城市地下空間巖土工程安全監測技術研究

趙子寅

北京城建設計發展集團股份有限公司，北京 100037

20 世紀80 年代國際隧道協會提出大力開發地下空間，開啟人類新的穴居時代，這成為當前巖土工程和土木工程發展的新方向。地下空間是將建筑物的構造向地下延伸，諸如地下商業街、地下停車場、地下軌道交通等。由于城市化進程的推進，土地資源日益緊張，使全球各個大中型城市紛紛將城市規劃的目光投向地下空間。空間利用技術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境，有效地解決了人們的生活問題。此外，還有許多抗戰時期修建的防空洞，也是空間開發的典型案例。目前，世界各國都十分重視城市地下空間的開發與利用。19 世紀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利用的帷幕。經過幾十年的發展，國內外在城市地下空間開發中積累了大量經驗。

1 地下空間是實現城市可持續發展的重要空間資源

在人類社會的歷史發展中，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》中就有明確記載。但是由于受生產力和科技水平的限制，地下空間的利用規模有限。隨著科學技術的發展，地下倉庫、地下管網、地下軍事設施、地下商業街、地下停車場等大量地下設施的開發，使得城市地下空間的開發和利用進入了一個新階段。

受生產力和技術水平的限制，地下空間的開發和利用在許多城市的建設中尚沒有受到應有的重視。但是地下空間作為城市空間資源的重要組成部分，其價值仍有待開發。城市的空間的開發經歷了地面開發、地上開發、地下開發三個階段，決定這一進程的關鍵因素主要受經濟效益和科學技術影響。隨著社會經濟和科學技術的不斷發展，人們對環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，地下空間的開發對改善城市生產生活環境具有積極意義。

2 城市地下空間巖土工程安全監測技術

城市地下空間巖土工程安全監測技術主要包括地下水監測、應力監測、變形監測等。從監測內容來看，則主要分為支護結構體系變形監測和周圍環境監測兩大類。支護結構體系變形監測包括土壓力監測、土層地標變形及位移監測、錨桿的錨固力監測等；周圍環境監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（EL-NEAM），在精密沉降中的監測具有很好的效果，在我國上海東方路地鐵樞紐站的建設中有實際應用；自動實時三維監測系統，主要對地鐵隧道變形與形變中進行有效監測；全站儀收斂變形系統，對低下空間變形與形變監測效果顯著。電水平尺監測沉降的工作原理如圖1 所示。

圖1 電水平尺監測沉降的工作原理示意圖

例如，在某醫院施工中，基坑與站臺變現的最近距離為13m，基坑最大挖深8m，為保障地鐵隧道安全，需要對基坑側面地鐵隧道進行監測。選用35 臺水平梁式傾斜儀、35 臺保護具有保護傳感器的水平梁、通信電纜300m 等構建一個監測系統，具體硬件數量配置如表1 所示。

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

表1 監測系統的硬件匹配要求

（2）物理方法：主要采用地震反射和雷達反射來探測地址情況。目前通用的技術手段是采用水準儀和全站儀監測支護結構頂，對于縱深方向的傾斜監測則采用測斜儀；對于支護結構和混凝土應力檢測則采用應變計；對于周圍物質則采用物探；對于地標和建筑物變形則采用水準儀和經緯儀。以全站儀監測支護結構頂為例，能夠對位移基準控制在基坑、隧道整體下沉狀態進行快速、簡便、對施工干擾小、適應能力強、精度高的實施非接觸量測。

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行有效監測。隨著科學技術的不斷推陳出新，在巖土工程監測作業中也涌現出來許多新的監測技術和設備。

3 城市地下空間巖土工程安全監測資料分析以及變形預測

隨著互聯網信息技術的發展，大型、復雜的數值計算得以實現。當前主要應用數值計算法預測地標沉降，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隧道工程進行三維變形模擬分析，其預測精度與實測數據吻合度高。這表明，數值計算法預測地標的沉降是有價值的。其缺點在于，對彈塑形和黏彈塑形本構模型的測算較為困難。

此外，隨機介質法預測地表變形的研究也有了成果，國內眾多學者對隨機介質法進行了改進。例如，基于DFP算法和改進浮點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的確定問題，其優化效果遠優于其他方法。另外，在利用回歸分析預測法時，收集的觀測數據資料越豐富，預測結果就越精準。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，使得回歸分析預測的使用在業內比較少。

4 城市地下空間巖土工程施工安全預警系統

施工安全是城市地下空間巖土工程的核心內容，安全預警系統是采用監測技術，借助信息化手段對施工進行監測和預測，確保施工的支護結構安全穩定。預警系統隨著工程進度的推進而推進，將前一施工階段的資料數據、預測數據以及監測數據進行對比分析，并根據差異對原有的設計進行評價，同時通過修正各項參數，對下一施工階段進行指導，并給出合理化施工建議。隨著互聯網信息技術的發展，城市地下空間巖土工程預警系統也應運而生。

安全預警系統涵蓋面廣，主要包括變形預測模型、預警系統指標體系、預警指標警戒值等。可根據工程需要用Fortran 語言編程實現GM（1，1）模型的地表變形預測，同時還可實現計算機數字化。

隨著我國城市化進程深入推進，城市空間資源緊張加劇，城市的地下開發成為我國大城市當前基礎設施建設的重要方向。加強地下空間巖土工程技術創新是實現城市可持續發展的重要基礎。

5 結束語

城市地下空間的建設主要由政府主導，由于管理體制因素，當前大多數城市地下空間的建設和運營由不同的單位管理，不同的項目、不同時期的巖土工程安全監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測所用的技術手段受資金的閑置，很大程度上限制了新技術、新方法、新設備在地下空間監測中的開發和利用。施行地下空間建設和運營期巖土工程監測預警系統是未來發展的必然趨勢。隨著巖土工程監測預警系統的建立，還需要不斷完善預警系統理論和模型，并盡快將各種前言理論、技術、設備應用到實踐中來，在實踐中不斷改進和完善。