第27期城市地下空间监测技术应用研究

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第27期城市地下空间监测技术应用研究

2019-3-27 10:32

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第27期城市地下空间监测技术应用研究文石命高级工程师河南省基本建设科学研究院副院长

52监测网专家报告分享-第27期

城市地下空间监测技术应用研究

文石命高级工程师河南省基本建设科学研究院副院长

一、概述

二、国内外研究现状

三、监测原理

四、监测方法

五、工程实例分析

六、结论与展望

内容简介

一、概述

人类社会发展至今，人们已普遍认为，人类除了要充分利用地面空间外，还可以把活动空间扩展到高空和地下。开发利用地下空间是提高土地利用效率与节省耕地、改善城市环境的最有效途径。城市地下空间是一个十分巨大而丰富的空间资源，如得到合理开发，其节省土地资源的效果将十分明显。地下空间作为城市的重要资源已成为广泛共识。然而，在城市地下工程施工过程中，由于地层沉降等原因引起的人员伤亡、财产损失及环境破坏等现象频频发生。如2008年杭州地铁一号线坍塌事故造成21人死亡，直接经济损失1.5亿元人民币,2007年北京市海淀南路的地铁10号线工程苏州街车站东南出入口发生塌方事故导致6名施工者被埋等。

为减少此类事故的发生,使用信息化的监测手段已经成为必然。但由于国内城市地下空间开发利用的历史不长,相关规范对岩土工程安全问题、尤其是监测系统问题没有明确的规定,不能满足地下空间开发长远发展的要求。在相关的地下空间设计规范中建立规范的城市地下空间岩土工程安全技术体系、指标体系及标准迫在眉睫。

二、国内外研究现状

岩土工程安全监测是随着人们总结岩土工程事故教训的过程中逐渐发展起来的。

首先，人们认识到需要对事故发生之前的信息进行监测、分析和判断，力争防患于未然；

其次，由于岩土体的复杂性以及岩土力学理论的不成熟，导致有关岩土工程安全问题更多地依靠测试和观测。

所以，人们越来越多地把工程安全情况的判断寄希望于工程建设过程中和竣工后的原位测试。

2.1国外研究现状

安全监测工作始于坝工建设：

1891年德国的埃施巴赫坝第一次进行外部变形观测

1920年瑞士首次用大地测量方法观测大坝变形

1903年美国Boonton重力坝温度观测是最早采用专门的仪器进行观测

随着差动电阻式传感器的发明，20世纪30年代欧美国家逐步广泛开展监测工作。

2.2国内研究现状

我国的安全监测工作也始于坝工建设，20世纪50年代初在丰满、佛子岭和梅山等混凝土坝仅进行了位移、沉降等的简单观测工作，随后在上犹江、响洪甸坝埋设了温度计、应变计和应力计等，50年代末期才在新安江、三门峡等大型混凝土坝开展较大规模的工作。

安全监测虽始于坝工建设，但目前已经扩充到土木工程行业的各个领域，尤其是城市地下空间的应用更需要成熟的监测技术以提高防灾能力。

三、监测原理

在工程的安全监测中,及时收集和分析现场的监测数据是非常重要的。为了实现在任何时间甚至任何地点都可以对监测点进行数据采集，根据分析的要求决定是否预警，组建远程实时监测预警系统是切实可行的措施，远程实时监测预警系统应包括传感系统、数据采集处理系统、数据分析系统、预警系统和远程控制系统五大部分。

3.1传感系统

系统应用各种传感器，将被测量（应变、倾斜度等）转变成便于记录及再处理的电压或电流等信号。由于从传感器输出的电信号一般很弱，通常各种传感器都有与之匹配的信号放大器。其功能是将传感器输出的信号进行放大或转换。传感系统包括加速度计、应变计、位移计、钢筋计、土压力盒、测斜仪、信号放大器等。

3.2数据采集处理系统

该系统的功能是将传感器变换、放大器放大后的信号，直接以模拟量的方式记录下来或者经过模数转换后以数字量的方式进行记录。另外，为了达到远程实时监测的目的，还要将这些数据通过合理的传输方式传送到监控室，设备包括采集器、发送主机及相应的数据存储和处理设备。

3.3数据分析系统

从数据采集系统获得的数据经初步处理后或在终端上显示，然后直接进入数据库。该子系统的目的是根据各监测项目的特点，使各不同类型的数据通过恰当的组织，被有效的存储起来，在保证必要信息存储的前提下，尽量减少数据的冗余度。设备包括高性能计算机及分析软件，必要时进行实时分析和处理。

3.4预警系统

预警系统也可称为评估系统，是对测量的结构状态进行判断、分析评估，对异常测试值进行报警的系统，为施工策略的变动提供参考，确保工程安全。

3.5远程控制系统

在数据采集和远程传输方面，通过有线连接或无线微波远程模拟信号发送及接收系统,也可以采用在商业上已经取得了巨大成功的客户机/服务器网络系统，实现方便和真正的远程监测。

3.6运行流程实现该系统运行流程如图1所示

首先通过远程控制向现场的采集器发送采集命令,采集器以发送激振电压等方式控制传感器反馈传感信息，采集器将反馈信息量化成频率等数值，最后通过一定的传输方式将数据发送至监控室的终端，由终端进行数据处理后再决定是否预警。该流程中有两处地方值得注意，首先是数据远程传输这个环节，它可以有多种选择方式，不同选择将会带来较大的差异，但一般都要根据具体的工程选择合适的传输方式。另一处值得注意的地方就是预警的环节，预警的前提是数据要得到初步处理和判断，由此可以有两个地方选择发送预警信息。下面将对数据传输方式和预警信息处理方式做一个简单介绍。

3.6.1数据远程传输方式

（1）有线传输。该连接方式可以直接使用电缆线将现场的数据采集器与室内的电脑相连接，其优点是省去了发送或者接收主机及其通信的费用，成本相对较低，而且数据传输方便及时；缺点就是连接距离有限，特别是长距离的监测，购置电缆线的成本会增大，而要实现跨地区采集数据几乎不可能，另外就是施工过程中容易发生连接线被压断或者碾碎等。所以此种方式一般适合工程量较小，监测距离小于1000m的项目。

（2）无线微波传输系统。该连接方式同时需要发送主机和接收主机，数据由专用的软件接收，其优点是不使用连接线，不耗费网络流量，即电脑是否联网并不影响监测的正常进行，数据采集后将由发送主机以微波的形式发送出去，接收主机则负责接收数据信号，可以实现在任何时间跨地区监测；缺点是可能出现数据采集或者接收延时，因为控制现场采集和接收数据都以微波信号传输的方式，而一旦信号服务遇到高峰期，则很容易出现延时情况，另外就是通信花费较高。此种传输方式适合在无网络地区对工程进行实时监测。

（3）客户机/服务器网络传输系统。该连接方式需要发送主机，数据将由这个发送至网络服务器，室内电脑通过域名访问的方式接收数据。其优点是利用了当今流行的Internet网络，容易实现数据共享，监测量大时使数据库的开发也变得比较方便，而且数据的传输也较为及时，另外流量费相对也较低，缺点就是最先接收数据的网络服务器一旦瘫痪或者发生网络故障都将导致数据无法及时得到分析和处理，网速也可能会成为制约数据及时传输的因素，但随着信息技术的发展，出现这些事故的概率非常小，所以此种传输方式广泛适用，尤其是工程量大、远距离监测的项目。

3.6.2预警信息处理方式

首先是数据采集器，因为目前的数据采集中都具有一个以单片机为主的核心处理器及内存储器等，数据完全可以在这里得到处理并决定是否预警，但是目前采用此类方式预警的事例非常少，并不是因为采集器硬件跟不上，主要原因在于软件，而嵌入式开发投入较大，且精通此类技术的人并不多，相关技术并不成熟。但是如果在这里实现预警，则它的优点是巨大的，可以完全忽略数据传输所出现的各种问题。所以目前广泛采用的还是将预警的地方放在监控室内的接收端电脑上，毕竟电脑已经得到广泛使用，在此基础上开发各种数据接收和处理程序也相对容易的多，软件修改和更新也比较方便，但是数据传输过程中遇到的各种问题也必将影响到预警。

四、监测方法

适用于城市地下空间的监测手段可概分为直接几何方法、间接几何方法和物理方法(见表1)

工程安全监测项目种类很多，具体到每个工程应根据其工程类型、场地地质和施工情况的不同采用不同的监测项目。按监测物理量的类型一般可以分为变形监测、应力应变监测、渗流监测、温度监测和动态监测等。按监测变量分为原因量监测和效应量监测。原因量即环境参量，由于它们的变化引起建筑物性态的变化。效应量是构筑物对原因量变化而产生的响应。

五、工程实例分析

大坪车站是重庆轻轨较新线的重要组成部分，该车站暗挖段开挖跨度大，地表有交通运输干道且地表建筑物密集。为确保工程施工及地表建筑物的安全，在该地下工程开挖过程中，对初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩间接触压力、临时工字钢支撑应力、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力、二次衬砌钢筋应力进行监测，以全面掌握该地下工程施工过程中支护结构的稳定性；通过信息反馈，及时调整施工方案及修正施工设计，进而对该地下空间工程施工期间支护体系的安全性及稳定性进行全面的评估及预测，以全面掌握该地下工程施工过程中支护结构的受力状况；通过信息反馈，及时调整施工方案及修正设计，进而对隧道施工期间支护体系的安全稳定性进行全面的评估及预测，从而确保工程安全性。

5.1工程概况

重庆轻轨较新线大坪车站隧道里程为DK7+609.7〜DK7+804.0，全长194.3m。该隧道结构复杂，断面变化大，道岔区最大开挖跨度27.2m,是目前亚洲城市交通单跨最大的隧道。其中DK7+658.2〜DK7+804.0为暗挖施工，暗挖段长度145.8m，最大开挖宽度26.3m，开挖髙20.6m，最大开挖面积430.0m2;车站围岩以泥岩和砂岩为主，强度较低，自稳能力差。

5.2监测断面布置及测试手段

5.2.1监测断面布置根据大坪车站地表建筑物的分布以及洞内开挖断面的具体情况，在该车站共布置6个监测断面。监测断面测点布置如图1所示。

5.2.2监测仪器及测试手段

(1)初期支护工字钢拱应力和临时钢支撑应力监测采用XYJ–2型钢弦传感器。在工字钢拱或临时钢支撑架设完毕后，在待测位置焊好传感器支座，待其冷却后安装传感器。

(2)锚杆轴力量测采用直径与锚杆一致的GY–185型钢筋应力计。在安设锚杆前将锚杆截断，将传感器串联焊接在锚杆待测位置处，然后用砂浆锚固含有传感器的锚杆，传感器位置在距离锚杆孔口0.5～1.0m处。

(3)初期支护与围岩压力、初期支护与二次衬砌接触压力量测采用JSY–110型钢弦双膜压力盒，在初支喷射混凝土前和二次衬砌封模前在待测位置安设。

(4)喷射混凝土内应力量测采用MHY–150型混凝土内应力计。安装前先将传感器预制在强度与喷射混凝土一样的混凝土块中，喷射混凝土前将含有传感器的混凝土块固定在测点位置。

(5)二次衬砌钢筋应力监测采用GY–185型钢筋应力计。二次衬砌钢筋铺设完毕未浇注混凝土前截断待测位置的钢筋，将传感器串联在该钢筋上，作相关防护并将线路引出即可。

5.3支护结构受力和应力监测

此处以工字钢拱应力为例，其余部位类似。DK7+725.0断面工字钢拱应力如图2所示。

从图中可看出，工字钢拱应力在埋设后经历两次较明显的变化，第一次变化是该地下工程开挖60d后形成拱部封闭初支撑时，在继续开挖上部核心土的过程中，该断面工字钢拱应力呈缓慢上升态势，但在施作二次衬砌后，工字钢拱应力基本趋于稳定，最大应力值不超过70MPa；第二次变化是在该地下工程开挖70d后，随着下部核心岩土的开挖，该断面工字钢拱应力出现一定幅度的上升，其中，中线拱顶工字钢应力增加较为明显，最大达110.3MPa，这是由于下部核心岩土开挖后使得下部岩土体的支撑压力全部作用在工字钢拱上，但在下部边墙二次衬砌后，该断面工字钢拱应力出现一定程度的下降并趋于稳定。左侧拱腰、中线拱顶及右侧拱腰工字钢拱应力最终观测值分别为31.2、107.2和86.5MPa。从图2还可看出，虽然DK7+725.0断面埋深较浅，但隧道拱部初期支护结构受力并未受到地面建筑物太大的影响。

5.4支护体系稳定性分析

该地下工程监测结果表明，初期支护工字钢拱应力、锚杆轴力、喷射混凝土内应力、喷射混凝土与围岩间接触压力、临时工字钢支撑应力、喷射混凝土与二次衬砌间接触压力及二次衬砌钢筋应力等在支护初期受力和应力变化均比较大，从初支到基本稳定一般需要120～140d。从各支护体系的应力变化趋势来看，当拱顶应力基本收敛时，拱腰和拱脚应力也收敛，亦即对支护结构而言，支护体系应力变化趋势是协调一致的。

重庆大坪车站是大跨度地下空间支护体系应力监测，其仅仅是城市地下空间监测的实例之一。实际上，城市地下空间的监测不仅限于施工过程中的安全监测，还可应用于运营阶段中的可能发生的火灾、地震、地表下沉等方面的监测，通过监测可以尽可能地减小灾害的破坏性以降低生命财产安全的损失。

六、结论与展望

岩土工程安全监测为保证工程安全提供了科学依据，为设计方案的调整和指导施工提供了可靠资料，对于隐蔽性很强的地下工程，由于存在地质条件、周边环境等不可准确预估的风险，研究开发先进、实用的监测技术对工程实践具有重要意义。因此地下空间的监测技术不仅在目前城市地下空间施工阶段得到重视，在未来的地下空间施工及运营阶段将更加离不开该技术的支撑，故而该技术需要更进一步地研究完善以适用于更多不同情况的城市地下空间监测。