地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測技術(shù)體系建設(shè)研究

姜葉翔，黃江華，羊逸君，吳 勇，王燁晟，張文君，李忠誠

（1.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司，杭州 310014；2.浙江華東測繪與工程安全技術(shù)有限公司，杭州 310014；3.中國電建集團(tuán)華東勘測設(shè)計研究院有限公司，杭州 210014；4.浙江省智慧軌道交通工程技術(shù)研究中心，杭州，310014）

0 引言

21世紀(jì)以來，我國地鐵建設(shè)進(jìn)入高潮期，據(jù)不完全統(tǒng)計，至2019年底，國內(nèi)城市軌道交通運營總里程約6882.13 km，共有40個城市開通城市軌道交通。當(dāng)前，行業(yè)內(nèi)針對地鐵設(shè)施及結(jié)構(gòu)保護(hù)等方面，已經(jīng)出臺了多個管理規(guī)定及技術(shù)規(guī)程[1-5]，初步明確了相關(guān)基本技術(shù)和管理要求，對地鐵設(shè)施監(jiān)測也提出了政策性、原則性的要求，但內(nèi)容尚不夠細(xì)化，特別針對地鐵車站、隧道或者其他配套設(shè)施監(jiān)測點布置、監(jiān)測頻率、監(jiān)測控制值等技術(shù)要求有待進(jìn)一步完善，針對設(shè)施本體及其外部作業(yè)影響工程的監(jiān)測實施尚未進(jìn)行整合統(tǒng)一，其影響區(qū)的監(jiān)測要求尚未明確。

基于上述問題，本文重點研究就現(xiàn)有標(biāo)準(zhǔn)中針對地鐵設(shè)施保護(hù)監(jiān)測技術(shù)中未作明確及不足的部分開展研究，力求形成統(tǒng)一完善的地鐵設(shè)施安全監(jiān)測技術(shù)體系。

1 地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測等級及體系框架

工程監(jiān)測等級的劃分及確定，是各類監(jiān)測方案設(shè)計及監(jiān)測實施技術(shù)的基礎(chǔ)，可基于明確監(jiān)測工作的方向性、針對性及重點部位，是確定監(jiān)測項目、監(jiān)測頻率、精度指標(biāo)、控制值指標(biāo)、監(jiān)測技術(shù)要求等的重要依據(jù)。考慮到地鐵設(shè)施的安全保護(hù)監(jiān)測工作，從對象上涉及本體與其周邊環(huán)境及外部作業(yè)相互影響關(guān)系，其監(jiān)測等級的確定，需綜合考慮本體健康狀態(tài)、抗變形能力以及其周邊環(huán)境巖土體狀況、周邊環(huán)境狀況和外部作業(yè)工程自身風(fēng)險等級及影響程度等安全性要求等多方面。目前，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范、規(guī)程[1-5]中，針對地鐵設(shè)施的監(jiān)測等級尚未明確并提及，但相關(guān)的等級及評定標(biāo)準(zhǔn)主要有如下幾個方面表述。

1.1 地鐵設(shè)施本體安全等級

針對設(shè)施本體安全等級，現(xiàn)行相關(guān)規(guī)范中有“隧道本體自身等級”（結(jié)構(gòu)安全狀況），“現(xiàn)狀評估等級”，“服役狀態(tài)等級”，“健康度”等相關(guān)概念用詞表述，其一般基于本體的監(jiān)測數(shù)據(jù)、巡查檢測情況及養(yǎng)護(hù)情況進(jìn)行綜合判斷。其中，文獻(xiàn)[3]中，將其分為1~4級（由嚴(yán)重~一般）進(jìn)行考慮、文獻(xiàn)[6]中將其分為5級（由一般~嚴(yán)重）進(jìn)行考慮，現(xiàn)行行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)CJJ-T 202-2013[2]，在其第3.3.3條“城市軌道交通結(jié)構(gòu)的現(xiàn)狀評估應(yīng)在外部作業(yè)實施前，通過現(xiàn)狀調(diào)查、檢測、測量和計算分析等手段，評估當(dāng)前城市軌道交通結(jié)構(gòu)的安全狀態(tài)及持續(xù)抗變形能力和承載能力，并應(yīng)確定相應(yīng)的結(jié)構(gòu)安全控制指標(biāo)值”，該條款明確了結(jié)構(gòu)自身等級及安全狀態(tài)的確定應(yīng)結(jié)合檢測、測量等手段進(jìn)行綜合確定。綜上所述，針對設(shè)施本體的安全等級，一般劃分為4級到5級，但前述各文獻(xiàn)中，尚未就設(shè)施本體安全等級與工程監(jiān)測等級之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系予以明確闡述，對應(yīng)監(jiān)測實施技術(shù)分級缺少。

1.2 外部作業(yè)對地鐵設(shè)施本體影響等級

針對各外部作業(yè)工程，其對地鐵設(shè)施影響程度等級劃分，現(xiàn)行各類標(biāo)準(zhǔn)中均有表述，一般按外部作業(yè)距離地鐵設(shè)施本體的遠(yuǎn)近程度以及作業(yè)的類別進(jìn)行綜合考慮，分為3~5級[2，5，7]，但同樣尚未明確其與工程監(jiān)測等級的關(guān)聯(lián)關(guān)系，在當(dāng)前的監(jiān)測實踐中，對影響區(qū)范圍內(nèi)的監(jiān)測點布設(shè)、監(jiān)測技術(shù)等級選用等存在一定隨意性。

1.3 地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測等級及其框架搭建

針對地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測尚未有明確的監(jiān)測等級概念闡述，導(dǎo)致現(xiàn)有的地保監(jiān)測工作實踐中，其監(jiān)測等級的確定依據(jù)，基本仍依照GB50911-2013[7]執(zhí)行，但該標(biāo)準(zhǔn)適用于建設(shè)期，而相較于運維期，由于在監(jiān)測對象、監(jiān)測范圍、監(jiān)測項目及監(jiān)測技術(shù)要求等要素方面均有不同，直接套用存在不合理處。此外，當(dāng)前的地保監(jiān)測實踐中，基本將設(shè)施本體、外部作業(yè)及其影響區(qū)（影響區(qū)內(nèi)的周邊環(huán)境）這三類對象，基本作為相互獨立的體系進(jìn)行考慮，進(jìn)而分別建立獨立的監(jiān)測體系及技術(shù)要求，所應(yīng)用的規(guī)范及標(biāo)準(zhǔn)涵蓋建設(shè)期及運維期[7-12]兩大類，導(dǎo)致其監(jiān)測基準(zhǔn)點、測量部位、測量時間、周期、精度、標(biāo)準(zhǔn)要求等均存在較大差異，尚無法準(zhǔn)確反映上述三類監(jiān)測對象相互影響作用機理以及運維期地鐵設(shè)施保護(hù)監(jiān)測工作的整體性。

研究明確的保監(jiān)測合理化的監(jiān)測等級，進(jìn)而建立整體統(tǒng)一的監(jiān)測體系，是當(dāng)前地鐵設(shè)施安全監(jiān)測工作實踐中亟需解決的問題。鑒于此，本文將設(shè)施本體、外部作業(yè)及其影響區(qū)（影響區(qū)內(nèi)周邊環(huán)境）三者及相互影響進(jìn)行統(tǒng)一考慮，進(jìn)而制定一體化的監(jiān)測等級體系框架，設(shè)置原則如下：

（1）等級設(shè)定體現(xiàn)以設(shè)施本體保護(hù)為基本原則。針對設(shè)施本體，重點考慮其自身安全服役狀態(tài)，其監(jiān)測等級應(yīng)與其安全狀態(tài)、病害狀態(tài)及其結(jié)構(gòu)變形剩余允許變形量等相關(guān)聯(lián)；針對外部作業(yè)及其影響區(qū)，則綜合考慮外部作業(yè)對本體影響程度及其影響對象的狀況進(jìn)行確定；

（2）當(dāng)設(shè)施本體狀態(tài)不佳或破壞比較嚴(yán)重的情況下，其對應(yīng)的外部作業(yè)工程自身的變形允許量等，應(yīng)通過監(jiān)測等級分級作出明確限制，具體表現(xiàn)為對應(yīng)的監(jiān)測項目需增加、監(jiān)測頻率需增加、監(jiān)測布點密度增高、監(jiān)測實施精度提高等；

（3）考慮與建設(shè)期監(jiān)測等級分級相[7-8]統(tǒng)一，其監(jiān)測等級分級宜按三級劃分，以分別設(shè)置對應(yīng)監(jiān)測技術(shù)要求。

基于上述原則，本文建立如下地鐵設(shè)施安全監(jiān)測等級劃分參考標(biāo)準(zhǔn)：

在物流作業(yè)這一環(huán)節(jié)中，針對作業(yè)時間以及貨物遺失等來說，訂單處理、分揀與驗貨等都是其關(guān)鍵控制點。要控制關(guān)鍵點，必須明確安全和不安全產(chǎn)品之間的界限，要保證產(chǎn)品安全性，必須嚴(yán)格管理關(guān)鍵控制點，使其處于特定臨界范圍?？梢詫⑴R界范圍分為三種類型，分別為化學(xué)范圍、微生物范圍以及物力范圍。

（1）針對地鐵設(shè)施本體及外部作業(yè)影響等級分級概念，其針對地鐵設(shè)施本體等級確定的依據(jù)如表1所示。

表1 地鐵設(shè)施本體安全保護(hù)監(jiān)測等級參考表Table 1 Reference table of monitoring level of safety protection of subway facilities

（2）表2中，其A、B、C級確定的具體指標(biāo)，可參見文獻(xiàn)4中附錄B相關(guān)內(nèi)容（表3），該分級綜合考慮了外部作業(yè)影響風(fēng)險大小、影響程度大小、距離地鐵設(shè)施本體遠(yuǎn)近、外部巖土體等因素分級較為合理，其中A級表明地鐵設(shè)施受外部作業(yè)工程影響程度最高，需要采取嚴(yán)格的保護(hù)措施。

表2 外部作業(yè)工程及其影響區(qū)監(jiān)測等級參考表Table 2 Reference table of monitoring grade of external work and its affected area

表3 軌道交通結(jié)構(gòu)安全狀況分類[4]Table 3 Classification of rail transit structure safety conditions[4]

基于等級劃分框架，進(jìn)而建立地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測總體技術(shù)框架如圖1。

2 監(jiān)測技術(shù)體系建設(shè)及應(yīng)用

2.1 外部作業(yè)工程影響區(qū)及監(jiān)測范圍體系建設(shè)

針對浙江軟土地區(qū)地質(zhì)，在圖1監(jiān)測技術(shù)體系框架下，基于相關(guān)文獻(xiàn)調(diào)研及設(shè)施保護(hù)安評及監(jiān)測工作實踐案例數(shù)據(jù)總結(jié)，本文建立了較為常見的外部基坑工程、外部隧道工程（穿越工程）、旁側(cè)樁基工程、上覆堆載卸載（包括上方基坑工程），對其影響范圍、影響程度、影響分區(qū)以及對應(yīng)的監(jiān)測范圍進(jìn)行了初步明確，具體可參見表4。

表4 軟土地區(qū)外部工程施工對鄰近既有地鐵隧道影響監(jiān)測范圍參考體系[12-15]Table 4 Reference system for monitoring scope of influence of external engineering construction on adjacent existing subway tunnels in soft soil area[12-15]

圖1 地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測技術(shù)體系總體框架Fig.1 Overall framework of safety protection and monitoring technology system of subway facilities

2.2 外部作業(yè)工程監(jiān)測項目、測點布設(shè)、頻率體系建設(shè)

針對外部作業(yè)工程，在表2確定的不同監(jiān)測等級條件下，可進(jìn)一步分級建立對應(yīng)的監(jiān)測項目、測點布設(shè)、監(jiān)測頻率及監(jiān)測實施精度要求體系，本文以外部基坑工程作業(yè)為例進(jìn)行建設(shè)。

（1）外部作業(yè)工程監(jiān)測項目體系。監(jiān)測項目體系建設(shè)，應(yīng)分別考慮外部作業(yè)工程本體特點及其影響區(qū)情況，基于不同工程監(jiān)測等級，建立分級監(jiān)測項目體系，以求做到分級合理、重點突出、實踐有效。

基于表5，針對外部工程本體的監(jiān)測項目主要體現(xiàn)控制變形為主，內(nèi)力為輔原則，重點監(jiān)測區(qū)域應(yīng)為工程所影響地鐵設(shè)施側(cè)；針對其工程影響區(qū)，應(yīng)對水位、地層變形、地表沉降、孔隙水壓力等進(jìn)行有效監(jiān)測，嚴(yán)密監(jiān)控其作為外部影響源對地鐵設(shè)施的影響情況。

表6 外部工程及其影響區(qū)監(jiān)測點布設(shè)參考（基坑）Table 6 Reference for layout of monitoring points in external engineering and its influenced area（foundation iit）

序號 監(jiān)測項目布設(shè)位置外部作業(yè)工程監(jiān)測等級為一級主要影響區(qū)一般影響區(qū)布點間距外部作業(yè)工程監(jiān)測等級為二級主要影響區(qū)一般影響區(qū)外部作業(yè)工程監(jiān)測等級為三級主要影響區(qū)一般影響區(qū)7 土體深層水平位移 布設(shè)在影響區(qū)范圍8 坑外地下水位 布設(shè)在影響區(qū)范圍9地表沉降 布設(shè)在影響區(qū)范圍10 土體孔隙水壓力 布設(shè)在影響區(qū)范圍11 土體分層豎向位移 布設(shè)在影響區(qū)范圍10 m 20 m 10 m 20 m 5 m 10 m 10 m 20 m 10 m 20 m 15 m 25 m 15 m 25 m 15 m 25 m 15 m 25 m 15 m 25 m 20 m 30 m 20 m 30 m 20 m 30 m 20 m 30 m 20 m 30 m

（3）外部作業(yè)工程監(jiān)測頻率體系。針對外部工程監(jiān)測頻率的設(shè)定，在對應(yīng)監(jiān)測等級分級的基礎(chǔ)上，應(yīng)綜合考慮外部作業(yè)工程影響階段進(jìn)行確定，一般成槽階段其頻率稍低，開挖階段頻率高，且與地質(zhì)條件相關(guān)聯(lián)（表7）。

表7 外部作業(yè)工程監(jiān)測頻率（基坑）Table 7 Monitoring frequency of external work（foundation pit）

2.3 地鐵設(shè)施本體安全監(jiān)測項目、測點布設(shè)、頻率及技術(shù)體系建設(shè)

（1）設(shè)施本體監(jiān)測項目體系建設(shè)。設(shè)施本體監(jiān)測項目的確定應(yīng)根據(jù)本體結(jié)構(gòu)的特點、對應(yīng)監(jiān)測等級分級、所處工程影響區(qū)分區(qū)的要求合理確定，并能準(zhǔn)確反映監(jiān)測對象的變化特征和安全狀態(tài)。本文結(jié)合等級分級框架以及當(dāng)前地保監(jiān)測工作實踐，建立綜合明挖法結(jié)構(gòu)、盾構(gòu)法及頂管法結(jié)構(gòu)、礦山法結(jié)構(gòu)、高架結(jié)構(gòu)、地面結(jié)構(gòu)以及交界面等特殊結(jié)構(gòu)位置的地鐵設(shè)施監(jiān)測項目體系（圖3）。

圖3 地鐵設(shè)施本體安全保護(hù)監(jiān)測項目體系框架圖[16-18]Fig.3 System framework of safety protection monitoring project of subway facility ontology[16-18]

（2）設(shè)施本體監(jiān)測點布設(shè)體系。設(shè)施本體監(jiān)測點布設(shè)體系，在不同監(jiān)測等級分級，應(yīng)準(zhǔn)確能反映監(jiān)測對象實際狀態(tài)、位移和內(nèi)力變化規(guī)律，以及可分析當(dāng)前結(jié)構(gòu)安全狀態(tài)要求。本文以明挖法車站及盾構(gòu)法隧道地下結(jié)構(gòu)為例，建立明確地鐵設(shè)施監(jiān)測布點體系（表8）。

表8 地鐵設(shè)施監(jiān)測點布設(shè)體系（明挖法車站及盾構(gòu)法隧道結(jié)構(gòu)）[2-4]Table 8 Layout system of subway facilities monitoring points（open-cut station and shield tunnel structure）[2-4]

（3）設(shè)施本體監(jiān)測頻率體系。設(shè)施本體的監(jiān)測頻率，應(yīng)考慮等級分級、外部工程特點，并考慮人工監(jiān)測及自動化監(jiān)測項結(jié)合方式，本文以明挖法及盾構(gòu)法地下結(jié)構(gòu)為例，初步建立如下頻率體系（表9）。

表9 明挖法及盾構(gòu)法地下結(jié)構(gòu)監(jiān)測頻率體系Table 9 Monitoring frequency system of underground structure by open cut and shield tunneling method

3 總結(jié)

本文基于當(dāng)前地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測工作實踐，綜合相關(guān)文獻(xiàn)、工程案例總結(jié)分析，提出了針對地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測及其外部作業(yè)工程監(jiān)測等級劃分標(biāo)準(zhǔn)。研究建立了地鐵設(shè)施安全保護(hù)監(jiān)測體系框架；明確了將外部作業(yè)影響工程本體、外部工程影響區(qū)及其周邊環(huán)境、地鐵設(shè)施本體三大類對象作為地鐵設(shè)施保護(hù)的監(jiān)測實施對象；建立了基于外部作業(yè)工程影響分區(qū)的監(jiān)測范圍劃定標(biāo)準(zhǔn)；制定了針對外部作業(yè)影響工程監(jiān)測的具體技術(shù)要求體系，并提出了將監(jiān)測點布設(shè)密度與監(jiān)測等級及其所處影響區(qū)雙重關(guān)聯(lián)，以及監(jiān)測頻率與監(jiān)測等級和外部作業(yè)工程施工階段雙重關(guān)聯(lián)的監(jiān)測實施方案設(shè)計理念，并分別以外部基坑工程及明挖法車站及盾構(gòu)法隧道本體結(jié)構(gòu)為例進(jìn)行了說明。該體系的建立，有助于促進(jìn)當(dāng)前地鐵設(shè)施監(jiān)護(hù)工作實踐更加合理化及針對性，并可為其他涉及各類地下工程保護(hù)、監(jiān)護(hù)工作提供重要參考及借鑒意義。