城市地下空间岩土工程安全监测技术研究

赵子寅

北京城建设计发展集团股份有限公司，北京 100037

20 世纪80 年代国际隧道协会提出大力开发地下空间，开启人类新的穴居时代，这成为当前岩土工程和土木工程发展的新方向。地下空间是将建筑物的构造向地下延伸，诸如地下商业街、地下停车场、地下轨道交通等。由于城市化进程的推进，土地资源日益紧张，使全球各个大中型城市纷纷将城市规划的目光投向地下空间。空间利用技术在我国拥有悠久的历史，例如地窖、黄土高原的窑洞等，古代人们充分利用自然环境，有效地解决了人们的生活问题。此外，还有许多抗战时期修建的防空洞，也是空间开发的典型案例。目前，世界各国都十分重视城市地下空间的开发与利用。19 世纪60 年代，伦敦建成世界上第一条地铁，拉开了人类城市地下空间开发利用的帷幕。经过几十年的发展，国内外在城市地下空间开发中积累了大量经验。

1 地下空间是实现城市可持续发展的重要空间资源

在人类社会的历史发展中，始终没有停止对地下空间的利用。例如，窑洞的居住历史可追溯到四千多年前。地窖的使用在北魏贾思勰《齐名要术》中就有明确记载。但是由于受生产力和科技水平的限制，地下空间的利用规模有限。随着科学技术的发展，地下仓库、地下管网、地下军事设施、地下商业街、地下停车场等大量地下设施的开发，使得城市地下空间的开发和利用进入了一个新阶段。

受生产力和技术水平的限制，地下空间的开发和利用在许多城市的建设中尚没有受到应有的重视。但是地下空间作为城市空间资源的重要组成部分，其价值仍有待开发。城市的空间的开发经历了地面开发、地上开发、地下开发三个阶段，决定这一进程的关键因素主要受经济效益和科学技术影响。随着社会经济和科学技术的不断发展，人们对环境的要求也越来越高。许多城市开始大量拆除对城市影响较大的天桥、高架桥等，取而代之的是地下通道、地下轨道交通。这表明，地下空间的开发对改善城市生产生活环境具有积极意义。

2 城市地下空间岩土工程安全监测技术

城市地下空间岩土工程安全监测技术主要包括地下水监测、应力监测、变形监测等。从监测内容来看，则主要分为支护结构体系变形监测和周围环境监测两大类。支护结构体系变形监测包括土压力监测、土层地标变形及位移监测、锚杆的锚固力监测等；周围环境监测则主要包括地层含水带、破碎带、溶洞或空洞、地下障碍物等。安全监测方法主要包括直接几何法、间接几何法、物理方法三类。

（1）直接几何法：电水平尺系统（EL-NEAM），在精密沉降中的监测具有很好的效果，在我国上海东方路地铁枢纽站的建设中有实际应用；自动实时三维监测系统，主要对地铁隧道变形与形变中进行有效监测；全站仪收敛变形系统，对低下空间变形与形变监测效果显著。电水平尺监测沉降的工作原理如图1 所示。

图1 电水平尺监测沉降的工作原理示意图

例如，在某医院施工中，基坑与站台变现的最近距离为13m，基坑最大挖深8m，为保障地铁隧道安全，需要对基坑侧面地铁隧道进行监测。选用35 台水平梁式倾斜仪、35 台保护具有保护传感器的水平梁、通信电缆300m 等构建一个监测系统，具体硬件数量配置如表1 所示。

（2）间接几何法：采用固定式测斜仪测斜，通过传感器和数据自动采集系统对低下连续墙水平的位移进行监测，巴塞特收敛仪和数字化摄影测量技术都是采用间接几何法来进行监测的。例如，目前比较常见的GK-6150 固定式测斜仪作用于基坑内部，传感器能够测量出倾斜角度的变化，通过角度变化计算出水平位移量，这是当前比较常用的自动化无人值守测斜监测设备。

表1 监测系统的硬件匹配要求

（2）物理方法：主要采用地震反射和雷达反射来探测地址情况。目前通用的技术手段是采用水准仪和全站仪监测支护结构顶，对于纵深方向的倾斜监测则采用测斜仪；对于支护结构和混凝土应力检测则采用应变计；对于周围物质则采用物探；对于地标和建筑物变形则采用水准仪和经纬仪。以全站仪监测支护结构顶为例，能够对位移基准控制在基坑、隧道整体下沉状态进行快速、简便、对施工干扰小、适应能力强、精度高的实施非接触量测。

总而言之，检测手段较多，主要采用几何手段和物理手段来进行有效监测。随着科学技术的不断推陈出新，在岩土工程监测作业中也涌现出来许多新的监测技术和设备。

3 城市地下空间岩土工程安全监测资料分析以及变形预测

随着互联网信息技术的发展，大型、复杂的数值计算得以实现。当前主要应用数值计算法预测地标沉降，主要包括有限元、边界元、半解析元等，通过有限元方法对盾构隧道工程进行三维变形模拟分析，其预测精度与实测数据吻合度高。这表明，数值计算法预测地标的沉降是有价值的。其缺点在于，对弹塑形和黏弹塑形本构模型的测算较为困难。

此外，随机介质法预测地表变形的研究也有了成果，国内众多学者对随机介质法进行了改进。例如，基于DFP算法和改进浮点编码遗传算法的加速混合遗传算法，就有效解决了地下洞室地表非线性沉降模型参数的确定问题，其优化效果远优于其他方法。另外，在利用回归分析预测法时，收集的观测数据资料越丰富，预测结果就越精准。但是这一方法需要大量的观测资料，增加了工作难度和工作量，使得回归分析预测的使用在业内比较少。

4 城市地下空间岩土工程施工安全预警系统

施工安全是城市地下空间岩土工程的核心内容，安全预警系统是采用监测技术，借助信息化手段对施工进行监测和预测，确保施工的支护结构安全稳定。预警系统随着工程进度的推进而推进，将前一施工阶段的资料数据、预测数据以及监测数据进行对比分析，并根据差异对原有的设计进行评价，同时通过修正各项参数，对下一施工阶段进行指导，并给出合理化施工建议。随着互联网信息技术的发展，城市地下空间岩土工程预警系统也应运而生。

安全预警系统涵盖面广，主要包括变形预测模型、预警系统指标体系、预警指标警戒值等。可根据工程需要用Fortran 语言编程实现GM（1，1）模型的地表变形预测，同时还可实现计算机数字化。

随着我国城市化进程深入推进，城市空间资源紧张加剧，城市的地下开发成为我国大城市当前基础设施建设的重要方向。加强地下空间岩土工程技术创新是实现城市可持续发展的重要基础。

5 结束语

城市地下空间的建设主要由政府主导，由于管理体制因素，当前大多数城市地下空间的建设和运营由不同的单位管理，不同的项目、不同时期的岩土工程安全监测由不同的单位投资，以此满足工程安全需要。但许多岩土工程安全监测所用的技术手段受资金的闲置，很大程度上限制了新技术、新方法、新设备在地下空间监测中的开发和利用。施行地下空间建设和运营期岩土工程监测预警系统是未来发展的必然趋势。随着岩土工程监测预警系统的建立，还需要不断完善预警系统理论和模型，并尽快将各种前言理论、技术、设备应用到实践中来，在实践中不断改进和完善。