第九部分：城市地下工程监控量测与信息反馈

城市地下工程监控量测与信息反馈第九部分一.城市地下工程主要特点与施工方法二.施工监测的意义与目的三.主要监测项目四.控制基准的确定五.信息反馈六.现代化自动监测系统七.监测工程实例汇报提纲一.城市地下工程主要特点与施工方法1.主要特点地质条件一般较差周边环境普遍复杂结构埋深浅、与临近结构相互影响大围岩稳定性较难判断2.施工方法二.监测的意义与目的1.监测的意义在岩土中修建地下工程，地下工程设计理论分析牵涉问题较多，如：(1)岩土的复杂性，(2)施工方法难以模拟性，(3)围岩与结构——支护（围护）相互作用的复杂性;同时考虑城市地下工程的特点，地质条件差、周围环境一般比较复杂，因此有必要通过信息化施工，及时了解施工过程中围岩与支护结构的状态，并及时反馈到设计与施工中去，以确保地下工程施工和周围建（构）筑物安全。作为信息化施工的最基础工作，监测显得非常重要。2.城市地下工程监测的主要目的通过监测了解地层在施工过程中的动态变化，明确工程施工对地层的影响程度及可能产生失稳的薄弱环节。通过监测了解支护结构及周边建（构）筑物的变形及受力状况，并对其安全稳定性进行评价。通过监测了解施工方法的实际效果，并对其进行适用性评价。及时反馈信息，调整相应的开挖、支护参数；通过监测，收集数据，为以后的工程设计、施工及规范修改提供参考和积累经验。三.主要监测项目1.监测项目分类

（1）从考虑地下工程结构稳定及施工对环境影响出发，地下工程主要监测项目可以分成三类：第一类是支护结构的变形和应力、应变监测，第二类是支护结构与周围地层（围岩与结构）相互作用监测，第三类是与结构相邻的周边环境的安全监测。（2）根据监测项目对工程的重要程度可分为“必测项目”和“选测项目”两类。城市地下工程施工多数采用浅埋暗挖法、明挖法、盾构法这三类方法,其监测内容见下面表格。浅埋暗挖法工程主要监测项目类别监测项目监测仪器测点布置监测频率应测项目围岩与支护结构状态地质素描及拱架支护状态观察每一开挖环开挖面距监测断面前后＜2D时1～2次/d开挖面距监测断面前后＜5D时1次/2d开挖面距监测断面前后＞5D时1次/周地表、地表建筑、地下管线及结构物沉降水准仪和水准尺每10～50m一个断面拱顶下沉水准仪和水准尺计每5～30m一个断面，每断面1～3对测点周边净空收敛收敛计每5～100m一个断面，每断面2～3测点岩体爆破地表质点振动速度和噪声声波仪及测振仪质点振动速度根据结构要求设点，噪声根据规定的测距设置随爆破随时进行选测项目围岩与结构内部位移多点位移计、测斜仪等选择代表性地段设监测断面，每断面2～3个测孔开挖面距监测断面前后＜2D时1～2次/d开挖面距监测断面前后＜5D时1次/2d开挖面距监测断面前后＞5D时1次/周围岩与支护结构间压力压力传感器选择代表性地段设监测断面，每断面10～20个测点钢筋格栅拱架内力支柱压力或其他测力计选择代表性地段设监测断面，每断面10～20个测点。初期支护、二次衬砌内力及表面应力混凝土内的应变计或应力计每取代表性地段设监测断面，每断面10～20个测点锚杆内力、抗拔力及表面应力锚杆测力计及拉拔器必要时进行盾构法工程主要监测项目

类别监测项目监测仪器测点布置监测频率必测项目地表隆沉水准仪和水准尺每30m一个断面，必要时加密开挖面距监测断面前后＜20m时1～2次/d开挖面距监测断面前后＜50m时1次/2d开挖面距监测断面前后＞50m时1次/周隧道隆沉每5～10m一个断面选测项目土体内部位移（垂直和水平位移）水准仪、测斜仪、分层沉降仪选择代表地段设监测断面衬砌环内力与变形压力计和应变传感器选择代表地段设监测断面土层应力压力计和传感器选择代表性地段设监测断面明挖法工程主要监测项目

（表1）

（上海市工程建设规范《地基基础设计规范》（DGJ07－11－1999）序号监测项目围护结构施工基坑开挖水泥土围护墙板式支护体系放坡开挖1围护墙（边坡）顶水平位移△△△2围护墙（边坡）顶沉降△△△3立柱沉降△4围护墙水平位移☆△5土体深层侧向位移☆☆☆6支撑或锚杆轴力△7基坑内外地下水位△△△8孔隙水压力☆☆☆9围护墙体土压力☆10坑底隆起（回弹）☆11裂缝监测邻近建筑物☆☆△☆12邻近地表☆☆☆☆13邻近建筑物沉降△△△△14邻近地下管线水平、竖向位移△△△△《建筑基坑支护技术规程》（JGJ120－9）规定的基坑侧壁安全等级及重要性系数，以及据此等级确定的基坑监测项目。

（表2）

安全等级一级二级三级破坏后果很严重一般不严重重要性系数γ。1．101．000．90监测项目支护结构水平位移○○○周围建筑物、地下管线变形○○※地下水位○○※桩、墙内力○※▲锚杆拉力○※▲支撑轴力○※▲立柱变形○※▲土体分层竖向位移○※▲支护结构界面上侧向压力※▲▲注：1．破坏后果系指支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周边环境和地下结构施工影响程度，2．有特殊要求的建筑基坑侧壁安全等级可根据具体情况另行确定；3．○应测；※宜测；▲可测四.监测控制基准的确定1.控制基准确定原则（1）监测控制基准值应在监测工作实施前，由建设、设计、监理、施工、市政、监测等相关部门共同确定，列入监测方案；（2）有关结构安全的监测控制基准值应满足设计计算中对强度和刚度的要求，一般应小于或等于设计值；（3）有关环境保护的控制基准值，应考虑被保护对象（如建筑物、地下工程、管线等）主管部门所提出的确保其安全和正常使用的要求；（4）监测控制基准值的确定应具有工程施工可行性，在满足安全的前提下，应考虑提高施工速度和减少施工费用；（5）监测控制基准值应满足现行的相关设计、施工法规、规范和规程的要求；（6）对一些目前尚未明确规定控制基准值的监测项目，可参照国内外类似工程的监测资料确定。在监测实施过程中，当某一监测值超过控制基准值时，除了及时报警外，还应与有关部门共同研究分析，必要时可对控制基准值进行调整。2.地表沉降控制基准确定方法

通常地表沉降控制基准值应综合考虑地表建筑物、地下管线及地层和结构稳定等因素，分别确定其允许地表沉降值，并取其中最小值作为控制基准值。（1）按环境保护要求确定最大允许地表沉降值.（2）从考虑地下管线的安全角度确定最大允许地表沉降值.（3）从考虑地层及支护结构稳定角度确定最大允许地表沉降值.3.地下工程支护结构（围岩）稳定控制基准确定方法（1）根据支护结构的稳定性确定.（2）根据地表沉降控制要求确定.（3）利用现场监测结果和工程经验对预先确定的位移值进行修正.4.国内外主要监测项目控制基准值（1）暗挖隧道主要监测项目控制基准值我国铁路隧道采用允许相对位移值的方法。隧道周边任意点的实测相对位移值或用回归分析推算的最终位移值均应小于《锚杆喷射混凝土支护技术规范》（GB50086-2001）规定值，即下表所列的数值。覆土厚度（m）围岩级别<5050～300>300Ⅱ0.1～0.30.2～0.50.4～1.2Ⅲ0.15～0.50.4～1.20.8～2.0Ⅳ0.2～0.80.6～1.61.0～3.0

法国工业部制定的隧道位移基准值如下表（隧道断面50～100m2），可作为初选位移基准的参考值。隧道埋深（m）洞内拱顶允许下沉（mm）地表允许下沉（mm）硬岩软岩硬岩软岩10～5010～2020～5010～2020～5050～10020～60100～20020～60150～300100～50050～10050～100200～400500～75040～120200～40040～120300～600

日本“NATM设计施工指南”提出按测得的总位移量值，或根据已测值预计的最终位移值，给出围岩的类别，然后确定与围岩相应的支护系统。下表给出了隧道施工中各类围岩容许收敛值。围岩类别净空变化值（mm）单线双线Ⅰ～Ⅱ>75>150Ⅱ～Ⅲ25～7550～150Ⅲ～Ⅴ<25<50

我国北京、广州根据地区经验，提出地铁工程施工相应的监测控制基准。北京地铁浅埋暗挖法施工监测控制基准值监测项目基准值位移平均和最大速度控制值（mm/d）地表沉降区间30平均：2最大：5车站60拱底隆起区间10车站10拱顶下沉区间60平均：2最大：5车站120水平收敛区间20平均：1最大：3北京地铁盾构法施工监测控制基准值监测项目基准值位移平均和最大速度控制值（mm/d）地表沉降20平均：1最大：3拱顶下沉20平均：1最大：3广州地铁施工监测控制基准监测项目控制范围控制基准地表沉降Ⅰ、Ⅱ类围岩30mmⅢ、Ⅳ类围岩19mm拱顶下沉Ⅰ类围岩50mmⅡ类围岩30mmⅢ、Ⅳ类围岩19mm变形速度Ⅰ、Ⅱ类围岩5mm/dⅢ、Ⅳ类围岩3mm/d建筑物倾斜全线3‰（2）明挖基坑工程变形控制基准确定上海市和深圳市基坑设计规程规定将基坑工程按破坏后果和工程复杂程度区分为三个等级，各级基坑变形的设计和控制值见下表。基坑工程等级划分及变形制控基准值

工程复杂程度一级二级三级基坑深度（m）＞149～14＜9地下水埋深（m）＜22～5＞5软土层厚度（m）＞52～5＜2基坑边缘与邻近已有建筑浅基础或重要管线边缘净距（m）＜0.5h0.5～1h＜1h监控值设计值监控值设计值上海市墙顶位移（mm）305060100宜按二级基坑标准控制，当环境条件许可时可适当放宽墙体最大位移（mm）608090120地表最大沉降（mm）305060100最大差异沉降6/100012/1000深圳市墙体最大水位移（m）排桩、地下连续墙、土钉墙0.0025H0.0050H0.0100H钢板桩、深层搅拌桩一0.0100H0.0200H深圳市建设局还对深圳地区建筑深基坑的地下连续墙作了稳定判别标准，见下表。深圳地区深基坑地下连续墙安全性判别标准

注：1.F2上行适用于基坑旁无建筑物或地下管线，下行适用于基坑近旁有建筑物和地下管线。2.F6、F7上、中行与F2同，下行道用于对变形有特别严格的情况。

工程建设行业标准《建筑基坑工程技术规范》（JGJ12-99）规定重力式挡墙最大水平位移的控制值见下表。重力式挡墙最大水平位移控制值墙的纵向长度＜30m30～50m＞50m地层条件良好地基（0.005～0.01）H（0.010～0.015）H＞0.015H一般地基（0.015～0.02）H（0.02～0.05）H＞0.05H软弱地基（0.025～0.035）H（0.035～0.045）H＞0.045H五.信息反馈

1.信息反馈的内容（1）对设计的反馈内容（2）对施工的反馈内容在施工过程中，通过对监测结果的分析判断，及时调整施工方案，必要时增加辅助施工措施，以确保施工安全。2.监测数据的处理方法（1）散点图与回归分析法一元线性回归分析非线性回归分析（2）地下工程监测数据分析中常用的回归函数地表沉降横向分布规律地表沉降横向分布规律回归函数采用Peck公式，Peck在1969年提出了地层损失的概念，即在不考虑土体排水固结和蠕变的条件下，得出了一系列与地层有关的沉降槽宽度的近似值。位移历时回归方程对地表沉降、拱顶下沉、净空收敛等变形的历时曲线一般采用如下函数进行回归。（1）指数模型：；（2）对数模型：；（3）双曲线模型：；式中：t——监测时间（单位：日）；S——t时间对应的位移值；a、b——回归系数。沉降历程回归方程由于地下工程开挖过程中地表纵向沉降、拱顶下沉及净空收敛等位移受掌子面的时空效应的影响。采用单个曲线进行回归时不能全面反映沉降历程，通常采用以变弯点为对称的两条分段指数函数式或指数函数进行近似回归分析。式中：A，B——回归参数；x——距开挖面的距离；S——距开挖面x处的地表沉降；x0、u0——变弯点x0处的沉降值u0。3.监测信息反馈（1）监测反馈的程序右图（2）信息反馈方法1）采用收敛限制法2）参数控制法3）工程类比法4）数值计算方法5）反分析法六.现代自动化监测系统1.近景摄影测量系统近景摄影监测的主要问题在于地下工程内施工条件下不易实施，而且精度目前尚难达到要求。但随着技术的进步，它仍值得进一步研究探索。三维隧道影像扫描仪（简称DIBIT系统）做以下简单介绍。DIBIT为可携带式隧道影像记录器，近年来奥地利ILF与TuneiConslt公司合作开发成功，曾应用于德、奥境内施工中高速铁路隧道。采用三维隧道影像扫描仪除可全面并精确地记录隧道开挖面地质与支撑施作结果之影像与几何资料，改善目前本地传统工法中有关监测或记录方法之缺点外，并可提供隧道开挖高精度资料与建立施工品质资料库，有助于提升国内施工品质控制与工程管理效率。DIBIT系统外观2.光纤监测系统光栅传感器是近几年正在研发的新型传感器，光纤光栅传感器可集信息的传感与传输于一体，与传统的传感器相比它具有很多优势：如防爆、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便。特别适合在恶劣环境下使用。它克服了电阻应变片的易受电磁干扰、易损坏、寿命短和不能重复使用的缺点。通过此项技术可准确的将地震、不均匀沉降、建筑物的动荷载等等带给结构的危害程度，做到实时、长期、直观的监控。我集团在北京地铁5号线05标和广州地铁5号线小北站成功试验。计算机传感器1传感器2传感器3传感器n3.自动全站仪非接触监测系统全站仪非接触监测系统采用先进全自动全站仪，具有自动目标识别、自动跟踪、无棱镜测距的功能、将全站仪置于固定测站，通过数据线与远处控制室连接，通过控制室电脑发出指令控制全站仪对目标进行监测。该系统具有获取信息及时、监测精度高。其具有以下优点：（1）适应隧道恶劣环境；（2）克服了传统接触量测在大跨度隧道中速度慢、误差大等缺点；（3）自动化程度高，能够实现数据自动采集、观测安全快速。我集团应用此项技术较早，在内昆铁路曾家坪隧道首次试验成功，后在磨狗岭隧道、北京城铁14标等多个工程应用，效果良好。全站仪非接触监测洞内监测图对于一些特殊结构，如；桩基托换过程中的高层建筑物，运营中的地铁线路，交通繁忙的铁路、公路桥梁等，常规监测方法实施的难度特别大，必要时可采用远程监测系统进行监测。远程监测系统由现场采集系统和远程控制系统两部分组成。将各类传感器埋设在待测结构上，并连接在数据采集仪上，即构成数据采集系统，可在无人值守状态下，实现各类监测数据的自动采集。静力水准仪北京地铁五号线静力水准仪布置图4.远程监测系统（重要建（构）筑物变形监测）

数据采集仪为连接远程监控中心及各类监测传感器的中继站，直接控制各类传感器，并将传感器的信号进行编译传输至监测中心。远程监测在北京地铁五号线的数据采集仪数据采集仪远程监测在北京地铁五号线的应用主控电脑主控电脑

远程监测中心由主控计算机，通过数据采集仪，控制监测传感器的工作。通过设置参数，可实现高频自动监测，通过强大的数据后处理系统，可实现大量监测数据的实时分析，及时反映监测对象的各类信息，为施工控制提供参考数据。5.巴赛特结构收敛系统巴赛特结构收敛系统可以进行隧道断面变形的连续监测，该系统可安装在隧道典型断面用于监测因结构变形而引起的变形破坏。能够适应隧道交通、防震、水流、温度变化以及电磁辐射环境。巴赛特结构收敛系统七.监测实例广州地铁一号线杨体区间隧道工程1．工程概况该区间隧道工程位于中山路东端南侧，周边环境复杂，天河自来水厂和天河村密集居民区，隧道穿越I~III类围岩，主要为强中风化带岩层及残积土层，地下水丰富。区间内有极易液化的流砂层，穿越常年流水的杨淇涌。为广州地铁一号线地层最复杂，施工难度最大的区间之一。隧道埋深12．2～18．5m，左右线双洞隧道，左右隧道中线间距为13．3～16．2m，隧道断面为鹅卵形，采用浅埋暗挖法施工，采用复合式衬砌支护结构，即初期支护为喷锚支护，永久衬砌为C30防水混凝土。2．监测项目及控制基准（1）监测项目序号监测项目监测仪器监测目的监测频率1地表沉降水准仪和水准尺了解施工过程中地表沉降情况开挖面距监测断面前后＜2B时1～2次/d开挖面距监测断面前后＜5B时1次/2d开挖面距监测断面前后＞5B时1次/周2地表建筑沉降与倾斜水准仪和水准尺了解施工过程中建筑物沉降与倾斜情况，评估建筑物建筑物是否安全3拱顶下沉水准仪和水准尺计了解施工过程中初期支护结构变形情况4周边净空收敛收敛计了解施工过程中初期支护结构变形情况5地中土体垂直位移NC－50型分层沉降仪，沉降管了解施工过程中地层不同深度的垂直变形情况6地中土体水平位移SINCO测斜仪、测斜管等了解施工过程中地层不同深度的水平变形情况7围岩压力压力传感器了解施工过程中初期支护结构的荷载分布情况8钢筋格栅拱架应力支柱压力或其他测力计了解施工过程中初期支护结构的内力分布情况9地下水位水位计、水位管等了解施工对地下水位影响10爆破振动速度声波仪及测振仪了解爆破引起地表及建筑物的震动情况随爆破随时进行（2）控制基准监测项目控制范围控制标准地表下沉I、II类围岩3OmmIII、IV类围岩19mm拱顶下沉及净空收敛I类围岩50mmII类围岩32mmIII、类围岩19mm位移速度I、II类围岩5mm/dayIII、IV类围岩3mm/day建筑物倾斜全线3%。3.监测结果分析（1）地表沉降1）地表纵向沉降规律从图中可以看出，地表沉降的变化过程可分为四个阶段：地表测点沉降历程曲线图微小沉降阶段：当掌子面开挖到与测点距离－2．0D～－1．0D时，开始对地表产生一定的影响，沉降值约占总沉降值的10～15%左右。主要是由于隧道开挖引起前方地层应力场发生变化，以及地下水的流失而引起的微小沉降。沉降急剧增大阶段：随着掌子面向前推进，距测点在－1D～3D内时，地表沉降速率加速增长，沉降值急剧增大，此阶段沉降值约占总沉降值的60～70%左右。该阶段沉降主要是由于隧道的开挖而造成边界条件发生改变，对覆盖土体产生扰动，引起应力场的重分布，产生卸载效应，为施工过程中主要沉降阶段。缓慢沉降阶段：当掌子面向前开挖超过测点3．0D以后，沉降速率开始减小，沉降值缓慢增加，沉降曲线开始收敛，一直延续到5．0D，此阶段沉降值约占总沉降值的10～15%左右。沉降基本稳定阶段：当掌子面距测点5．0D后，沉降增长缓慢，直至延续时8．0D，地层趋向稳定状态，此阶段沉降值约占沉降值的5%左右。

采用非线性最小二乘法进行回归分析，得到Ⅱ、Ⅲ类围岩的地表沉降曲线的回归方程如下：Ⅱ类Ⅲ类2）横向地表沉降Ⅱ～III为类围岩地表横向沉降实测曲线Ⅱ类围岩地表横向沉降曲线Ⅲ类围岩地表横向沉降曲线

采用Peck公式法对实测数据进行横向地表沉降规律分析，得到各类围岩横向地表沉降曲线参数见下表：围岩类别δi横向