智能算法，对监测数据进行分析和解读。例如，使用机器学习和深度学习算法对监测数据进行走势预测、异常检测和结构健康评估，提升监测效率和准确性。

（三）监测数据分析与处理

监测数据的分析与处理是地下结构监测的重要环节，对准确评估结构的安全性和稳定性至关重要。常用的数据分析与处理方法包括数据归纳与整理、数据校核与平滑、数据比较与对比、数据趋势评估等。通过对监测数据的分析和处理，获取结构的变形、应力等信息，并与设计参数进行对比，判断结构是否存在异常情况。同时，进行模型分析和数值计算，预测结构的变形和承载能力，为施工中的调整和优化提供依据。

二、岩土工程施工中地下结构安全评估方法

（一）安全评估指标体系

在岩土工程施工中评估地下结构的安全性，需要建立科学完整的指标体系，以综合考虑结构稳定性、结构变形和经济效益等多个方面的因素。

1.结构稳定性评估

地下结构的稳定性是安全评估的首要考虑因素之一。评估指标包括地下结构的材料强度、承载能力、稳定性分析结果等。例如，结构的安全系数、滑移和翻转等限制条件可以用于评估结构的稳定性。此外，还需要考虑地下结构与周围土体的相互作用，如地基的承载能力和土体侧推等因素。

2.结构变形评估

地下结构的变形是评估其安全性的另一个重要方面。变形评估指标包括结构的沉降、位移和变形量等。这些指标反映地下结构及其周围土体的变形特征。通过监测和测量指标，评估结构的变形情况，并及时采取相应的措施保证结构的安全。

3.经济效益评估

经济效益评估考虑了地下结构在使用过程中的经济效益和可行性。评估指标包括建造成本、维护费用、使用寿命等因素。通過评估这些指标，为工程决策提供经济依据，确保在满足安全需求的前提下，最大限度地节约成本。

（二）安全评估方法

1.传统评估方法

传统的地下结构安全评估方法主要包括经验公式法、析力法和整体系数法。这些方法基于经验公式和解析力学原理，通过对结构受力分析和参数计算评估地下结构的安全性。

首先，经验公式法是一种基于已有实测数据和经验数据的评估方法。通过对大量实际工程的统计分析，建立经验公式或经验关系，用于预测地下结构的稳定性和变形情况。这些公式通常考虑了地下水位、土体性质、地下结构形式等因素，可以快速评估地下结构的安全性。

与经验公式法有所不同，析力法是通过对地下结构的受力分析来评估其稳定性。该方法将结构和土体分为若干个小区域，应用力学原理推导每个区域的受力方程，并解出各个区域的受力状态。通过分析结构的受力特征和稳定限制条件，评估地下结构的安全性。析力法需要较为复杂的计算过程和较高的工程力学知识。

整体系数法是一种将地下结构的安全系数引入评估中的方法。该方法通过确定各种荷载和参数的安全系数，并综合考虑，得出整体安全系数。整体系数法简化了计算过程，降低了分析难度，适用于一般地下结构的安全评估。需要注意的是，传统评估方法通常基于经验和假设，结果可能存在一定的不确定性。

在实际应用中，应综合考虑各种方法的优缺点，并根据具体情况选择适当的方法进行地下结构的安全评估。此外，随着计算机技术的发展，还出现了基于数值模拟的安全评估方法，如有限元法和离散元法。这些方法可以更精确地模拟地下结构的力学行为，提供更准确的安全评估结果，但需要更复杂的计算和较高的技术需求。

2.数值模拟和分析方法

数值模拟和分析方法是一种利用计算机软件开展的地下结构安全评估方法。常见的数值模拟方法包括有限元方法和计算流体动力学方法。

有限元方法是一种将结构和土体离散为有限个小单元，在每个单元上进行力学分析的方法。通过将结构和土体划分为小单元网格，建立节点和单元之间的力学关系，利用力学原理求解结构的应力和变形情况。有限元方法考虑复杂的结构和土体性质，提供更精确的应力和变形预测结果。然而，该方法需要网格划分和数值计算，计算量较大且要有较高的计算机性能和专业知识。

计算流体动力学方法是一种模拟流体在结构周围流动情况的方法。对于地下结构来说，液体的作用是重要的，如地下水和土体相互作用引起的渗流等。计算流体动力学方法通过数值模拟流体的运动，预测地下结构在液体作用下的稳定性。该方法适用于评估渗流、液体压力和土体侵蚀等问题。该方法需要网格划分和数值计算，并考虑流体力学的复杂性。

数值模拟和分析方法可以提供更精确的地下结构安全评估结果，并考虑更多复杂因素的影响。该方法的准确性和可靠性取决于输入参数和模型的正确性，需要结合实测数据和合理的假设进行分析和解释。

（三）安全评估结果解读与应用

1.结果解读

解读安全评估结果是确保评估工作有效的关键。根据评估结果，判断结构的稳定性、变形情况和经济效益等方面是否满足设计要求。根据评估结果的不同等级，确定是否需要进一步采取措施来确保地下结构的安全。

2.结果应用

根据安全评估结果，制定相应的控制措施和管理策略。例如，修改工程设计、调整施工方法、加强工程监测等。这些措施旨在提高地下结构的安全性和稳定性，减少潜在风险。

3.结果反馈

将安全评估的结果及时反馈给相关人员和团队。促进信息共享和沟通，以便共同制定合理的管理计划和决策。通过不断优化和改进，提高岩土工程施工中地下结构安全评估的准确性和可靠性。

三、岩土工程施工中的地下结构监测与安全评估案例分析

（一）典型地下结构监测案例分析

1.案例一：隧道监测

在某城市地铁隧道施工过程中，严格监测地下结构。监测点位设置在隧道内部和周圍，监测隧道的沉降、位移、应力等参数。监测数据通过传感器实时采集，并通过数据分析软件进行处理和分析，监测结果用于评估隧道的稳定性和变形情况，以及判断是否需要采取调整施工方法或加固措施。

2.案例二：地下室施工监测

某高层建筑地下室施工期间，开展地下室墙体的监测。监测点位设置在地下室墙体的不同位置，通过激光测距仪实时测量墙体的位移和变形。监测数据与设计要求对比，监测结果用于评估地下室墙体的稳定性和变形情况，确保施工安全开展。

（二）典型地下结构安全评估案例分析

1.案例一：地下管廊安全评估

某城市地下管廊的结构稳定性，需要安全评估。首先，收集管廊的设计图样和相关资料，确定管廊的结构参数和荷载条件。然后，利用有限元方法对管廊进行数值模拟，计算管廊的应力和变形情况。将计算结果与设计要求对比，并评估管廊的结构稳定性。最后，根据评估结果制定相应的加固方案和管理措施。

2.案例二：地铁站台安全评估

某城市地铁线路的站台结构存在问题，需要安全评估。评估内容包括对站台结构的材料强度、承载能力和稳定性进行分析。通过采集站台的监测数据，如沉降和位移等参数，结合有限元分析方法，评估站台结构的变形情况。根据评估结果，确定是否需要加固或维修站台结构，以确保乘客的安全。

（三）案例分析与讨论

在这些典型的地下结构监测和安全评估案例中，通过合理设置监测点位和采用先进的监测技术，对地下结构实时监测，并获取准确的监测数据。通过数据分析和数值模拟等方法，对地下结构的稳定性和变形情况评估。在监测案例中，及时获取监测数据有助于工程人员了解地下结构的实际情况，判断是否存在风险，并采取相应的措施以确保施工安全。在安全评估案例中，通过分析监测数据和数值模拟，准确评估地下结构的稳定性和变形情况，为后续加固和维修工作提供依据。然而，需要注意的是，监测和评估结果仅作为参考，还需要结合实际情况和专业经验综合判断。此外，在监测和评估过程中，注意数据的准确性和可靠性，以及监测设备的正常运行。

四、结语

综上所述，地下结构监测和安全评估在岩土工程施工中起着至关重要的作用。在地下结构监测方面，传统监测方法通过对结构变形和应力状态的监测，及时了解地下结构的变化情况。而新型监测方法具有高效、精确和非接触的特点，可以提供更全面的监测数据。在地下结构安全评估方面，建立科学合理的评估指标体系是关键。通过评估指标体系，综合考虑结构的稳定性、变形情况和荷载能力等因素，准确评估地下结构的安全性。同时，采用合适的安全评估方法如有限元分析、风险评估和可靠性评估等，对地下结构进行全面的安全性评估，并根据评估结果采取有效措施。总之，地下结构监测和安全评估是岩土工程施工中不可或缺的环节。

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