某基坑工程对邻近运营地铁影响的自动化监测实录
1 概述 近几十年以来由于我国城市建设发展的需要，我国兴建了大量的高层、超高层建筑以及地下构筑物，由此而产生了大量深基坑工程，深基坑工程的数量、规模、分布急剧增加。同时，由于城市人口急剧增多，地面交通日益拥挤，城市地铁建设也进入了快车道，...
- 作者：覃勇刚,王天孝来源：2014测绘学|2015年02月04日
近几十年以来由于我国城市建设发展的需要，我国兴建了大量的高层、超高层建筑以及地下构筑物，由此而产生了大量深基坑工程，深基坑工程的数量、规模、分布急剧增加。同时，由于城市人口急剧增多，地面交通日益拥挤，城市地铁建设也进入了快车道，如今已有大量的地铁工程竣工投入运营，地铁隧道的安全保护变的尤其重要。随着城市地下空间的大规模开发，深基坑开挖过程中产生的施工扰动、卸荷以及地下水水位变化等因素对临近的地铁隧道结构的安全运行产生了重要影响。目前，国内外已有不少相关工程实例表明：深基坑开挖会使临近地铁隧道产生位移及变形，影响地铁隧道的安全运行[1, 2]。因此，基坑开挖的变形控制要求越来越严格，如何在基坑开挖施工过程中保护好临近地铁隧道的正常运行，是一个亟待解决的工程问题。
当前，基坑开挖对紧邻地铁隧道的影响分析及变形控制问题在学术界也得到重视，众多学者对这一问题进行了深入的研究。比如：Lame定性地分析出了若干因素对基坑周边土体变形的影响[3]；侯学渊等提出了变形控制设计的概念和基本内容，讨论了变形控制标准，阐述了变形控制设计的基本思想[4]；J．E．Crofts等提出了一种估算由基坑开挖引起地下管线水平位移的方法[5]；杨栋等提出了基坑开挖引起隧道变形的位移计算公式(2005)[ 6]；三维有限元数值分析方法也被用来到基坑开挖引起隧道变形研究[7]；另外，工程实测分析法也被广泛应用到基坑开挖引起隧道变形影响研究中[8]。
本文结合中海油大厦的深基坑工程，对基坑开挖对临近地铁隧道的变形影响的进行实测研究，以期为类似工程提供借鉴。
中海油大厦（深圳）位于深圳市南山后海中心区后海滨路和创业路交叉口南侧，项目总用地面积12712.51平方米。总建筑面积约25.1万平方米，地上45层，地下4层，高度约200米。地块红线西侧距后海滨路沿线的地铁2号线右线隧道距离为18~25m，基坑开挖深度与地铁结构底标高基本持平，地铁埋深深度17.4m。北侧是创业路，创业路北目前尚无建筑物；东侧是规划中的8米宽市政路，此路目前尚未建设，此路东侧是某协会的临时用地；南侧是规划中的8米宽市政路，此路目前尚未建设，路南约200米正在施工地铁站。新建基坑与既有地铁结构关系如图1所示，基坑与地铁位置断面图如图2所示。
图1中海油基坑与地铁位置关系平面图
图 2 基坑与地铁位置关系断面图
自动变形监测系统主要由数据采集、数据传输、系统总控、数据处理、数据分析和数据管理等部分组成。系统在无需操作人员干预条件下，实现自动观测、记录、处理、存储、变形量报表编制和变形趋势显示等功能。本文采用徕卡TS30测量机器人与Geomos专业监测软件配套使用进行地铁隧道自动化监测。自动变形监控系统如图3。
徕卡TS30测量机器人能够自动整平、自动调焦、自动正倒镜观测、自动进行误差改正、自动记录观测数据，其独有的ATR（Automatic Target Recognition，自动目标识别）模式，使全站仪能进行自动目标识别，操作人员一旦粗略瞄准棱镜后，全站仪就可搜寻到目标，并自动瞄准，不再需要精确瞄准和调焦，大大提高工作效率和减少了人为照准误差。该仪器测角精度为0.5〞，测距精度为0.6mm±1ppm。仪器经国家认可检定单位检定合格。本监测工程采用的是TS30。
棱镜作为观测标志，利用膨胀螺丝紧密固定在隧道壁上，棱镜标志能被全站仪自动识别和精确照准，以实现自动测量监测点的角度和距离。在本监测工程中，监测点采用L型小棱镜，基准点采用高精度圆棱镜。
实时控制软件采用专门用于监测的与TS30全站仪配套的变形测量软件Geomos，它在Windows环境下运行并将存储的数据存储在SQL Server数据库中。Geomos专业监测软件则是监测人员进行远程控制，实现自动化监测的平台，该软件能自动处理接收到的监测数据，并生成监测成果表及变形曲线。
采用TS30全站仪和Geomos专业监测软件的结合，再由计算机控制全站仪实现所有观测工作，从而实现整个监测过程的全自动化，大大的提高了工作效率，减少了人员的任务，提高了监测的精度。
图3自动变形监测系统
本文监测网由测站点、基准点、监测点组成。基准点应距隧道变形区域边线50m以外布置。为了保证监测点的点位精度优于0.1mm，防止个别基准点出现问题而影响整个测量成果，在监测区段两端各布置2个基准点，基准点最远视距未超过200m。右线监测范围内共布置22个监测断面，影响较小区域（8+850~8+950）每20m布置一个监测断面，影响其次区域（8+950~8+980、9+030~9+060）每10m布置一个监测断面，影响较大区域（8+980~9+030）每5m布置一个监测断面。每个断面布置4个测点，道床2个，侧壁2个，每点监测水平位移及垂直位移（沉降），如图4、图5所示。
图4 监测断面布置示意图
图5 监测断面点布置示意图
本文监测采用TS30全站仪以ATR模式进行自动变形监测，观测时不进行温度和气压的测定，直接得到变形点的三维坐标。根据业主要求：咬合桩施工期间，每周监测一次，视监测数据可适当延长或加密监测；土方开挖及支撑施工期间，2~3天监测一次，视监测数据可适当延长或加密监测；地下室施工期间一般按七天一次，每拆除一道内支撑增加监测一次。实际监测过程中，土方开始开挖后，因变形超标，2013年8月1日起加密监测，频率为每天1次，直至2014年4月14日变形稳定后，频率调整为每周3次。这些都可以由控制系统完成。
目前，较为常见的观测数据处理方法是差分法和坐标转换法。本文测量充分发挥TS30智能全站仪的优越性，采用极坐标法监测，然后对监测结果进行差分处理。即：按极坐标的方法测量测站点至其它基准点和变形点的斜距、水平角和垂直角，将测站点至具有代表性气象条件的基准点测量值与其基准值（基准网的测量值）相比，求得差值。由于变形观测采用同样的仪器和作业方法，并且基准点均埋设在稳定地段，认为基准点是稳定的，故将这一差值认为是受外界条件影响的结果。每站观测可以在短时间内完成，并且是基准点和变形点同时观测，可以认为外界条件对基准点和变形点的影响是相关的，可把基准点的差异加到变形点的观测值上进行差分处理，计算变形点的三维位移量。
影响变形观测精度的主要原因包括系统误差和偶然误差的影响。对本系统而言，系统误差主要来源仪器本身的误差、测站、目标的对中误差、外界环境影响的误差以及仪器随时间的度盘零方位的漂移等；偶然误差主要是仪器测量时的随机误差，主要体现为仪器的标称精度。随时间变化的系统误差通过采用差分方法或坐标转换方法可以基本消除。本次测量采用TS30全站仪观测，该仪器测角精度为0.5〞，测距精度为0.6mm±1ppm，是主要的误差源。
根据以上对误差来源及其特点分析可知，此次监测主要的误差来源是仪器测量误差的影响， 包括测角误差和测距误差：仪器测角精度为0.5〞，200m的监测范围内由测角所引起的最大误差为 0.24mm。仪器测距精度为0.6mm+1ppm,其中0.6mm为固定误差，±1ppm为比例误差，即100m的距离由测距所引起的误差为±0.1mm，距离测量采用四测回观测仪器引起误差大约为±0.5mm。由此可见，可以保证点位精度小于1mm。
由于深基坑施工场地离地铁二号线距离比较近，基坑开挖所引起的土体变形将直接影响地铁正常运行。为了确保基坑支护以及地铁的安全运行，在深基坑施工过程中应进行信息化施工，这就要求对基坑的动态变化及地铁的变形进行全面监测，从中获得大量的工程信息，将采集到的信息数据及时进行数据的处理，并进行计算、分析，图表和报表的编制。随时关注地铁隧道的变形，对观测失误原因进行分析，及时改正。根据处理信息定期发布监测简报，若发现变形异常应应急预报，并迅速通报施工单位、设计单位。对出现的情况作出有效的措施，并不断完善与优化，指导下一步施工。
根据规范及警戒值的确定原则，结合工程实践经验。将本基坑的警戒值确定如下：
(1)基坑周围水平位移不超过30mm，偏移速率不大于5 mm／d；
(2)道路沉降：沉降值不超过25 mm，沉降速率不超过2 mm／d；
(3)相邻建筑物的沉降及倾斜：相邻两监测点的最大沉降差不超过2.5‰。
根据地铁集团要求,本项目地铁隧道结构变形按20mm控制,达到16mm时报警,10mm预警。地铁隧道近100天变形速率小于0.04mm/d时，符合《建筑变形测量规范》规定的稳定标准。
在施工的过程中，土方开挖容易对附近的地铁的稳定造成影响。为了减小对地铁的影响，地铁一侧的支护桩在施工时采用旋挖机进行成孔，以减小对地铁结构的影响,最大程度减低对地铁的破坏作用，避免日后出现安全隐患。对此，基坑土方开挖严格遵循“分层分块、对称开挖、大基坑小开挖”的原则。以内支撑梁底标高为分层界线，即挖一层土施工一道内支撑，来保证支护的稳定性。基坑共有三道支撑，第一道支撑轴线相对±0.0标高-4.35m，第二道、第三道支撑轴线相对标高分别为-12.45m和-18.35m，并设置支撑围檩。另外，应地铁集团及相关质检部门要求，基坑西侧设置了两道搅拌桩止水帷幕。
为了防止基坑过大的变形，可以采取以下方式：(1)依据场地工程地质、水文地质条件和基坑特点选择合理的支护方案；(2)适当增加支护结构的刚度以有效减小侧向位移；(3)对基底一定范围内的土体进行加固，将会显著地限制支护结构的侧向位移、地表沉降和基底的隆起。严格的控制基坑的变形，进而减少对地铁交通线路的影响。
监测技术员于2011年8月底进场进行前期准备工作，并于9月14日确定各测点初始值，至2014年5月16日，全部监测工作结束。期间，根据专家会议及业主要求，于2013年8月23日开始，对左线相应断面进行人工监测，至2014年3月5日变形稳定后停止监测。总监测周期约32个月，左线监测约15次，右线监测约375次，提供监测周报125期。为反映变化趋势，选取具有代表性各断面4号点水平位移变化，各断面4号点沉降变化曲线图如图6、图7、图8、图9所示。
图6 右线各断面4号点水平位移变化曲线图
图7右线各断面4号点水平位移时程曲线图
图8 右线各断面4号点沉降曲线图
图9 右线各断面4号点沉降时程曲线
右线数据分析得到以下结论：右线桩基施工期间最大累计水平位移为+3.6mm，最大累计沉降为-3.5mm，土方开挖至回填施工期间最大累计水平位移为+31.1mm，最大累计沉降为-28.2mm。变形规律大致为中间变形大，两端变形小。桩基施工对地铁隧道影响较小，土方开挖影响较大。变形主要发生在土方开挖阶段。地下室结构施工期各测点变形有所回弹，水平位移最大-2.2mm，沉降最大+4.1mm。隧道结构存在一定的差异变形，水平位移表现较明显，离基坑近变形较大，水平位移差异变形值最大为+16.1mm，沉降最大为-5.0mm。土方开挖完后
变形减缓并趋于稳定，近百天变形速率小于0.04mm/d。
左线数据分析得到结论：基坑开挖对左线隧道有一定影响，左线水平位移最大+9.1mm，沉降最大-13.8mm。通过将左右线同期观测数据进行对比：土方开挖时，两线变形均较大，右线水平位移要远大于左线，左线最大+9.2mm，右线最大+16.5mm，沉降量两线相差不大，左线最大-12.5mm，右线最大-13.3mm；地下室施工时，两线变形均较小，基本趋于稳定。由于篇幅有限，具体曲线不再列出。
根据监测数据及变形曲线，本文监测结论归纳如下：
（1） 项目施工对地铁隧道造成了一定的影响，主要是土方开挖及地下水位下降导致隧道结构在水平和垂直上产生了变形。根据现场查勘，隧道渗漏水较施工前有所加重，渗漏点增多，但未发现结构开裂、管片崩角、螺栓松动等严重破坏情况，施工期间未对运营安全造成影响。
（2） 隧道离基坑远近不同，受影响程度也不同。从各点监测数据来看，各断面离基坑最近的4号点变形最大，依次减小，右线变形较左线大。
（3） 沉降断面曲线呈“漏斗”状，位移断面曲线呈“弓”字状说明基坑围护结构中点属最薄弱部位，也是对变形约束较差的位置，因此中间变形最大，往两端依次减小。
（4） 施工阶段不同，对地铁隧道的影响也不同。从变形时程曲线来看，基本呈“阶梯”状，变形速率较快阶段对应为施工土方开挖阶段，“阶梯平台”对应为土方停挖，支撑梁施工或是停工状态。因此，土方开挖是引起隧道变形的主要原因。
（5） 地铁隧道属于“条状”的特殊地形，也是测量中精度保障的最不利地形，由于地铁隧道变形控制量较小，对监测数据的准确性要求高，因此，地铁隧道监测除了应选用高性能、高稳定的仪器设备外，还应从测量网形的布置、坐标系的建立、已知点数量的选取等进行研究，以保证监测数据的准确性、可靠性。
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