城市地鐵隧道基坑變形監(jiān)測與分析

常樂 CHANG Le

（沈陽城市建設(shè)學(xué)院，沈陽 110167）

0 引言

現(xiàn)代化城市建設(shè)的不斷推進(jìn)中，城市軌道交通和城際軌道交通工程的需求急速提升，地下工程的修建也不斷增加，工程的推進(jìn)需要大量基坑工程的支撐，而國家經(jīng)濟(jì)建設(shè)不斷的加深發(fā)展，對城市快速交通網(wǎng)的要求也進(jìn)一步提高。然而，城市建設(shè)的交通主干部分大多位于城市中心地帶，特別是貫通城市地下交通的地鐵隧道基坑工程，其周邊環(huán)境多而復(fù)雜，新舊建筑交錯(cuò)，因此基坑工程從設(shè)計(jì)開始到施工測量直到變形監(jiān)測都有相當(dāng)高的要求。因此，必須根據(jù)基坑周圍的環(huán)境進(jìn)行整體監(jiān)測以確保工程安全，但是基于各種地下管網(wǎng)布設(shè)密集、建筑周圍環(huán)境復(fù)雜等原因，使得勘測設(shè)計(jì)、施工測量、運(yùn)營監(jiān)測等部門進(jìn)行緊密溝通合作，對基坑變形程度進(jìn)行嚴(yán)格把控，才能確?；庸こ淘谑┕ぶ斜Ｕ习踩?。

1 基坑變形監(jiān)測

1.1 基坑變形監(jiān)測分類

基坑變形分類有多種方式，依其類型進(jìn)行分類可分為基坑的靜態(tài)變形與動(dòng)態(tài)變形兩大類[1]?；屿o態(tài)變形指基坑變量僅僅是時(shí)間的函數(shù)，就是說只表示某段時(shí)間內(nèi)變形的量的觀測結(jié)果；基坑動(dòng)態(tài)變形不僅僅是時(shí)間函數(shù)，還受到了外力而產(chǎn)生了變化，是指受到外力作用而產(chǎn)生的變形，它的觀測結(jié)果是在某一時(shí)刻瞬時(shí)發(fā)生的變形。

建（構(gòu)）筑物基坑變形主要原因是在上部荷載承載力變化作用下地基的體積受到擠壓而發(fā)生形變。縱向移動(dòng)中垂直向上的稱為上升，向下的稱為沉降。造成這些形變的因素主要有以下兩個(gè)方面：一是工程地質(zhì)及土壤性質(zhì)類的既有基坑的自然條件影響，比如地基的地質(zhì)情況有差別，有的地質(zhì)環(huán)境穩(wěn)定，有的是并不穩(wěn)定的，這樣就會(huì)發(fā)生不均沉降進(jìn)而引起傾斜。另一種原因與建筑本身相關(guān)聯(lián)，包括建筑自身荷重、整體的建筑結(jié)構(gòu)情況以及外界動(dòng)荷載，包括風(fēng)力、振動(dòng)等方面的因素，這些因素相互關(guān)聯(lián)，綜合影響整體建筑物發(fā)生形變。

1.2 基坑變形監(jiān)測的作用

現(xiàn)階段基坑施工，基坑形變、附近土體沉降、支護(hù)結(jié)構(gòu)受力等信息都是通過動(dòng)態(tài)測量得到。通過動(dòng)態(tài)的實(shí)時(shí)測量可以確?；邮┕み^程中的安全穩(wěn)定[2]：首先可以保證施工中基坑各部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，通過獲取變形監(jiān)測的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)可以控制基坑施工階段的土層及支護(hù)結(jié)構(gòu)變形；其次可以保證變形數(shù)據(jù)的有效處理分析并預(yù)測沉降及結(jié)構(gòu)形變的規(guī)律，進(jìn)而為減少對周邊的干擾采用合理的工程方案；再次可以評估周邊環(huán)境是否安全，也能對深基坑自身建設(shè)情況進(jìn)行健康監(jiān)測；最后也可以利用測量數(shù)據(jù)總結(jié)具體項(xiàng)目的建設(shè)模式積累經(jīng)驗(yàn)，為同類項(xiàng)目提供參考。

1.3 監(jiān)測方案設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作

根據(jù)方案設(shè)計(jì)的原則，做好一個(gè)監(jiān)測方案需要熟悉多個(gè)隧道施工方案和施工區(qū)域內(nèi)土壤、地下水以及隧道施工影響范圍內(nèi)現(xiàn)有結(jié)構(gòu)物的相關(guān)資料，所以，方案設(shè)計(jì)前的準(zhǔn)備工作包括：

①收集各種資料。資料主要包括：隧道施工方案，施工區(qū)域內(nèi)地質(zhì)分析報(bào)告，施工影響范圍內(nèi)結(jié)構(gòu)物的設(shè)計(jì)圖紙和竣工資料，施工區(qū)域內(nèi)的管線圖，施工區(qū)域內(nèi)的交通情況等。

②現(xiàn)場勘查。現(xiàn)場踏勘主要是對施工整體情況有所了解，包括施工中涉及到的范圍內(nèi)存在的建筑物、構(gòu)筑物以及相關(guān)管網(wǎng)的情況，其中需要勘察管線位置、類型、尺寸，建筑物及構(gòu)筑物的形狀、結(jié)構(gòu)、是否存在裂紋等等?？辈榈闹饕康氖潜阌诒O(jiān)測點(diǎn)的布置和施工對其影響的評價(jià)。

2 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析及穩(wěn)定性分析

2.1 變形監(jiān)測數(shù)據(jù)處理分析

在勘測過程中，不但需要現(xiàn)場獲取變形監(jiān)測的資料，還需要對變形數(shù)據(jù)進(jìn)行分析整理，才能使變形監(jiān)測為施工過程服務(wù)，以此保障工程安全、指導(dǎo)工程獲取應(yīng)有的效益。

在整理分析變形監(jiān)測數(shù)據(jù)時(shí)主要有兩方面內(nèi)容[3]：

①監(jiān)測數(shù)據(jù)的整理：將工程過程中測量所得的數(shù)據(jù)和相關(guān)材料進(jìn)行整理并制成圖表加以說明，使成果易于運(yùn)用，這是本階段的首要工作，具體有以下幾點(diǎn)：

1）核對每一項(xiàng)原始數(shù)據(jù)，對全部變形監(jiān)測數(shù)據(jù)的計(jì)算進(jìn)行檢核。

2）依照時(shí)間順序依次在觀測表中填寫各點(diǎn)的變形數(shù)據(jù)。

3）繪制基坑變形相關(guān)圖表包括變形數(shù)據(jù)的過程線和分布圖。

②測量數(shù)據(jù)的分析：本階段的分析是對建筑物及構(gòu)筑物變形的過程、規(guī)律等情況進(jìn)行歸納和總結(jié)。對變形的因素進(jìn)行分析，總結(jié)它們之間的數(shù)學(xué)模型描述，得出變形值和影響因素之間的關(guān)聯(lián)，之后再去判別建筑整體的利用符合標(biāo)準(zhǔn)與否。對于建筑變形內(nèi)在的原因以及規(guī)律，則需要進(jìn)行多次測量，得到海量資料后進(jìn)一步查明，以便對原有設(shè)計(jì)值和經(jīng)驗(yàn)系數(shù)進(jìn)行修改。本階段整體分析可總結(jié)為如下三種：

1）成因分析（定性分析）：定性的分析區(qū)別于定量統(tǒng)計(jì)，它是分析、辨別、明確觀測值變化的形成和規(guī)律，是對建筑物自身以及建筑物上作用的荷載進(jìn)行分析。

2）統(tǒng)計(jì)分析[4]：統(tǒng)計(jì)分析是接續(xù)成因分析的進(jìn)一步分析，需要對測量數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)分析后得到一定規(guī)律，進(jìn)而得出變形因素與觀測值之間的函數(shù)關(guān)系。

3）觀測數(shù)據(jù)預(yù)測：可根據(jù)統(tǒng)計(jì)分析得到的函數(shù)關(guān)系進(jìn)一步對建筑物將來可能發(fā)生的變形情況進(jìn)預(yù)測，并能由此對建筑物是否安全及安全程度進(jìn)行判別。

2.2 水準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性分析

對建筑物進(jìn)行垂直位移監(jiān)測所設(shè)置的水準(zhǔn)點(diǎn)，需要保證穩(wěn)定，即使不能保證全部點(diǎn)都穩(wěn)定不動(dòng)的情況下，至少要有一組保證是穩(wěn)定的，力求使其能保持穩(wěn)定不動(dòng)，可以以此為變形數(shù)據(jù)計(jì)算的基準(zhǔn)[5]。而在實(shí)際工程中，除了基巖上所設(shè)置的標(biāo)志之外，從沖積層設(shè)置的標(biāo)志，就算埋設(shè)得再深，也很難確定是穩(wěn)固的。比如，依據(jù)多年變形監(jiān)測數(shù)據(jù)經(jīng)過多次觀察比較，發(fā)現(xiàn)部分深埋數(shù)十米甚至百米以上的鋼筋混凝土樁，仍有抬升出現(xiàn)。另外，國外有很多膨脹土地區(qū)，設(shè)置在這里的水準(zhǔn)點(diǎn)標(biāo)志也很難做到保持固定沒有位移。在此類區(qū)域內(nèi)進(jìn)行垂直方向變形監(jiān)測，不可以無依據(jù)地選取某點(diǎn)作為基準(zhǔn)的起始點(diǎn)，而是要根據(jù)反復(fù)測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，得到一個(gè)相對其他點(diǎn)更穩(wěn)定的水準(zhǔn)點(diǎn)當(dāng)做起始點(diǎn)，以此才能進(jìn)行進(jìn)一步分析。

比如，針對某水準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行重復(fù)觀測，從觀測的N 次數(shù)據(jù)中去分析，通過N 次的成果能對水準(zhǔn)點(diǎn)是否穩(wěn)定進(jìn)行判斷。

改正數(shù)Δij（i—水準(zhǔn)點(diǎn)號(hào)，j—觀測周期），產(chǎn)生兩種不同的因素：水準(zhǔn)測量產(chǎn)生的誤差與水準(zhǔn)點(diǎn)可能發(fā)生的抬升和下沉；因此很難直接在Δij中判別出它們。

然而，從數(shù)據(jù)Δij的絕對值來看，若其數(shù)據(jù)明顯高于水準(zhǔn)點(diǎn)產(chǎn)生的測量誤差，這里可以近似地將其視為第j 次測量相對于第一次測量的i 點(diǎn)的升降值。

當(dāng)出現(xiàn)下面情況時(shí)，為了去掉改正數(shù)中的“系統(tǒng)部分”，需要確定改正值的均值，即改正數(shù)Δij接近水準(zhǔn)測量而產(chǎn)生的誤差時(shí)，需要進(jìn)行此計(jì)算：

并將其每項(xiàng)改正數(shù)Δij中減掉它，進(jìn)而得出由上述情況引起的偶然誤差：

很明顯，δij即為第i 點(diǎn)（i=1，2，…，n）在j 次觀測（j=1，2，…，N）時(shí)與這一點(diǎn)與各次測量值均值的偏差。它可以用來表示水準(zhǔn)點(diǎn)是否穩(wěn)定，作為一個(gè)穩(wěn)定性指標(biāo)，并且σi越小，水準(zhǔn)點(diǎn)越穩(wěn)定。

3 工程項(xiàng)目

3.1 項(xiàng)目概況

某地地鐵1 號(hào)線全長20 余公里，是本市軌道交通線網(wǎng)中一條貫通南北的軌道交通骨干線，地鐵首先進(jìn)行樞紐站規(guī)劃，發(fā)現(xiàn)其樞紐站的站周邊規(guī)劃已經(jīng)基本形成，多以高層建筑為主，因此采取了以暗挖法施工為主的樞紐站站址周邊規(guī)劃。

3.2 觀測儀器

項(xiàng)目主要采用Trimble DINI12 配套LD12 銦鋼尺，精度滿足每公里往返測高程中誤差≤0.3mm。

3.3 監(jiān)測項(xiàng)目及限差

項(xiàng)目主要監(jiān)測項(xiàng)目及限差要求見表1。

表1 垂直位移基準(zhǔn)網(wǎng)觀測主要技術(shù)指標(biāo)及要求

3.4 監(jiān)測方法

隧道豎直變形監(jiān)測及水平位移觀測可以將觀測點(diǎn)設(shè)在隧道頂部或腰線處，然后在進(jìn)行測量變形監(jiān)測時(shí)，可采用常規(guī)水準(zhǔn)測量方法。同時(shí)，建立以隧道軸線及其軸線的垂直方向形成的坐標(biāo)系，并利用導(dǎo)線測量的方式對設(shè)定的觀測點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)測量，從而對隧道水平位移量進(jìn)行計(jì)算。以項(xiàng)目樞紐站基坑支護(hù)工程變形監(jiān)測為例，對樞紐站基坑的垂直方向和水平方向進(jìn)行監(jiān)測。監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在基坑外30m 以外的通視條件良好、地質(zhì)堅(jiān)硬處，布設(shè)可通視的2-3 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，方便后期復(fù)核。監(jiān)測點(diǎn)位于基坑內(nèi)，利用鉆具成孔的方式布設(shè)，將鋼筋打入土層進(jìn)行布設(shè)[6]。

3.5 監(jiān)測成果

以樞紐站基坑支護(hù)工程監(jiān)測為例，分析一周內(nèi)的變形監(jiān)測數(shù)據(jù)，從豎直方向變形監(jiān)測及水平方向變形監(jiān)測所得數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。

3.5.1 豎直方向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

監(jiān)測數(shù)據(jù)的直觀表示利用變形曲線圖可以更直觀的反映一周內(nèi)的建筑基坑豎直方向的變形規(guī)律，圖1 以觀測的三個(gè)典型點(diǎn)，來表示一周內(nèi)的變形。

圖1 豎直方向監(jiān)測數(shù)據(jù)變形曲線圖

基坑的變形觀測點(diǎn)普遍布設(shè)在土體或混凝土中，在混凝土結(jié)硬的過程會(huì)發(fā)生收縮，這就可能引起觀測點(diǎn)抬升，而施工時(shí)會(huì)出現(xiàn)土體產(chǎn)生回彈現(xiàn)象，也會(huì)引起觀測點(diǎn)的抬升，加之基坑打樁過程產(chǎn)生的土壓力也會(huì)造成觀測點(diǎn)的抬升，因此在基坑監(jiān)測過程中，若觀測點(diǎn)出現(xiàn)小幅抬升屬正常現(xiàn)象，不會(huì)對基坑安全造成影響。

3.5.2 水平方向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)（見表2）

表2 水平方向變形監(jiān)測數(shù)據(jù)（某次觀測數(shù)據(jù)）

反映一個(gè)建筑基坑水平方向的變形規(guī)律，可根據(jù)曲線圖進(jìn)行分析，水平方向典型點(diǎn)位移數(shù)據(jù)如圖2 所示。

圖2 水平方向監(jiān)測數(shù)據(jù)變形曲線圖

隧道全線整體位移變形狀態(tài)及走向可通過曲線進(jìn)行直觀、全面的展示，利于分析，便于發(fā)現(xiàn)問題并及時(shí)預(yù)警。

3.6 監(jiān)測結(jié)果分析

根據(jù)監(jiān)測報(bào)警值規(guī)范《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012）及本次監(jiān)測各變形觀測數(shù)據(jù)，通過統(tǒng)計(jì)分析，得到變形情況如下：樁頂水平位移：累計(jì)變化最大值12mm，各點(diǎn)累計(jì)值及變化速率未達(dá)到預(yù)警值。樁頂豎向位移：累計(jì)變化最大值1.23mm，各點(diǎn)累計(jì)值及變化速率均未達(dá)到預(yù)警值。土體深層水平位移：累計(jì)變化最大值，深度（4.9m）0.88mm，各點(diǎn)累計(jì)值及變化速率均未達(dá)到預(yù)警值。建筑物沉降：累計(jì)變化最大值1.98mm，各點(diǎn)累計(jì)值及變化速率均未達(dá)到預(yù)警值。地表豎向位移：累計(jì)變化最大值31.87mm，各點(diǎn)累計(jì)值及變化速率均未達(dá)到預(yù)警值。項(xiàng)目整體監(jiān)測評價(jià)：正常。

4 結(jié)論

目前，隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各種建筑物不斷出現(xiàn)，而基坑支護(hù)工程是一項(xiàng)風(fēng)險(xiǎn)較大的工程項(xiàng)目，因此建筑物的變形觀測越來越受到重視，而對建筑物的基坑變形進(jìn)行監(jiān)測也越來越重要，成為各種項(xiàng)目中必不可少的一個(gè)環(huán)節(jié)。同時(shí)，為了使變形觀測的結(jié)果與規(guī)律更加真實(shí)可靠，需要對變形觀測的數(shù)據(jù)成果進(jìn)行整理和細(xì)致的分析，并需要妥善處理建筑基坑變形監(jiān)測中存在的問題。而工程變形監(jiān)測普遍采用分析變形原因和變形規(guī)律的方式和對此采取的有效措施對于決策者和施工人員及時(shí)掌握變形信息和變形情況、預(yù)測變形趨勢具有十分重要的意義。在變形監(jiān)測分析過程中，通過繪制的變形曲線能更加直觀地反映基坑變形的趨勢，有利于工程決策者和施工人員更及時(shí)的掌握工程的變形信息，在此基礎(chǔ)上實(shí)施的有效改進(jìn)措施，對提高工程的可行性和安全性有著十分重要的意義。同時(shí)越來越多的現(xiàn)代化監(jiān)測及管理方法，能降低監(jiān)測的數(shù)據(jù)觀測難度，減少數(shù)據(jù)處理工作，提高工作效率，為基坑安全作業(yè)提供支撐。