紧邻深基坑的地铁结构变形监测体系的建立和工程应用

张明栋，张明智

(1.深圳市勘察测绘院有限公司，广东 深圳 518000； 2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518000)

紧邻深基坑的地铁结构变形监测体系的建立和工程应用

张明栋1*，张明智2

(1.深圳市勘察测绘院有限公司，广东 深圳 518000； 2.深圳市市政设计研究院有限公司，广东 深圳 518000)

系统阐述了紧邻深基坑的地铁隧道结构的变形监测体系的建立和应用，通过在紧邻地铁的一侧布设水位孔和测斜管分别获得地下水位情况、深层土体水平位移情况，引入光纤光栅技术在地铁隧道内部建立地铁结构沉降、位移、重点部位的管片的变化情况以及重点部位的轨道高差变化情况的自动化实时监测系统，从而建立起从外到内、人工和自动化结合的监测体系，这对地铁结构变形监测领域有一定的参考作用。

深基坑监测；地铁变形监测； 自动化变形监测；变形监测体系

1 引 言

随着我国城市化进程的加快，许多大城市竞相发展超高层建筑，而超高层建筑物的基础往往埋置较深。为了提升超高层建筑开发价值，超高层建筑物经常选址在建筑物密集的城市核心区和地铁枢纽区域。深基坑的开挖必然会给现有的环境带来一定的结构变形，当地铁结构变形超过控制值时，对工程和和环境安全以及社会公共秩序会产生很大影响，严重时还会危及地铁运营和工程的安全，造成人民生命和财产损失[1]。地铁变形监测作为在深基坑开挖过程中保证地铁运营安全有效方法之一，建立起一套地铁变形监测体系尤为重要。

2 工程概况

工程位于城市中心区，用地面积 18 900 m2，基坑南侧紧邻地铁隧道和车站，北侧为地铁竖井，基坑开挖深度 33.8 m，基坑底板浇筑厚度为 5 m的混凝土，地下室共5层且与地铁出入口连通。

根据勘察报告，场地内分布的地层主要有人工填土层、第四系全新统冲积层、上更新统冲积层及中更新统残积层，下伏基岩为燕山晚期花岗岩。

3 监测体系的建立

根据基坑设计资料，本基坑支护变形监测等级为一级[2]。在本项目的变形监测体里，为了保证地铁的运营安全，在基坑开挖至基坑回填期间，对地铁出入口、风亭等地铁附属结构进行裂缝、沉降以及水平位移监测、在基坑北侧地铁区域路面进行地表沉降监测、在基坑北侧近地铁区域分别布设水位孔监测地下水位的变化情况和布设测斜孔对深层土体进行水平位移监测，在地铁隧道里安装光纤光栅静力水准仪对地铁隧道结构、道床沉降和水平位移进行自动化实时监测、在管片上光纤光栅表面测缝计对管片接缝进行自动化实时监测、在铁轨上安装光纤光栅倾斜仪对地铁轨道横向高差进行自动化实时监测、在地铁隧道里安装徕卡TCA2003测量机器人对地铁隧道结构沉降和水平位移进行自动化实时监测。

受地铁运营时间的限制，本项目自动化程度较高且覆盖完整，涉及人工的项目仅为仪器的人工调试和维护，由此可见自动化实时监测不仅节省人力成本、降低劳动强度又能最大限度减少人为测量误差，所以本文将重点阐述自动化实时监测。

3.1 光纤光栅位移监测管

光纤光栅技术[3]应用于建筑物结构变形监测早有先例，光纤光栅技术不仅监测精度高且对变形速率变化敏感，但在深圳地铁隧道结构变形监测中的应用尚属首次。

2010年5月，深圳市勘察测绘院有限公司(以下简称我司)与香港理工大学进行技术合作，在地铁隧道结构上布设光纤光栅位移管 200 m，每 10 m布设一组光栅计，共布设20组(DT1-DT20)，该技术能够实现 24 h不间断的进行数据采集地铁隧道结构的沉降和水平位移数据。

由于光纤光栅技术在深圳尚属第一次使用，为了保证数据的可靠性，在每个光栅计下部对应位置布设常规沉降监测点，定期使用天宝DINI03电子水准仪进行人工水准沉降监测进行数据对比，如图1所示。

图1 sm125型光纤光栅解调仪工作界面

3.2 光纤光栅测缝计

由于本项目地铁隧道紧邻基坑，在基坑开挖过程中容易造成地铁隧道管片发生错台和变形，导致地铁隧道产生裂缝、渗水，需要重点监测。在详细分析论证的基础上，在地铁隧道里选取了3个监测点(DT26-DT28)，我司和香港理工大学合作，在管片上布设光纤光栅表面测缝计对相邻管片进行专项接缝监测，该仪器能自动对温度进行补偿，并可实现 24 h不间断的进行数据采集。

3.3 光纤光栅倾斜仪

在本项目的地铁隧道变形监测体系里，用光纤光栅位移监测管对隧道进行了整体的沉降、位移监测，使用光纤光栅表面测缝计监测重点区域的管片变形，但对于地铁的运营安全，时刻掌握轨道的变形情况尤为重要，为此我司在需要重点监测的3个监测点安装了3组(DT29-DT31)光纤光栅倾斜仪实时监测两走行轨道的高差变化。

3.4 徕卡TCA2003测量机器人自动化监测

2011年5月，由于光纤光栅位移监测管的量程即将接近仪器的限制值，为了继续对地铁结构进行自动化实时监测，我司采用了徕卡TCA2003(0.5″，1 mm+1 ppm)测量机器人结合徕卡L型棱镜对地铁隧道结构沉降、位移进行自动化实时监测[4]，如图2所示。

为了有效继承原有的光纤光栅位移监测管的监测数据，在原来的光栅计所在断面布设3个监测点，道床监测点2个，光栅计所在的对应位置监测点1个，共10个监测断面。

为了保证全站仪的观测精度和全站仪测距控制在 100 m内，将TCA2003测量安装在变形区域内，在变形影响区域以外的隧道两端各布设4个基准点，从而保证控制网的稳定和监测数据的可靠性。

图2 TCA2003测量机器人

4 监测结果分析

4.1 光纤光栅位移监测管监测数据与人工沉降监测数据对比

在保证地铁结构安全的前提下，深圳地铁结构变形监测中首次采用光纤光栅技术，对本项目来讲不仅是一种挑战和对新技术新的监测方法的追求，更是科研和生产的结合。在使用光纤光栅位移监测管的同时，设置了人工沉降监测作为对比，人工沉降监测使用天宝DINI03，按二等水准测量的标准进行。

由于人工沉降监测作业时间需要地铁公司协调，所以人工监测并不是每天晚上都能进行。为了保证数据的可对比性，光纤光栅位移监测管DTJ8号监测点的沉降监测数据和DTJ8号光栅监测点所对应的DTCJ8号人工监测点的沉降监测数据的其实监测时间都为2010年4月19日，初始值都为 0.0 mm，两组数据的监测结束时间都为2011年5月6日，并绘制成曲线图加以对比。对比数据如表1、图3、图4所示。

人工监测与光栅监测累计沉降数据对比 表1

图3 人工沉降DTCJ8累计变化量时程曲线图

图4 光纤光栅DTJ8累计变化量时程曲线图

由图3、图4可以看出，光纤光栅位移监测管所测得的数据绘制的曲线图和人工沉降监测的数据绘制的曲线图形非常相似；而从表1差值中可以看出，两者的结果相差非常小，最大为 -0.9 mm，说明光纤光栅位移观测管所测得的数据可靠。据此，光纤光栅技术可以作为自动化实时监测地铁隧道结构的监测方法之一。而在测量机器人自动化监测中，误差会随着视距的变大而增加，但光纤光栅技术不受视距的影响，是一种很好的监测方法。

5 结 论

综观本项目所建立的监测体系，不仅采用了新的监测技术和新的监测方法，在对地铁隧道的整体进行自动化实时监测的同时，更顾及到了在基坑开挖过程中所涉及的地铁隧道变形重点区域并采用了自动化的裂缝监测技术、轨道高差监测技术。在保证基坑开挖安全和为基坑开挖提供监测数据的同时，更着重考虑地铁运营的需要，为地铁运营提供准确的轨道变形数据，从而保障地铁安全运营。

通过在紧邻地铁的一侧布设水位孔和测斜管获得地下水位情况、深层土体的水平位移情况，引入光纤光栅技术在地铁隧道内部建立地铁结构沉降、位移、重点部位的管片变化情况以及重点部位的轨道高差变化情况的自动化实时监测系统，从而建立起一套从外到内、传统监测方法和新监测技术新监测方法相结合，人工监测和自动化监测相结合的有效地铁隧道变形监测体系[5]，这对地铁结构变形监测领域有一定的参考作用。

[1] 秦长利. 城市轨道交通工程测量[M]. 北京：中国建筑工业出版社，2008：272.

[2] GB50911-2013. 城市轨道交通工程监测技术规范[S].

[3] 陈朋超，李俊，刘建平等. 光纤光栅埋地管道滑坡区监测技术及应用[J]. 岩土工程学报，2010(6)：897～901.

[4] 裴运军. 测量机器人在地铁隧道自动化变形监测中的应用[J]. 工程地质与基础处理，2011(6)：31～33.

[5] 刘兆民. 深基坑变形监测体系研究及工程应用[D]. 大连：大连理工大学，2013.

Construction and Engineering Application of Subway Structure Deformation Monitoring System for Deep Foundation Pit

Zhang Mingdong1，Zhang Mingzhi2

(1.Shenzhen Geotechnical Investigation & Surveying Institute Co.，Ltd. Shenzhen 518000，China；2.Shenzhen Municipal Design & Research Institute Co.，Ltd. Shenzhen 518000，China)

System describes the adjacent to the establishment and application of deep foundation pit of the subway tunnel structure deformation monitoring system, through in adjacent to Metro side layout level hole and inclined tube were obtained of underground water level, the horizontal displacement of deep soil conditions, the introduction of optical fiber grating technology in subway tunnel built subway structure settlement, displacement and changes of the key parts of the segment and track height changes of key parts of the automatic real-time monitoring system, in order to establish from the outside to the inside, manual and automatic combined monitoring system, the monitoring of subway structure deformation have certain reference function.

Deep foundation pit monitoring; metro deformation monitoring; automatic deformation monitoring; deformation monitoring system

1672-8262(2016)06-131-04

TU196

B

2016—08—24

张明栋(1989—)，男，助理工程师，主要从事基坑监测、建筑物监测、地铁结构变形监测。