城市地铁施工监控量测讲义第二稿

地下铁道施工监控量测

内容简介

本讲义涉及城市轨道交通中地下铁道（以下简称地铁）施工监控量测工作的各个方面，对监控量测的目的和意义、监测的主要内容、测点布置的原则、沉降控制标准制定的方法、数据处理、预测分析与控制管理等方面做了全面的论述，并且引用了现场监测的实例。

前言

目前，全国各大城市纷纷在筹建城市轨道交通工程，其中地铁是主要的组成部分。在建的地铁工程当中，监控量测工作是确保周边环境安全和施工稳定的重要工作，但目前并未得到足够的重视。这其中既有技术方面的原因，也有管理方面的原因。但更主要的是思想认识方面的原因。由于城市地下工程周围环境的复杂性，以及地下工程设计和施工工艺的紧密相关性，设计方案必须通过监控量测进行验证并作出局部调整，对施工参数和施工工艺具有重要的指导作用。近年来相继颁布实施的有关地下工程设计和施工的规程和规范都对施工监测作了具体规定，并将其作为地下工程施工中必不可少的组成部分。

为了保护地铁工程周围的环境，在设计和施工时都需要科学地估算施工开挖过程中周围地层的变化大小和影响范围；对地层变形影响范围内的临近建筑物，桥梁，既有地铁及管线等设施的保护做出正确的决策和周密的部署。这就必须加强施工监测、逐步真正实现信息化施工。

第一章监控量测的目的和意义

1.1 概述

地铁施工中的监控量测是保障工程建设的安全、质量、地面车辆以及沿线建筑和管线正常运行的重要手段。

地铁在修建施工中，监控量测的工作内容总体上有地层沉降监测、水平位移监测、支护结构变形监测（包括支护体系的沉降、水平位移和挠曲变形）、支护结构的内力监测（包括支撑杆件的轴力监测和围护结构的弯距监测）、地下水土压力和变形的监测（包括土压力监测和孔隙水压力监测、地下水位监测、深层土体位移监测、基坑回弹监测）、建筑物或桥梁的变形监测（沉降监测、水平位移监测、倾斜监测和裂缝监测）、地下管线变形，既有地铁等监测。

根据地下铁道工程施工及验收规范（GB 50299－1999），地下铁道监控量测项目如图1－1和1－2所示：

图1－1 地铁盾构施工监测项目

图1－2 地铁浅埋暗挖法施工监测项目

目前，城市轨道交通工程的施工监测，不仅已成为市政建设管理部门的强制性指令措施，同时也已为工程投资、监理和施工设计的重要依据。

在目前的监控量测工作中，最主要的还是对变形的监测工作。这是因为变形信息的获取简单，成本底，而且信息相关性强。变形监测工作有两方面内容：一是对基坑开挖，隧道开挖引起的维护结构、初期支护的变形观测；二是对开挖引

起的地面、道路、影响范围建筑物及公共设施（管线、既有地铁等）的沉降、倾斜、裂缝的观测。通过监测随时预报变形、沉降值的大小及速率，以便及时修改施工的各项参数、工艺或方案，采取相应的加固措施，控制变形量，避免或减少各类风险损失。由此可见，地铁在修建期间进行变形观测是非常重要的工作内容，通过积累监测数据、分析变形规律，还可以检验设计理论，为后续地铁设计、施工提供参考依据。

监控量测一般的流程图如图1－3所示：

图1－3 监控量测流程图

1.2 基坑工程监测的目的和意义

由于基坑开挖，基坑内外的压力平衡被改变。致使围护结构及土体发生变形。围护结构的内力和变形中任何一量值超过容许的范围，将造成基坑的失稳破坏或对周围环境造成不利影响。地铁车站往往建设在市区人口稠密处，建筑物林立，地下管线密集，基坑开挖所引起的周围土体变形将在一定程度上改变这些建筑物和管线的正常状态，当土体变形过大时，会造成临近结构和设施的失效或破坏。同时，由于土体变形过大而导致临近管线破裂漏水又反过来加剧土体的变形，直至导致围护结构失稳，造成极坏的社会影响和经济损失。因此，在基坑施工过程中，只有对基坑围护结构、基坑周围土体和相临的建（构）筑物进行全面、系统的监测，才能对基坑工程的安全性和对周围环境的影响程度有全面的了解，以确保工程的顺利进行，在出现异常情况时及时反馈，并采取必要的应急措施，调整施工工艺或修改设计参数。一般来说，基坑开挖施工监测的目的有以下几点：1．将现场监测数据与设计值（或预测值）进行比较，如超过某个限值就采取工程措施，防止支护结构破坏和环境事故发生；

2．为施工及时提供反馈信息，用监测数据指导现场施工，进行信息化管理，使施工组织得以优化；

3．把监测数据用于优化设计，使维护结构的设计既安全可靠又经济合理。

4．将现场监测的结果与理论预测值相比较，用反分析法寻出更接近实际的理论参数，以积累经验，提高设计和施工水平，指导后来类似工程设计施工。

1.3 隧道工程监测目的和意义

从60年代以来，新奥法在隧道及地下工程的应用不断推广，新奥法的理念越来越受到人们的普遍接受。有了新奥法，才把隧道工程从被动支护转变主动支护的现代施工技术，这种进展与我们今天对地下工程实质的认识是分不开的，也与岩土力学、工程地质以及相应的量测技术是分不开的。由于暗挖隧道是修建在有初始应力场的地层之中，隧道一经开挖，其中所包含的原始力学体系便被改变，即所谓的二次、三次…应力重分布。在应力的调整过程中，由于地层是各向异性、

不连续、不均质的物体，力学形态也呈各向异性：因此，在确定围岩压力和其他支护设计参数中，要通过理论计算定量地反映实际情况是十分困难的，而现场量测却为解决这一难题提供了可能。因为现场量测的数据是客观现实的真实反映。目前的许多隧道工程，不仅要依据计算来决定支护和衬砌的厚度，更主要的是根据位移等的量测结果进行修正和调整。在暗挖地铁车站的施工中，车站永久结构的形成也要在监控量测的指导下完成施工步序的转换。此外，量测结果还可正确地判断围岩的稳定状态、控制施工顺序以及支护结构的承载能力。因此，在现代隧道施工中，量测作业是必不可少的。总体而言，隧道施工监测的目的有以下几点；

1．确保安全。根据量测数据，及时掌握围岩和支护的动态过程及规律，检查施工引起的地面沉降和隧道沉降是否控制在允许的范围内，并建立预警机制，保证工程安全，避免结构和环境安全事故造成工程总造价的增加。

2．指导施工。将量测数据经过分析处理，预测和确认隧道围岩是否有异常情况及其最终稳定时间，以指导施工顺序和确定施作二次衬砌的时间。

3．预测地层力学参数，建立计算模型，评价地层的工程稳定性，从而修正设计，进行动态管理，科学施工。

4．积累资料。已有工程的量测结果可以间接地应用于其它类似工程中，作为设计和施工的参考资料。还可为研究岩土性质、地下水条件、施工方法与地表沉降和土体变形的关系积累数据，为改进设计提供依据。

5．发生工程环境责任事故时，为仲裁提供具有法律意义的数据。

第二章监测内容与测点布置原则

2.1 监控量测的内容

2.1.1 基坑工程施工监测

地铁工程基坑施工监测的内容分为两大部分，即围护结构和相邻环境的量测。围护结构按支护形式不同又有明挖放坡、土钉墙围护、桩、连续墙围护等，同时结合横撑、腰梁、锚索等加强措施；因此，围护结构施工监测一般包括围护桩墙、支撑、腰梁和冠梁、立柱、土钉内力、锚索内力等项，环境监测包括监测相临地层、地下管线、相临房屋等内容。综合各类基坑，一般地铁工程基坑施工监测内容详见表2－l。

表2－1 地铁基坑监控量测项目一览表

2.1.2 基坑工程监测实例

一、工程概况

作为现场监测的工程实例，钻孔灌注桩加两道钢筋混凝土支撑的金穗大厦具有一定的典型性。该工程位于浦东陆家嘴金融贸易区，基坑开挖深度10.25m，局部12.35m，基坑的平面与相邻构筑物位置如图2－1所示。场地地层为上海一

般的软粘土地质条件，如表2－2所示。该工程于1995年3月底破土开挖，60天后顺利开挖至基底标高并完成两道水平支撑施筑，同年7月初完成底板浇筑，继后采取爆破方式成功拆除两道支撑，至9月初地下室立体结构施筑至±0.0。

图2－1 基坑平面尺寸与相邻位置

表2－2 基坑所处各地层的主要物理参数

二、监测方案与实施

在制定施工监测方案时，考虑到以下几点：

（1）基坑周边条件较为空旷，相邻地下管线和已建地面房屋较建筑红线较远；

（2）地质条件属典型上海软土地基，上、下土层强度较高，第③、④层土较为软弱，特别是第④层灰色淤泥质粘土属高压缩性土层，物理参数偏低，含水量高，厚度在15m左右，是基坑围护监测的防范重点；

（3）基坑的另一特点是利用第一道钢筋混凝土支撑作为挖土机与车辆的施工栈桥，支撑的受力与变形状况亦应得到重视。

鉴于上述分析，将基坑现场监测的重点放在围护结构本身，而围护结构监测的重点放在桩顶水平位移与沉降、桩体深层水平挠曲，以及支撑轴力等三个方面。根据基坑的平面尺寸，各监测内容的测点数量、监测周期和测试频率如表2－3所示。

表2－3 基坑围护结构监测内容

测斜管和支撑轴力探头的布设一般均选择在围护结构最不利受力位置，其依据为设计单位提供的结构位移和轴力分布图。测斜管采用PVC材料，其长度与围护桩相同。支撑轴力测试中每个监测断面设置四个钢弦式钢筋应力传感器，位置在四边的中间，取元件量值的算术平均值。

现场监测的实施保证了基坑施工的快速与正常进行，同时为软土地下开挖与环境影响积累了宝贵的数据和经验。

三、监测结果

1．围护桩体的深层挠曲

图2－2为基坑开挖三个阶段所测得的桩体深层挠曲曲线，其中将相同测点相邻地表沉降变化绘于同一图内，以便观察桩体挠曲与地表沉降之间的关系。由图可知，桩体挠曲不仅随开挖深度增加而有所发展，并且随水平支撑的设置与受力在分布上由原先的上大下小倒扫帚型变化为中间突出型，最大挠曲发生在基底标高以下l～2m处。

(m)

40

20灰色粉质粘土

灰色淤泥质粘土

灰色淤泥质粉质粘土

褐黄色粉质粘土

填土层

图2－2 不同开挖阶段桩体竖向挠曲与地表沉降关系

2.1.3 隧道工程施工监测

隧道量测通常分为施工前和施工中两个阶段，隧道开挖前的量测主要是进行原位测试，即通过地质调查、勘探，直接剪切试验，现场实验等手段来掌握围岩的特征，包括构造、物理力学性质、初始应力状态等等。施工中量测主要是对围岩与支护的变形、应力（应变）以及相互间的作用力进行观测。一般地铁暗挖隧道工程施工监测内容详见表2－4。

表2－4 地铁暗挖隧道监控量测项目一览表

表2－5和2－6为北京地铁5号线某车站的设计监测项目方案及实施项目，可以看到，在实施项目中，对选测项目没有进行监测，同时监测频率有所降低，施工期间监测项目与频率在满足规范要求的前提下，可以根据工程具体情况对监测设计方案进行修改。

表2－5 北京地铁5号线某车站设计监测项目表

表2－6 北京地铁5号线某车站实施监测项目表

2.1.4 地铁盾构隧道补充施工监测

盾构隧道监测的对象主要是土体介质、隧道结构和周围环境，监测的部位包括地表、土体内、盾构隧道结构以及周围道路、建筑物和地下管线等，监测类型主要是地表和土体深层的沉降和水平位移、地层水土压力和水位变化、建筑物和管线及其基础等的沉降和水平位移、盾构隧道结构内力、外力和变形等，具体见表2－7。

表2－7 地铁盾构隧道监控量测项目一览表

2.2 测点布置的原则

2.2.1 概述

根据地下铁道工程施工及验收规范（GB 50299－1999），地下铁道采用浅埋暗挖法施工时监控量测项目及相关测点布置原则如表2－8所示：1）隧道浅埋暗挖法施工

表2－8 监控量测项目和量测频率

注：1 B为隧道开挖跨度；

2地质描述包括工程地质和水文地质。

3当围岩和初期支护结构符合规范第7.8.3条规定时方可停止量测。

为保证施工安全和改进设计，根据隧道开挖过程中围岩和结构受力情况，制定了上表。其中，应测项目（A类）是指在一般情况下需量测项目，选测项目（B 类）是指在必要时的量测项目。而量测项目的选择还要根据围岩类别，开挖断面所处地面环境条件等确定应测或选测，必要时可适当调整。

地铁区间结构断面较小，覆跨比较大，一般量测项目可少些，而车站结构跨度大，分部开挖次数多，围岩应力多次重新分布，为安全计，相应的量测项目就要多些，甚至有些选测项目可纳入应测项目中去。用浅埋暗挖法修建地下铁道隧道时，开工前应根据具体情况安排量测方法，制定量测方案。

2）盾构施工

盾构掘进施工中，地层除了受到盾尾卸载的扰动外，还受到盾构对前方土体的挤压（或卸载），因此，周围地层出现不同程度应力变动，特别是地质条件差时，更会引起地面甚至衬砌环结构本身的隆起或沉陷，不仅造成结构渗漏水，甚至危及地面建筑物的安全。为此，要按照表2－9进行监控量测。

表2－9 盾构掘进施工监控量测项目

2.2.2 某车站监测实例 （1）地表测点平面布置图

有效站台中心线

线路左线

线路右线WD[5]7C1-1C1-2C1-3C1-4

C1-5C1-6C1-7C1-8C1-9C1-10C1-11C1-12C1-13C2-1C2-2C2-3C2-4

C2-5C2-6C2-7C2-8C2-9C2-10C2-11C2-12C2-13

C3-13

C3-12C3-11C3-10C3-9C3-8C3-7C3-6C3-5C3-4C3-3C3-2C3-1C4-1C4-2C4-3C4-4C4-5C4-6C4-7C4-8C4-9C4-10C4-11C4-12C4-13

C5-13

C5-12C5-11C5-10C5-9C5-8C5-7C5-6C5-5C5-4

C5-3C5-2C5-1C6-13

C6-12C6-11C6-10C6-9C6-8C6-7C6-6C6-5C6-4C6-3C6-2C6-1C7-13

C7-12C7-11C7-10C7-9C7-8C7-7C7-6C7-5C7-4C7-3C7-2C7-1C8-13

C8-12C8-11C8-10C8-9C8-8C8-7C8-6C8-5C8-4C8-3C8-2C8-1C9-13

C9-12C9-11C9-10C9-9C9-8C9-7C9-6C9-5C9-4C9-3C9-2C9-1C10-1C10-2C10-3C10-4C10-5C10-6C10-7C10-8C10-9C10-10C10-11C10-12C10-13

C11-13

C11-12C11-11C11-10C11-9C11-8C11-7C11-6C11-5C11-4C11-3C11-2C11-1C12-9C12-8C12-7C12-6C12-5C12-4C12-3C12-2C12-1C12-13

C12-12C12-11C12-10K 5+984

K 5+991

K 6+001

K 6+024

K 6+048.5

K 6+059

K 6+071

K 6+085

K 6+099

K 6+118

K 6+151K 6+156

4445.13.22.4

2.4

3.2

5.1

444

L1-1L1-2L1-3L1-5L1-4L1-6L1-7

K 6+033

K 6+011

L2-1L2-2L2-3L2-4L2-5L2-6L2-7

K 6+132

K 6+141

L3-1L3-2L3-3L3-4L3-5L3-6L3-7

L4-1L4-2L4-3L4-4L4-6L4-7

L4-5

图2－3 车站平面布置图

施工便道

B 公共汽车站

围挡大门

图2－4 区间平面布置图

（2）主测断面布置图：

图2－5 车站主测断面A项量测测点布置图

图2－6 主测断面B项量测测点布置图