城市地下空間巖土工程安全監(jiān)測技術(shù)研究

趙子寅

北京城建設(shè)計(jì)發(fā)展集團(tuán)股份有限公司，北京 100037

20 世紀(jì)80 年代國際隧道協(xié)會提出大力開發(fā)地下空間，開啟人類新的穴居時(shí)代，這成為當(dāng)前巖土工程和土木工程發(fā)展的新方向。地下空間是將建筑物的構(gòu)造向地下延伸，諸如地下商業(yè)街、地下停車場、地下軌道交通等。由于城市化進(jìn)程的推進(jìn)，土地資源日益緊張，使全球各個(gè)大中型城市紛紛將城市規(guī)劃的目光投向地下空間。空間利用技術(shù)在我國擁有悠久的歷史，例如地窖、黃土高原的窯洞等，古代人們充分利用自然環(huán)境，有效地解決了人們的生活問題。此外，還有許多抗戰(zhàn)時(shí)期修建的防空洞，也是空間開發(fā)的典型案例。目前，世界各國都十分重視城市地下空間的開發(fā)與利用。19 世紀(jì)60 年代，倫敦建成世界上第一條地鐵，拉開了人類城市地下空間開發(fā)利用的帷幕。經(jīng)過幾十年的發(fā)展，國內(nèi)外在城市地下空間開發(fā)中積累了大量經(jīng)驗(yàn)。

1 地下空間是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要空間資源

在人類社會的歷史發(fā)展中，始終沒有停止對地下空間的利用。例如，窯洞的居住歷史可追溯到四千多年前。地窖的使用在北魏賈思勰《齊名要術(shù)》中就有明確記載。但是由于受生產(chǎn)力和科技水平的限制，地下空間的利用規(guī)模有限。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，地下倉庫、地下管網(wǎng)、地下軍事設(shè)施、地下商業(yè)街、地下停車場等大量地下設(shè)施的開發(fā)，使得城市地下空間的開發(fā)和利用進(jìn)入了一個(gè)新階段。

受生產(chǎn)力和技術(shù)水平的限制，地下空間的開發(fā)和利用在許多城市的建設(shè)中尚沒有受到應(yīng)有的重視。但是地下空間作為城市空間資源的重要組成部分，其價(jià)值仍有待開發(fā)。城市的空間的開發(fā)經(jīng)歷了地面開發(fā)、地上開發(fā)、地下開發(fā)三個(gè)階段，決定這一進(jìn)程的關(guān)鍵因素主要受經(jīng)濟(jì)效益和科學(xué)技術(shù)影響。隨著社會經(jīng)濟(jì)和科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，人們對環(huán)境的要求也越來越高。許多城市開始大量拆除對城市影響較大的天橋、高架橋等，取而代之的是地下通道、地下軌道交通。這表明，地下空間的開發(fā)對改善城市生產(chǎn)生活環(huán)境具有積極意義。

2 城市地下空間巖土工程安全監(jiān)測技術(shù)

城市地下空間巖土工程安全監(jiān)測技術(shù)主要包括地下水監(jiān)測、應(yīng)力監(jiān)測、變形監(jiān)測等。從監(jiān)測內(nèi)容來看，則主要分為支護(hù)結(jié)構(gòu)體系變形監(jiān)測和周圍環(huán)境監(jiān)測兩大類。支護(hù)結(jié)構(gòu)體系變形監(jiān)測包括土壓力監(jiān)測、土層地標(biāo)變形及位移監(jiān)測、錨桿的錨固力監(jiān)測等；周圍環(huán)境監(jiān)測則主要包括地層含水帶、破碎帶、溶洞或空洞、地下障礙物等。安全監(jiān)測方法主要包括直接幾何法、間接幾何法、物理方法三類。

（1）直接幾何法：電水平尺系統(tǒng)（EL-NEAM），在精密沉降中的監(jiān)測具有很好的效果，在我國上海東方路地鐵樞紐站的建設(shè)中有實(shí)際應(yīng)用；自動實(shí)時(shí)三維監(jiān)測系統(tǒng)，主要對地鐵隧道變形與形變中進(jìn)行有效監(jiān)測；全站儀收斂變形系統(tǒng)，對低下空間變形與形變監(jiān)測效果顯著。電水平尺監(jiān)測沉降的工作原理如圖1 所示。

圖1 電水平尺監(jiān)測沉降的工作原理示意圖

例如，在某醫(yī)院施工中，基坑與站臺變現(xiàn)的最近距離為13m，基坑最大挖深8m，為保障地鐵隧道安全，需要對基坑側(cè)面地鐵隧道進(jìn)行監(jiān)測。選用35 臺水平梁式傾斜儀、35 臺保護(hù)具有保護(hù)傳感器的水平梁、通信電纜300m 等構(gòu)建一個(gè)監(jiān)測系統(tǒng)，具體硬件數(shù)量配置如表1 所示。

（2）間接幾何法：采用固定式測斜儀測斜，通過傳感器和數(shù)據(jù)自動采集系統(tǒng)對低下連續(xù)墻水平的位移進(jìn)行監(jiān)測，巴塞特收斂儀和數(shù)字化攝影測量技術(shù)都是采用間接幾何法來進(jìn)行監(jiān)測的。例如，目前比較常見的GK-6150 固定式測斜儀作用于基坑內(nèi)部，傳感器能夠測量出傾斜角度的變化，通過角度變化計(jì)算出水平位移量，這是當(dāng)前比較常用的自動化無人值守測斜監(jiān)測設(shè)備。

表1 監(jiān)測系統(tǒng)的硬件匹配要求

（2）物理方法：主要采用地震反射和雷達(dá)反射來探測地址情況。目前通用的技術(shù)手段是采用水準(zhǔn)儀和全站儀監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)頂，對于縱深方向的傾斜監(jiān)測則采用測斜儀；對于支護(hù)結(jié)構(gòu)和混凝土應(yīng)力檢測則采用應(yīng)變計(jì)；對于周圍物質(zhì)則采用物探；對于地標(biāo)和建筑物變形則采用水準(zhǔn)儀和經(jīng)緯儀。以全站儀監(jiān)測支護(hù)結(jié)構(gòu)頂為例，能夠?qū)ξ灰苹鶞?zhǔn)控制在基坑、隧道整體下沉狀態(tài)進(jìn)行快速、簡便、對施工干擾小、適應(yīng)能力強(qiáng)、精度高的實(shí)施非接觸量測。

總而言之，檢測手段較多，主要采用幾何手段和物理手段來進(jìn)行有效監(jiān)測。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷推陳出新，在巖土工程監(jiān)測作業(yè)中也涌現(xiàn)出來許多新的監(jiān)測技術(shù)和設(shè)備。

3 城市地下空間巖土工程安全監(jiān)測資料分析以及變形預(yù)測

隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，大型、復(fù)雜的數(shù)值計(jì)算得以實(shí)現(xiàn)。當(dāng)前主要應(yīng)用數(shù)值計(jì)算法預(yù)測地標(biāo)沉降，主要包括有限元、邊界元、半解析元等，通過有限元方法對盾構(gòu)隧道工程進(jìn)行三維變形模擬分析，其預(yù)測精度與實(shí)測數(shù)據(jù)吻合度高。這表明，數(shù)值計(jì)算法預(yù)測地標(biāo)的沉降是有價(jià)值的。其缺點(diǎn)在于，對彈塑形和黏彈塑形本構(gòu)模型的測算較為困難。

此外，隨機(jī)介質(zhì)法預(yù)測地表變形的研究也有了成果，國內(nèi)眾多學(xué)者對隨機(jī)介質(zhì)法進(jìn)行了改進(jìn)。例如，基于DFP算法和改進(jìn)浮點(diǎn)編碼遺傳算法的加速混合遺傳算法，就有效解決了地下洞室地表非線性沉降模型參數(shù)的確定問題，其優(yōu)化效果遠(yuǎn)優(yōu)于其他方法。另外，在利用回歸分析預(yù)測法時(shí)，收集的觀測數(shù)據(jù)資料越豐富，預(yù)測結(jié)果就越精準(zhǔn)。但是這一方法需要大量的觀測資料，增加了工作難度和工作量，使得回歸分析預(yù)測的使用在業(yè)內(nèi)比較少。

4 城市地下空間巖土工程施工安全預(yù)警系統(tǒng)

施工安全是城市地下空間巖土工程的核心內(nèi)容，安全預(yù)警系統(tǒng)是采用監(jiān)測技術(shù)，借助信息化手段對施工進(jìn)行監(jiān)測和預(yù)測，確保施工的支護(hù)結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定。預(yù)警系統(tǒng)隨著工程進(jìn)度的推進(jìn)而推進(jìn)，將前一施工階段的資料數(shù)據(jù)、預(yù)測數(shù)據(jù)以及監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比分析，并根據(jù)差異對原有的設(shè)計(jì)進(jìn)行評價(jià)，同時(shí)通過修正各項(xiàng)參數(shù)，對下一施工階段進(jìn)行指導(dǎo)，并給出合理化施工建議。隨著互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的發(fā)展，城市地下空間巖土工程預(yù)警系統(tǒng)也應(yīng)運(yùn)而生。

安全預(yù)警系統(tǒng)涵蓋面廣，主要包括變形預(yù)測模型、預(yù)警系統(tǒng)指標(biāo)體系、預(yù)警指標(biāo)警戒值等。可根據(jù)工程需要用Fortran 語言編程實(shí)現(xiàn)GM（1，1）模型的地表變形預(yù)測，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)數(shù)字化。

隨著我國城市化進(jìn)程深入推進(jìn)，城市空間資源緊張加劇，城市的地下開發(fā)成為我國大城市當(dāng)前基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的重要方向。加強(qiáng)地下空間巖土工程技術(shù)創(chuàng)新是實(shí)現(xiàn)城市可持續(xù)發(fā)展的重要基礎(chǔ)。

5 結(jié)束語

城市地下空間的建設(shè)主要由政府主導(dǎo)，由于管理體制因素，當(dāng)前大多數(shù)城市地下空間的建設(shè)和運(yùn)營由不同的單位管理，不同的項(xiàng)目、不同時(shí)期的巖土工程安全監(jiān)測由不同的單位投資，以此滿足工程安全需要。但許多巖土工程安全監(jiān)測所用的技術(shù)手段受資金的閑置，很大程度上限制了新技術(shù)、新方法、新設(shè)備在地下空間監(jiān)測中的開發(fā)和利用。施行地下空間建設(shè)和運(yùn)營期巖土工程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是未來發(fā)展的必然趨勢。隨著巖土工程監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)的建立，還需要不斷完善預(yù)警系統(tǒng)理論和模型，并盡快將各種前言理論、技術(shù)、設(shè)備應(yīng)用到實(shí)踐中來，在實(shí)踐中不斷改進(jìn)和完善。