浅谈地铁工程的第三方监测技术
摘要：第三方监测的目的是为业主提供及时可靠的信息用以评定地铁施工对周围环境的影响。并对可能发生的危及环境安全的隐患或事故提供及时、准确的预报，使有关各方有时间作出反应，避免事故的发生，对导致监测范围内建（构）筑物等对象遭破坏界定责任时，为其提供科学的数据和报告。本文从深圳地铁2号线的监测实例阐明了第三监测的主要技术方法，可供同类项目的相关技术人员参考。
关键词：基准点，沉降观测，裂缝观测，地下水位监测，监测数据分析
一、工程概况
深圳地铁2号线东延线工程起于世界之窗站北端（2号线首期工程终点），止于新秀站及站后折返线。线路大致走向为：自2号线首期工程开始向东北方向延伸。下穿欢乐谷，经华侨城、安托山后沿侨香路行进。经莲花路、新洲路至深南大道东行，经福田中心区、中心公园至华强北。从荔枝公园转入深南路，沿途设大剧院站、东门南站，黄贝岭站、最后达到终点新秀站及站后折返线。停车场设置在后海西部通道口岸西侧，与首期工程的招商东路站接轨。2号线东延线线路全长约20.65km，东延线共设车站17座（其中换乘站7座），并在后海设置停车场1座。
二、第三方监测的范围和内容
（1）监测范围：站线结构外缘两侧30米范围内的地下、地面建（构）筑物、管线、地面及道路等。
（2）监测内容：地面建（构）筑物沉降、倾斜和裂缝、道路、地表及管线的沉降，地下水位变化等。
三、监测点的布设与观测技术
1、基准点布设
每个测区（以车站为中心）至少布设有3个稳定可靠的水准基准点，以测定和检验工作基点的稳定性，或直接作为测量监测点的起算点。
水准基点的标石埋设在变形区以外的基岩层或原状土层中，可利用业主提供的测量控制网中的控制点，也可利用稳固的建筑物、构筑物，设立墙上水准点。当受到条件限制时，也可在变形区内埋设深层金属管水准基准点。
工作基点应选设在靠近观测目标且便于联测观测点的比较稳定的位置，工作基点的标石可采用在原状土层中埋设混凝土普通水准标石，也可在稳定的永久性建筑物墙体或基础上设置。
各类水准基准点应避开交通干道、地下管线、仓库堆栈、水源地、河岸、松软填土、滑坡地段、机器振动区以及其它能使标石、标志易于腐蚀和破坏的地点。
标石、标志埋设后，应达到稳定后方可进行观测，稳定期一般不应少于15天。
2、沉降变形点布设
2.1建筑物沉降监测点布设：
沉降变形点一般布设在能控制建（构）筑物沉降与倾斜的位置（如：建筑物的四角、大转角处、建筑物裂缝和沉降缝两侧），以及较长建筑物形体变化的位置。变形点埋设在建（构）筑物的竖向结构上，每栋布设4～6点，密集的多层建筑可适时减少布点数量。
标志应稳固、明显，结构合理，不影响建（构）筑物的美观和使用；点位应避开障碍物，便于观测和长期保存。对于建筑物外墙表面有较厚装饰物的，可在地下室的相应位置布设沉降观测点，没有地下室的，可在室内相应位置布设。标志采用“L”型不锈钢筋，建筑物沉降监测点布设示意图如右下图：
对于利用由土建承包商负责布设的监测点，测量专业技术人员应到现场检查沉降观测点是否符合测量作业要求，位置和高度是否便于以后观测，是否便于长期保存，并提请业主要求施工单位对沉降观测点进行保护，不准撞击沉降观测点，不得在沉降观测点上放置重物，禁止任何破坏沉降观测点的行为。
沉降观测点应统一编号，建筑物监测点的点号前缀为JZ，随施工进度的发展逐渐布设，有些沉降观测点会因为各种原因被破坏，从而失去观测价值，因此需要不断对沉降观测点位进行维护，沉降观测点位的选择和保护对沉降观测工作的连续性和正确性至关重要。如观测点在施工过程中遭到破坏，应尽快在原位置处或尽量靠近原测点处补设，以保证观测数据的连续性。
2.2地表道路沉降变形点的布设：
原则上沿隧道中心线平均50米布设，重要道路（如：深南大道等大型主干道）30～40米，遇到横交道路或立交桥梁，应布设横断面测点，一般5～7个测点。地铁结构边缘30米以内线路两侧与建筑物中间的广场地表应布设适量地表沉降观测点。车站出入口边缘线30米范围内的道路、地表、建筑物等亦应布设测点，点号由“L”+道路名称的拼音声母+序号组成。
2.3管线沉降变形点的布设：
根据地下管线图和管道两接头之间局部倾斜值的控制标准布设测点，分清煤气、供水、电力、污水等管道性质，一般沿管道走向40～50米布设，重要的管道按30米布设。测点位置与标志埋设要能反映出管道的沉降变化。交通繁忙的道路应注意不影响交通，以保证人身、设备安全为原则。
管线监测点的编号应区分管线类别，点号命名原则如下：
管线监测点的编号组成为“G”+管线类别代码+序号。管线类别代码为“Y”——雨水，“W”——污水，“D”——电讯，“L”——电力，“R”——燃气，“J”——给水，“X”——箱涵。
①对于埋设较深的管线，用不锈钢导杆导至距地面0.3米，外套“PVC”管保护，然后砌观测井，并盖井盖；
②对于埋深较浅的管线，可直接在管线上布点，砌观测井，盖井盖；
③对于不便施工的铸铁管、钢管、砼管等管线，可用探杆打入地下至管顶，用混泥土将探杆固定在探孔内，上端为突出地面0.5mm的球面；
3、建、构筑物倾斜监测点的布设及观测
3.1地下管线倾斜观测
地下管线两接头之间局部的倾斜值，采用测量管线两接头间的距离和相对沉降量间接确定。
3.2建筑物主体倾斜观测
离基坑边（隧道中线）距离小于1/3倍基坑深度且层高在2层以上的建筑物均应进行建筑物主体倾斜观测。
建筑物主体倾斜观测，应测定建筑物顶部相对于底部或各层间上层相对于下层的水平位移与高差，分别计算整体或分层的倾斜度、倾斜方向和倾斜速度。对具有刚性建筑物的整体倾斜，也可通过测量基础的相对沉降进行验证。
建筑物主体倾斜观测,根据不同的观测条件和要求可以采用不同的观测方法，根据本工程的实际情况，采用激光铅直仪观测法或投点法进行观测。
A投点法
（1）布点
①观测点：在建筑物主体沿线路施工一侧顶部和底部竖直线上对应布设一组测点（上下各一点），必要时进行分层倾斜观测，在建筑物主体各分层部位、底部上下同一竖直线上对应布置测点。观测点标志采用埋入式照准标志。
②测站点：在与照准目标中心连线呈接近正交的方向线上，采用带“十字”标志的钢筋打入地下作为测站点。测站点距离距照准目标1.5～2.0倍目标高度。
（2）观测
①用经检定合格的钢尺或全站仪测定顶部和底部两点之间（各层与底部测点之间）的高差。
②采用全站仪按投点法进行观测。每次观测都必须在同一个测站点设站。观测时，在底部观测点位置设置量测设施（如水平读数尺），按正倒镜法测出每对上下观测点标志间的水平位移分量，按矢量相加法求得水平位移值（倾斜量）和位移方向（倾斜方向）。
③根据水平位移与高差求得其倾斜度、倾斜方向和倾斜速度。
B激光铅直仪观测法
在建筑物外墙地面监测点位处安置激光铅垂仪，进行严格对中、整平，接通电源，启动激光器发射铅垂激光束，作为铅垂基准线。先在基底地面，通过发射望远镜调焦，使激光束会聚成红色耀目光斑，投射到绘有坐标网的接收靶上，量取建筑物基底主墙到接收靶红色光斑的垂直距离D1。然后在建筑物外墙的顶部，用同样的方法，量取外墙顶部到接收靶红色光斑的垂直距离D2，以上、下两个距离的差值作为初始值，以后，在同一监测点量取上、下两点的距离，其差值与初始值进行比较，就可测出上下两点在该段时间内相对位移量，相对位移量除以上下之间高差，即可得到该建筑物在该段时间内的倾斜率。
如果外墙上、下部在同一垂直线上，那么初始值就可以看作该建筑物上部和下部的初始绝对位移量，其计算得出的倾斜率就是初始绝对倾斜率。
4、裂缝观测
通过对建（构）筑物的裂缝调查，对主要的或变化大的裂缝应进行观测，并进行现状摄影及形状描述，建立建筑物的裂缝状况档案。裂缝观测应定期测定建筑物上的裂缝分布位置，裂缝的走向、长度、宽度及其变化程度。
对需要观测的裂缝进行统一编号，每条裂缝两侧布设2～3组观测标志，至少裂缝最宽处和裂缝末端各布设一组。每组标志由裂缝两侧各一个标志组成。
采用游标卡尺量出标志间距离求得裂缝变位值，裂缝宽度数据量取至0.1mm。
5、地下水位监测
所布测点要能掌握全线在地铁开挖期间地下水位变化情况。车站上测孔布设在基坑外侧靠近（构）筑物的附近，一般布设3~4组。在区间隧道的测孔沿线路两侧高大及重要建筑物前布设。
地下水位观测井结构采用DN70PVC管，进水段加工成进水花管并外包铁丝网和纱网；观测井成井直径为130mm，孔壁与进水管之间填充园砾，地面以下1米用粘土填实；井口采用砖砌围护并加盖上锁。
水位观测采用水位计，施工前连续观测三次自然水位作为地下水位的初始值。
从水准基点出发，测量水位测井管顶端标高，然后用水位计量取井管顶到地下水面的深度，从而求得地下水位标高，比较每次标高变化即可知地下水位升降情况。
四、监测数据分析及预警
监测数据分析主要根据成果表数据来判断建（构）筑物是否处于安全稳定的状态。一般当实际变形值达到最大允许变形值的80%时，须向相关单位发出预警；当达到最大变形允许值时，应发出报警，当首次报警后，若测点以较大的速率继续下沉变形，视情况继续加大监测频率。
监测数据分析主要可以从以下几个方面进行。
①从成果表中数据判断工程安全性
每次分析数据时，首先应关注系统中出现超警戒值的测点，其次应关注本期变化量与变形速率较大的点。正常情况下，基坑中累计变形量小于24mm，变形速率小于1mm/d。
②从变形速率曲线图和累计变化量曲线图上判断工程安全性
变形速率：指单位时间内的变化量。变形速率的理想状态是速率为零，但由于受施工的各种因素影响，变形速率一般不为零。当变形速率趋势呈现趋于零（即平衡位置）时，监测点的状态较好，变形速率曲线图连续出现稳定、增大的情况时，应及时分析原因，并上报地铁建设各方。
累计变化量：反映监测点在一个时间段内总的变化情况。总体而言，累计变化量值较小，监测点状态较好。累计变化量达到一定值（一般是警戒值）后，应结合变形速率曲线图分析工程的变化情况，查找引起变形的原因。
③变形速率曲线图和累计变化量曲线图突点分析
由于外界因素的对工程的影响，在变形速率曲线图和累计变化曲线图上经常会出现一些突变点。对于突变点产生的原因一般有以下几种：一是测量错误，可以通过复测手段来检验；二是工程施工中一些特殊原因引起，比如重型机械，局部降水，可以根据监测时间与施工状况分析原因；三是工程安全出现险情的前兆。对于前两种情况，连续监测时会呈现稳定状态或减小的趋势，第三种情况监测数据会连续增大，甚至加剧，此时应立即采取措施。
④结合工程地质情况与监测数据分析工程安全性
总体而言，围护桩、连续墙的变化情况与桩墙体入岩深度有直接关系，当桩体入岩深度较深，岩层状况较好时，桩体的底部段（岩层段）的变化情况一般较小，整个桩体的变形情况与土体开挖、支护结构的施工情况是紧密相联的，从变形曲线图上也能看出各支护结构的受力情况。当桩体入岩深度较浅，甚至未入岩时，桩墙体变形曲线图一般较明显，基点选择不当，会出现与工程施工不符的曲线图形（往往是测斜曲线图出现踢脚现象），当曲线图与施工工况严重不符时应分析工程施工是否有异常情况以及监测方法的合理性。
⑤各监测项目综合分析判断工程安全性
工程施工中出现险情一般有：周边建筑物不均匀沉降与上浮、连续墙体出现明显渗漏、基坑底部出现沙涌、支撑出现严重变形、桩墙体出现明显变形、基坑周边场地出现明显裂缝等。
⑥根据数理统计技术进行变形分析与预测
工程建筑物的空间特性和动态变化是变形监测和分析的主要内容。其方法是选定某些特征点，对其周期性地进行重复观测，通过数据处理，研究被监测点群的沉降、水平位移等随时间变化规律，寻找一种能够较好反映数据变化规律的函数关系，对下一阶段的监测数据进行预测，预测监测点可能出现的最大位移值或应力值，以预测建筑物和结构的安全状况，评价施工方法。
五、结束语
第三方监测数据与施工监测数据相比具有独立性，因而更具公正性与科学性。但第三方监测工作不是孤立的，这就要求监测人员应善于处理与地铁建设各方的关系，要及时从施工单位获取施工工况，并与施工监测一起布设适量的重合监测点，以便进行数据校核，与施工监测数据进行关联分析。
监测数据应及时汇报给业主、施工单位、施工监理。信息反馈通过互联网以电子邮件或专用信息系统的形式发布给相关单位，为施工管理提供科学依据。
参考文献：
（1）《地下铁道、轻轨交通工程测量规范》GB50308-1999；
（2）《建筑变形测量规程》JGJ8—2007；
（3）《工程测量规范》GB50026-2007；
（4）《城市地下水动态观测规程》CJJ/76-98；
（5）《变形监测数据处理》，黄声亨，尹晖，蒋征，武汉大学出版社，2003.
