地鐵施工對上部建筑結構安全性影響的在線監(jiān)測系統(tǒng)設計與實踐

李智慧，劉衛(wèi)景，劉文峰，郭興玲，楊 鵬

（1.青島地鐵集團工程建設分公司，山東 青島 266000；2.江西飛尚科技有限公司，江西 南昌 330052）

0 引言

地鐵是城市現(xiàn)代化建設和發(fā)展過程中緩解地面交通壓力的重要交通工具，城市地鐵大多貫穿于城市主干道和繁華區(qū)的地下。地鐵施工會引起周邊巖土變形，給地表建筑物及其附屬設施帶來安全隱患［1-2］。地鐵開挖對地層產生擾動，可能會引起地表及附近建筑物變形或沉降，危及附近建筑物的安全［3-4］。在地鐵施工過程中，采取何種措施和手段以保障地鐵項目自身及周邊建筑環(huán)境的安全是地鐵建設的一項重要工作［5］。地鐵工程施工安全風險大、管理體系不科學等因素，導致地鐵施工重大安全事故頻頻發(fā)生，給社會造成了惡劣影響，并帶來了嚴重的經濟損失［6］。

施工監(jiān)測作為保證施工安全的一個重要手段，已經在地鐵建設中得到了廣泛應用。科學、準確、及時地分析、預報地鐵施工對建（構）筑物變形發(fā)展的影響，并以此來正確指導施工，現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)的及時分析和保存在地鐵施工過程中具有特別重要的意義［7］。結合施工期間三方監(jiān)測數(shù)據(jù)與現(xiàn)場工況，駱建軍等［8］總結了北京地鐵四號線黃莊站在淺埋暗挖法施工下地表及拱頂沉降產生的原因及沉降規(guī)律，并提出控制沉降措施；邱冬煒等［9］對城市地鐵施工監(jiān)測系統(tǒng)進行了探討，并指出施工監(jiān)測是保證施工安全和工程質量十分重要的措施，監(jiān)測數(shù)據(jù)的處理和分析涉及大量而復雜的計算、繪圖、地理定位和制表等工作，但施工監(jiān)測系統(tǒng)能夠自動對地鐵施工監(jiān)測的數(shù)據(jù)進行管理，并及時給出安全預警；如何確保地鐵施工影響區(qū)環(huán)境安全，深圳地鐵提出了土建施工第三方監(jiān)測的概念，張成平等［10］詳細闡述了第三方監(jiān)測的目的、作用、管理體系、實施內容和工作程序，論述了第三方監(jiān)測與業(yè)主、承包商、監(jiān)理之間的關系，實踐表明，第三方監(jiān)測是業(yè)主確保地鐵施工影響區(qū)環(huán)境安全的有效管理模式，在地鐵建設中極有推廣價值；印燈平［11］以上海地鐵9號線施工對港匯高層住宅樓實測為例，介紹了沉降監(jiān)測的實施方法，并分析了觀測成果，得出施工階段沉降變化的規(guī)律，對保障地鐵施工具有重要意義。

前人在在線監(jiān)測系統(tǒng)方面也做過很多研究，但應用于具體工程的尚不多見。本文在傳統(tǒng)人工監(jiān)測基礎上，通過對地上建筑物內部沉降在線監(jiān)測系統(tǒng)進行設計并應用于工程實踐，對施工期地鐵隧道開挖過程進行全天侯數(shù)據(jù)收集，并利用云平臺實時發(fā)布監(jiān)測結果和預警信息，以期使相關人員能夠及時準確地了解上部結構的狀態(tài)，準確分析地鐵施工對上部結構物的影響，為地鐵安全施工提供有力指導。

1 在線監(jiān)測系統(tǒng)設計及安全性評估

1.1 預期效果

城市隧道開挖具有不同于一般山嶺隧道開挖的特殊性，大多具有淺埋、大跨等特點，其施工風險高、施工難度大、安全事故后果嚴重。大量工程實踐經驗及理論分析表明，風險的發(fā)生存在多方面原因，既有內在因素也有外在因素。地上建筑物是一個地基基礎與上部結構密切作用的整體，上部結構對地基變形非常敏感，結構的變形破壞機制復雜，形式多樣，受不均勻沉降和沉降速率變化的影響最大，破壞后果也更加嚴重。通過對隧道施工引起的建筑物風險進行分析和評估，掌握建筑物當前的風險狀態(tài)和發(fā)展趨勢，是后續(xù)施工過程中各種控制工作的基礎，對保護建筑物的安全至關重要。

傳統(tǒng)檢測是由人工定期用儀器到現(xiàn)場進行測量，檢測工作量大，受天氣、人工、現(xiàn)場條件等因素的限制，存在一定的系統(tǒng)誤差和人為誤差。同時，人工檢測還存在不能及時檢測各項參數(shù)，難以及時掌握工程的安全技術指標等缺點。

在地鐵施工期間，在線監(jiān)測系統(tǒng)對周邊建（構）筑物沉降等可進行自動化監(jiān)測，從而真正保障地鐵施工期間周邊建（構）筑物的安全。

1.2 系統(tǒng)設計原則

監(jiān)測系統(tǒng)是提供獲取建筑物結構信息的工具，使決策者可以針對特定目標做出正確的決策。本系統(tǒng)主要設計原則為：1）保證系統(tǒng)的可靠性；2）保證系統(tǒng)的先進性；3）可操作和易于維護性；4）具有完整和擴容功能；5）以最優(yōu)成本控制。

1.3 系統(tǒng)功能要求

該系統(tǒng)具有全方位、全天侯實時監(jiān)測能力。可實時采集、傳輸、存儲、分析、管理監(jiān)測數(shù)據(jù)，實現(xiàn)自動監(jiān)測，可實時掌握工程整體運行的安全狀態(tài)。

1）能夠實現(xiàn)對地鐵周邊建筑物變形的連續(xù)自動監(jiān)測。可依據(jù)設定進行定時采集、特殊事件采集等，無需人員進入施工現(xiàn)場。

2）能夠實現(xiàn)無線傳輸。無需長距離布設線纜、光纜，可有效保證系統(tǒng)的整體穩(wěn)定、可靠運行。系統(tǒng)具備應答式和自報式2種方式，即可按設定的方式自動進行定時測量或接收命令進行選點、巡回檢測及定時檢測。

3）具備網絡數(shù)據(jù)通訊與遠程數(shù)據(jù)通訊功能。

4）推斷結構的變化趨勢，預測結構的安全狀況。通過實施監(jiān)測得到豐富的數(shù)據(jù)樣本，通過系統(tǒng)的自動分析功能，獲得施工作業(yè)環(huán)境的影響因素。

5）自動預警/報警。當結構出現(xiàn)異常時，在監(jiān)測中心以聲音以及警示燈方式進行報警，并通過短信及時通知相關人員。

6）資料管理及歷史資料存儲。可實現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲，顯示各項監(jiān)測、監(jiān)測數(shù)據(jù)信息的歷史變化過程及當前狀態(tài)，為安全生產管理提供簡單明了、直觀有效的參考信息；安全監(jiān)測管理分析模塊具備基礎資料管理、測量參數(shù)設定、監(jiān)測內容適時發(fā)布、圖形報表制作、數(shù)據(jù)分析及綜合預警等功能。

7）與相關部門數(shù)據(jù)互連和數(shù)據(jù)共享查詢。能夠實現(xiàn)：工程安全監(jiān)測信息在公司內部及主管部門的多級共享；安全監(jiān)測系統(tǒng)的遠程訪問、管理及維護；系統(tǒng)的分析數(shù)據(jù)和現(xiàn)場的監(jiān)測數(shù)據(jù)可實時發(fā)布。

2 萬隆商廈結構特點和安全監(jiān)測要求

2.1 結構特點

萬隆商廈地基軟弱，結構復雜，且多次改擴建后造成許多結構缺陷，存在多處結構性安全隱患。萬隆商廈建設在承載力僅有140 kN/m2的軟弱地基上，且后期經過改擴建（將原來L形（6層）和方形（3層）部分加高至9層）。圖1所示粗實線即沉降縫所在位置。原有1—3層的沉降縫依然存在，4—6層的沉降縫在擴建過程中無法與原結構水平連接，7—9層在擴建時已通過水平梁連接為一體。整棟建筑在1—6層為分體結構，7—9層合為一體。

圖1 萬隆商廈內部沉降縫位置示意圖Fig.1 Positions of settlement joints ofWanlong Mall

經過調取1992年萬隆商廈的地基設計圖發(fā)現(xiàn)：當時的地基設計在沉降縫兩側采用了不同的方案。L形部分的地基較寬，配筋多；方形部分的地基寬度小，配筋少。因此，該樓目前必然會產生較大的沉降量。圖1還標示了首層平面布置與地鐵隧道的相對位置。

萬隆商廈6層以上的平面布置如圖2所示。6—9層的大量客房布置大大增加了結構的負荷，且7—9層不再保留原有結構的沉降縫，改為整體框架式結構，而這樣的結構改建往往存在結構上的安全隱患。一旦沉降縫兩側產生不一致的豎向沉降或者水平位移，必然會引發(fā)上部結構的附加受力和變形，嚴重時可能引起上部結構不可修復的損壞或破壞。該建筑的結構復雜，樓內住戶眾多，結構損壞或破壞必然會帶來直接的經濟損失，并造成不良的社會影響。

圖2 萬隆商廈6層以上的平面布置（單位：mm）Fig.2 Plan layoutof floors ofWanlong Mall above the6th floor（mm）

2.2 沉降監(jiān)測點布置

根據(jù)《建筑物變形測量規(guī)范》，沉降觀測點應能全面反應建筑物及地基變形特征，并結合地質情況、建筑結構特點及本項目的實際情況，沉降觀測點應選擇在以下位置：

1）為了盡量避免地鐵施工對地面產生的沉降影響，主要監(jiān)測基準點選擇在距離本次監(jiān)測建筑60 m的位置。

2）考慮到暗挖區(qū)間對地面建筑物的影響，沉降測點在區(qū)間上方的，沿建筑物橫軸的柱上布置。

3）考慮到受沉降槽寬度的影響，沉降觀測點在近似垂直于區(qū)間掘進方向的縱軸及其輔助軸線上布置。

4）在建筑的四角、建筑裂縫、后澆帶和沉降縫的兩側進行布置。

2.3 結構沉降監(jiān)測點布置方案

1）如圖1所示，在靠近掘進方向的縱軸5—6軸線之間，在該沉降縫周邊垂直于地鐵線方向設置多個沉降監(jiān)測點。

2）沿著掘進方向的橫軸C—D軸線之間，靠近C軸線的沉降縫、垂直于地鐵線方向設置多個沉降監(jiān)測點。

3）考慮到2條沉降縫的交叉點形成的結構薄弱區(qū)，建議在軸線C和軸線6交點附近區(qū)域布置多個沉降監(jiān)測點。

最終的測點布置如圖3所示，圖3中標注出的沉降監(jiān)測點基本覆蓋了地鐵隧道上方的施工影響區(qū)。

圖3 萬隆商廈沉降監(jiān)測點布置示意圖Fig.3 Layout of settlementmonitoring points forWanlong Mall

根據(jù)《建筑物質量鑒定報告》，沉降縫對建筑物地基變形最敏感，地基變形對建筑物損害最直觀。綜合以上情況并經幾方討論，建議對以上測點的沉降進行實時在線監(jiān)測，以對施工期周邊建筑物的安全提供更為有效、科學的依據(jù)。

2.4 監(jiān)測設備選型和采集制度

建筑物不均勻沉降監(jiān)測擬采用壓差式變形測量傳感器FS-LTG-Y200。其技術指標為：量程為200 mm，靈敏度為0.2 mm，綜合精度為±0.2%FS，輸出RS485數(shù)字信號，供電為24 V DC（7～24 V DC），采集頻率為5 min/次。

3 基于云平臺的數(shù)據(jù)采集傳輸和預警系統(tǒng)

云計算（cloud computing）是一種基于互聯(lián)網的計算方式，通常通過互聯(lián)網提供動態(tài)易擴展且經常是虛擬化的資源。狹義云計算指IT基礎設施的交付和使用模式，指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需資源；廣義云計算指服務的交付和使用模式，指通過網絡以按需、易擴展的方式獲得所需服務，這種服務可以是IT和軟件、互聯(lián)網相關，也可以是其他服務。它意味著計算能力也可作為一種商品通過互聯(lián)網進行流通。云其實是網絡、互聯(lián)網的一種比喻，過去在圖中往往用云來表示電信網，后來也用來表示互聯(lián)網和底層基礎設施的抽象。

云服務中心系統(tǒng)將在線安全監(jiān)測系統(tǒng)與云計算有機結合，搭建起強大的技術支撐平臺，將各單一項目監(jiān)測系統(tǒng)匯總整合，形成地方性或行業(yè)性的整體安全監(jiān)測中心，以方便各級分管單位統(tǒng)一進行監(jiān)控管理。

云服務中心系統(tǒng)以實時監(jiān)測為基礎，綜合管理在線監(jiān)測的各類靜態(tài)的和動態(tài)的監(jiān)測數(shù)據(jù)（沉降、傾斜、裂縫等），統(tǒng)一完成數(shù)據(jù)的實時監(jiān)控及數(shù)據(jù)、報表、站點、權限、參數(shù)、任務的管理等功能。系統(tǒng)采用多層結構，將結構安全監(jiān)測、結構模擬、安全評估、預警等融為一體，如圖4所示。

圖4 云服務中心系統(tǒng)示意圖Fig.4 System of cloud service center

3.1 云平臺系統(tǒng)功能簡述

系統(tǒng)能夠提供良好的人機交互界面，便于使用者操作，可提供實時數(shù)據(jù)查詢、結構健康分析報告推送、異常氣象條件下實時分析推送、異常預警短信、郵件通知等功能。

1）拓撲。目前，web端已經裝載GIS地圖模塊，應用打開后能直觀地看到當前業(yè)主下所有結構物的地理位置和當前結構安全監(jiān)測狀態(tài)。

2）安全儀表盤。通過軟件端對數(shù)據(jù)進行智能分析，根據(jù)專家評估，并依照行業(yè)標準等給出結構物安全狀態(tài)評分。

3）報表及告警拓撲。根據(jù)結構物數(shù)據(jù)分析結果，定期給業(yè)主方提供報表，并對結構物的健康狀況按等級給出告警狀態(tài)。

4）預告警管理。對已經產生告警的監(jiān)測項，業(yè)主方可以直接進入預告警模塊進行告警信息的查看和確認。

5）工作報表。為了更全面地分析結構物狀態(tài)變化，web端可將監(jiān)測到的結構物狀態(tài)按周期為業(yè)主提供分類報表，包括日常監(jiān)測數(shù)據(jù)報表、異常數(shù)據(jù)報表、專家評分報表等。

6）數(shù)據(jù)查詢。為便于業(yè)主方對結構物的安全監(jiān)測，軟件將實現(xiàn)數(shù)據(jù)實時查詢功能，并對歷史數(shù)據(jù)可提供查看和打印功能。

7）推送服務。對已經產生的告警信息和周期報表，軟件將實現(xiàn)實時推送功能。

8）系統(tǒng)管理。系統(tǒng)管理實現(xiàn)了不同用戶和推送等級的管理。

9）SPI/API。用戶可以通過SPI/API方式訪問云計算服務中心的數(shù)據(jù)接口，通過數(shù)據(jù)接口，用戶可以查看和下載關心的數(shù)據(jù)；同時，提供了二次開發(fā)的支持，用戶可以使用數(shù)據(jù)接口，構建自己的管理系統(tǒng)。

3.2 監(jiān)測預警值

3.2.1 周邊建（構）筑物重要性等級的劃分

按照建筑物的重要性不同，國家規(guī)范將建筑物劃分為3級。

1）I級。古建筑物、近代優(yōu)秀建筑物，重要的工業(yè)建筑物，10層以上高層、超高居民用建筑物，大于24 m的地上構筑物及重要的地下構筑物。其破壞后果很嚴重，具有重大國際影響或非常嚴重的國內政治影響，經濟損失巨大。

2）II級。一般的工業(yè)建筑物，4—6層的多層建筑物，7—9層中高層民用建筑物，10—24層的地上構筑物，一般地下構筑物。其破壞后果嚴重，政治影響嚴重，經濟損失較大。

3）III級。次要工業(yè)建筑物，1—3層的底層民用建筑物，小于10 m的地上構筑物，次要地下構筑物。其破壞后果一般，有一定的政治影響和經濟損失。

3.2.2 周邊建（構）筑物控制指標

依據(jù)建筑物重要性等級不同，允許沉降的控制值如表1所示。

3.2.3 工程監(jiān)測報警值

工程監(jiān)測報警值應以監(jiān)測項目的累計變化量和變化速率值兩個值控制。

表1 建（構）筑物控制指標參考值Table 1 Control standards for settlement of buildings（structures）

3.2.4 周邊環(huán)境監(jiān)測報警值的極限值

周邊環(huán)境監(jiān)測報警值的極限值應根據(jù)主管部門的要求確定。如無具體規(guī)定，可參考表1和表2確定。

表2 不均勻沉降的預報警值及措施Table 2 Alarming values of differential settlement and countermeasures

參考GB 50007—2011中關于地基變形的規(guī)定，對于砌體承重結構應進行局部傾斜控制，砌體承重結構沿縱墻6～10 m內基礎兩點的沉降差與其距離的比值為：對于中、低壓縮性土為0.002，對于高壓縮性土為0.003；對于框架結構和單層排架結構應由相鄰柱基的沉降量控制，單層排架結構（柱距為6 m）柱基的沉降量為200 mm，框架結構對于中、低壓縮性土的沉降差為0.002l，對于高壓縮性土的沉降差為0.003l（l為相鄰柱基的中心距離）。

本系統(tǒng)選擇表2所示的預警和報警等級，當出現(xiàn)下列情況之一時，必須立即報警。1）當監(jiān)測數(shù)據(jù)達到報警值；2）周邊建筑物的結構部分、周邊地面出現(xiàn)可能發(fā)展的變形裂縫或較嚴重的突發(fā)裂縫。若情況比較嚴重，應立即停止施工，并對基坑支護結構和周邊的保護對象采取應急措施。

3.3 雙重預警功能

3.3.1 系統(tǒng)報警

預警信息是根據(jù)用戶在設備設置里進行配置得來的，用戶配置閥值會與系統(tǒng)采集的數(shù)值進行比對，如果采集的數(shù)值比設置的閥值大，則會觸發(fā)報警功能，用戶會在進入系統(tǒng)的第一時間得知報警數(shù)據(jù)。

3.3.2 短信報警

短信報警可根據(jù)設置的級別發(fā)送手機預警信息。可在系統(tǒng)中添加報警時需要通知的用戶，并根據(jù)不同的用戶添加不同的報警等級，系統(tǒng)會自動按照報警的級別進行短信發(fā)送。例如：若用戶被設置的報警等級為一級，系統(tǒng)會將所有的報警發(fā)送給此用戶，若用戶被設置的報警等級為二級，只有系統(tǒng)發(fā)生黃色預警（二級預警）時才會發(fā)送給該用戶。

4 沉降監(jiān)測應用實例

在地鐵施工尚未進入萬隆商廈之前，系統(tǒng)已開始工作。每小時自動測試12個數(shù)據(jù)，項目監(jiān)測期持續(xù)到地鐵作業(yè)完全穿越整棟建筑物的施工影響區(qū)。

分別選擇臨近左線的P19—P23沉降監(jiān)測點，臨近右線的P6—P8和P18測點，以及遠離左線和右線施工影響區(qū)的P26測點，P26是人工監(jiān)測和在線監(jiān)測數(shù)據(jù)對比的參考點。通過這些測點的高程變化，分析施工工藝參數(shù)對沉降和隆起的影響，以便更好的指導施工，減小地鐵施工對建筑物的影響。最后通過人工測量手段，對在線監(jiān)測結果進行對比驗證。

4.1 沉降監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

圖5為2014年1月9日—3月16日左線測點P19—P23相對于P26的高程變化。圖5中實心水平黑色線表示注漿施工，空心水平線表示開挖施工。左線的3次注漿時段內，周邊測點持續(xù)隆起。注漿后的開挖期，多數(shù)測點出現(xiàn)少許沉降。

由圖5可看出，左線在1月16—25日注漿期間，多數(shù)測點持續(xù)隆起，距離作業(yè)面最近的P20測點隆起幅度最大；2月22日—3月2日再次注漿，距離作業(yè)面最近的P19測點隆起幅度最大；3月13—16日又啟動注漿，測點P19和P20已顯現(xiàn)出隆起態(tài)勢。

圖5 左線周邊測點沉降隔山Fig.5 Settlement/heave measured atmonitoring points near left tunnel tube

圖6為2014年1月9日—3月16日右線測點P6—P8和P18相對于P26的高程變化。在右線3次注漿時段內，右線周邊測點不斷隆起，在開挖過程中，多數(shù)測點出現(xiàn)少許沉降。

由圖6可看出，右線在1月9—16日注漿期間，右線測點隆起幅度差別不大；2月13—21日再次注漿，右線測點又一次劇烈隆起，距離作業(yè)面最近的P7測點隆起幅度最大；3月2—11日又開始注漿，右線測點繼續(xù)隆起，距離作業(yè)面最近的P6測點隆起幅度最大，距離作業(yè)面最遠的P8測點隆起幅度最小。在注漿結束后的開挖過程中，多數(shù)測點出現(xiàn)少許沉降。

圖6 右線周邊測點沉降Fig.6 Settlement/heavemeasured atmonitoring points near right tunnel tube

在2014年春節(jié)停工期內（1月26日—2月7日），所有測點的數(shù)據(jù)都非常穩(wěn)定，大多數(shù)測點的數(shù)據(jù)波動小于1 mm。特別是在萬隆商廈停業(yè)期間，絕大多數(shù)測點的高程波動均小于0.3 mm。

4.2 在線監(jiān)測與人工測量結果對比

為了印證在線監(jiān)測系統(tǒng)的穩(wěn)定性和數(shù)據(jù)結果的可信度。自2014年1月10日開始，飛尚科技有限公司在萬隆商廈2樓地面選擇了與在線監(jiān)測系統(tǒng)傳感器距離最近的8個靠近立柱裝修層最近的位置進行標高的人工測量，以驗證在線監(jiān)測系統(tǒng)給出沉降數(shù)據(jù)的正確性。在長達2個多月的對比觀測中，發(fā)現(xiàn)在線監(jiān)測系統(tǒng)和人工測量的結果吻合度很好。

圖7為1月10—28日期間2樓地面的人工測點（PP6，PP18和PP20）相對于在線監(jiān)測點（P6，P18和P20）的標高變化情況。這些測點都是距離在線監(jiān)測點P6，P18和P20最近的人工測點，布置在靠近測點立柱的2樓地面。從起伏變化規(guī)律看，其一致性很好，大多數(shù)測點偏差小于1 mm，人工測量結果與在線監(jiān)測系統(tǒng)給出的結果吻合度很高。

圖7 人工測量與在線監(jiān)測的結果比較Fig.7 Comparison and contrast between manual monitoring results and on-linemonitoring results

4.3 檢測結果對地鐵施工的指導作用

通過對大量的數(shù)據(jù)進行分析發(fā)現(xiàn)，開挖前的超前加壓注漿造成的地面隆起值遠遠大于開挖引起的沉降值。控制注漿壓力和注漿速度可以很好的控制隆起量。通過隆起量控制可以適當?shù)氐窒_挖引起的沉降量，使地鐵開挖對建筑物的影響降到最小。

5 結論

1）在線監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時準確地了解上部結構的狀態(tài)，準確分析地鐵施工對上部結構物的影響。

2）傳統(tǒng)的結構物外圍人工監(jiān)測不能準確反映地上建筑物的內部變形，必須引入覆蓋地鐵施工影響區(qū)的在線監(jiān)測系統(tǒng)以實時監(jiān)測結構的狀態(tài)變化。

3）基于云平臺的結構安全監(jiān)測系統(tǒng)及其預警體系建設可以提供更全面及時的監(jiān)測數(shù)據(jù)跟蹤和預警，以指導地鐵安全施工，保障地鐵施工區(qū)的地上建筑結構的安全。

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