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摘要：在城市規劃與建設中，為了提高空間利用率、節約地面空間，交通運輸工具、管線、隧道、倉儲設施等逐漸增加了地下建設占比。目前，地鐵、地下商場、地下車庫等已成為常見的城市設施。由于建設環境的特殊性，這種地下空間工程與巖土工程的聯系越來越緊密，對安全技術要求更高。文章概述了地下空間工程的特點，并分析了其在工程安全建設中安全監測、數據分析、變形預測和預警系統等技術的應用要點。

關鍵詞：工程安全監測；地下空間工程；巖土工程；城市建設；工程技術分析

由于地下空間工程的特殊性，如何確保巖土工程安全和順利開發地下空間，是這類工程的核心問題。在規劃與開發建設中，應加強安全監測，采用先進的安全技術，完善預警系統，全面采集并科學地分析和解讀地質數據，提高變形預測精度，努力降低施工風險，促進工程安全、穩定發展。

1城市地下空間工程核心特點

相對于常規的巖土工程，城市地下空間工程建設環境比較特殊，受地質、水文等自然因素影響較大，往往需要應對原有地下設施帶來的空間占用和規劃限制，較地面工程風險性更高、建設難度更大。地下空間工程需要協調地面與地下的空間矛盾，面對更加復雜的土木工程環境，施工過程中極易對周邊其他工程、設施等造成干擾。另外，還要進行復雜的受力運算，協調巖土體與相關支護結構的聯合影響。這類工程施工具有季節性，如避開冬季施工和降雨量較大的季節等，以減少對環境的影響，降低施工風險。由于工程量大，施工空間具有局限性，提高了工程事故的應對難度，為解決事故影響，往往要投入較高的成本。由于工程的特殊性，地下空間工程中巖土工程的安全性更應引起重視。這類工程中，容易發生地面塌陷和沉降問題，在城市地下鋪設管線等設施，極易發生受力變形或管線斷裂。各種基坑在工程施工時，可能發生變形或坍塌，影響工程推進和人員安全。由于地下空間結構變化，引起附近建筑物受力異常，從而產生開裂或建筑物傾斜。地下巷道可能發生突水情況，較危險的情況還包括重度滲漏、支護失穩和結構物變形等。既往工程中出現的地下空間事故顯示，一旦事故發生，往往會產生嚴重后果。因此，加強地下空間工程安全監測，降低施工風險，是這類工程的技術重點。

2監測技術

對巖土工程實施安全監測，不僅要監測其形狀變化、應力情況，還要監測地下水狀態。監測技術的主要應用方向是監測周圍環境、觀察水文地質變化和監測支護結構，并及時發現體系變形。在環境監測中，應注意觀察地質破碎帶，發現地下障礙物，定位地下空間存在的空洞、溶洞等不穩定結構，分析地下含水帶潛在位置及對工程的影響；監測支護結構時要著重監測土壓和土層，分析地表建筑位移或變形情況，監測錨桿使用過程中的固定應力。在監測時，可進行物理監測或幾何監測，幾何監測分為直接監測和間接監測（見表1）。

2.1物理監測

物理監測是以雷達反射和地震反射兩種核心技術對地質情況進行探測。在現有技術水平下，使用全站儀、水準儀等監測儀器對支護結構頂端進行檢測，這種監測主要針對水平方向位移在監測縱深方向變化時，如監測傾斜角度，通常使用測斜儀。應變計用于支護結構應力變化監控，也可對混凝土應力變化進行監測。使用經緯儀時，可了解建筑變形情況，使用水準儀也可獲取此類信息。可通過物理探測周圍物質變化。不同儀器在執行監測任務時技術應用方式不同，側重的數據維度也不同，使用全站儀時，可針對支護結構頂部進行監測，適用于快速檢測基坑或分析隧道整體下沉情況，可操作性強，效率較高。全站儀檢測對施工活動無顯著干擾，對環境適應性強，數據獲取精準度較高，屬于非接觸式量化監測。

2.2幾何監測

在幾何監測中有間接監測或直接監測兩種方式。在進行沉降的精密監測時，可選用電水平尺系統，該系統被廣泛應用于地鐵建設安全監測，可實現實時動態三維監測，地鐵隧道一旦發生變形，系統即可捕捉并上報。收斂變形系統結合全站儀可有效監測地下空間形狀異常變化。在地鐵建設時，構建的監測系統中要包括通信電纜、傾斜儀和水平梁，監測基坑側面隧道，對提高隧道和地鐵運行穩定性有積極意義。采用間接幾何法進行監測時，使用的設備是固定式測斜儀，可以用來監測建筑異常傾斜情況，這一過程涉及數據采集系統的智能化參與，并以傳感器為支撐觀察連續墻在地下空間中的位移情況。數字攝影技術與巴塞特收斂儀即為應用間接幾何監測。目前常用的GK-6150基坑底部監控主要是通過傳感器對傾斜角度進行動態監測，計算角度變化，得到水平位移數據，無需人工值守，實現自動化監測。

3數據分析技術

巖土體開挖是地下空間工程施工中的一項基礎性、高頻率操作，這種開挖方式容易引起地表變形。技術人員從開采煤礦開始就對地表移動盆地問題進行了研究，由于過去受技術限制，研究范圍較窄，多用于模型試驗，分析、擬合相關觀測資料，利用以上數據總結地表沉降經驗。計算機技術對大規模數據計算提供了有力支持，利用數值分析研究地下開挖引起地表形變等技術，因此得到了發展。采用理論計算、模型試驗、數據分析等方法，可以更精準地預測地下空間開挖行為可能造成的地表沉降。理論計算可以將數值計算、經驗公式與隨機介質等相結合進行。借助于實測數據，可以結合神經網絡、統計或時序分析進行分析，也可利用灰色模型進行數據分析和變形預測，如用經驗公式作為預測變形的工具，需要綜合施工初期采集的監測數據，分析數據，確定待定參數，根據規定的條件，對變形預計公式進行形式確定，在以后的工程中即可應用此公式輔助變形預測。由于實施過程是根據前期工程實際監測數據為依據設定待定參數，因此，通過經驗公式預測相關變形情況，可保證變形預測更符合工程實際，但也存在缺陷，即對地層下沉模態進行了先驗假設。以某地下工程為例，根據實體信息計算出支護結構基礎沉降區間為（0.01619~0.01623）m，為保險起見，取值s=0.0161，該結構由18根基樁共同分擔，隧道總荷載25103.71t，經過數據分析，得出該基礎單樁荷載1389.24t，單樁抗壓剛度值約為85189.6t/m。由數值判斷支護的穩定性。

4變形預測技術

對于地表沉降的預測，可采用半解析元、邊界元或有限元等方法進行預測。在有限元預測中，又可進行技術細化，根據粘彈性、塑性或線性分為不同技術分支。上述計算既可以進行二維計算，也可以進行三維計算，如利用有限元方法對盾構隧道建設中的模型分析進行完善，構建三維模型分析變形的可能性，在此種預測中，實際測量數據與計算數據差距較小。有限元計算模式是土壓平衡盾構建設對臨近巖土體造成影響時，綜合影響因素創建三維非線性模擬變形預測。在該模式中，針對個體盾構施工進行模擬，工程施工時，隧道環境地表土體位移、橫斷面差異化沉降和巖土體變形進行綜合分析，總結沉降規律，通過計算可獲取該工程中地面縱向沉降數據，繪制沉降分布曲線，實踐證明其與真實數據十分貼近。相關研究顯示，通過數值計算進行地表變形預測存在可行性。此方法的局限性在于其預測精度必須與巖土體本構關系、力學參數一致，在計算時難以科學設定彈塑性本構模型或粘彈塑模型。變形預測也可用隨機介質法輔助預測。盾構施工隧道在進行開挖操作時會造成地表沉降，此種沉降具有隨機性，幾何隨機介質理論分析隧道施工引起的縱向地表沉降與實地勘測數據較一致。應用此方法可對地下洞室引起的地表沉降進行非線性模型構建，以DFP算法為基礎，對浮點編碼遺傳算法進行完善，得到加速混合遺傳模式計算手段，應用優化算法可解決地下洞室此類非線性沉降問題，確定輔助模型參數，還可以獲得更科學的計算數據。以極坐標系為框架，綜合換元法運算，可進行輔助隧道開挖引起的水平方向位移或變形、沉降、傾斜等預測。由該理論生成的隧道斷面收斂公式可有效計算隧道施工后地表豎向沉降。該算法與經驗公式的相似處在于：隨機介質法主要針對變形表征進行計算，而變形力學機理分析研究較少，在實際應用中，巖土體、隧道施工設備和支護結構相關體系構成復雜，用隨機介質法進行預測時，精準難以保證，實用性有限。另外，還可以進行回歸分析，在預測時，預測可靠性與數據量、數據質量密切相關，如在一個基坑工程中，共有12個基坑，結合測量數據實施神經網格訓練后，選取其中4個數據進行計算，顯示神經網格模型預測值與實際變形值的誤差≤12%，為可接受范圍，預測應用價值較高。

5安全預警技術

安全預警技術是綜合多種先進技術手段構建預警系統，根據工程實際情況和監測需要科學設定閾值。預警系統對工程制定區域和信息維度進行智能化持續性的動態監測，當環境變化數據超出預警區域值后，預警系統根據預先設定的方式發出警報。警報系統可選擇現場警報警示，也可通過手機短信、發送郵件等方式將預警信息傳輸至指定終端，提醒相關人員及時處理，減少損失，抑制事態朝著消極方向發展。隨著地下空間工程數量的增多、復雜程度的提高，對工程信息化技術支持的精度要求也在提高，同時，也需要一個更全面、更具實效性的信息系統，以輔助信息化施工，降低施工難度，提高施工效率，促進工程安全。信息化工程施工中，需要以監測預警技術為核心技術，完善管理系統，對施工數據進行監控和檢驗，保證設計的科學性，及時發現并改正定位設計和施工缺陷。前期假設數據和擬定參數是否科學需要通過信息系統進行檢驗修訂，信息系統對支護結構穩定性和科學性進行測評，以指導安全施工。施工中，要實時監測采集施工過程中巖土工程數據，重點進行變形監測，將施工設計方案中的巖土工程變形預測數據作為對照數據，分析現有變形數據是否與之一致，一旦出現明顯偏差，應立即停工并分析產生偏差的原因，重新審視原有設計的科學性，分析當前變形的長期影響。在此過程中應運用反分析法核定巖土力學參數。另外，應針對后續施工進行巖土工程預測，分析巖土體特點和工程影響，完善后續施工設計，指導施工有序進行。預測后續施工風險，提前預警，做到有效預防。這種預警技術在數據分析的基礎，結合通信、網絡和計算機等技術實施預警監測。應用預警系統監測地下空間工程時，可根據工程規模和施工難度等因素靈活構建安全預警系統。可設定預警指標，當觸發指標時發出警報。可采用變形預測模型，利用BIM和其他三維建模系統模擬構建模型，在模型中輸入工程數據模擬施工過程，發現設計中實際操作的缺陷、評價方案的可行性。利用工程模型，可對基坑、支護變形數據進行預測，對比變形速率變化及其與警戒值的差距，預測施工后地表變形情況。該模型可預測支護結構等位移，通過數據分析，結合圖形繪制技術，設定對極限狀態的識別標準，進而實現位移警報、沉降警報，以計算機和建模技術為核心技術實現預警系統建設和預警管理。城市區域多設有位移實測系統，結合其監測值構建地域性神經網絡，預測范圍內位移信息，通過與標準技術指標和警戒值的相關信息對比，可以分析變形或位移情況，從而實現預警。對于基坑工程，可根據既往同類建設數據設定量化指標，結合量化指標完善預警系統。通過對以往施工中基坑失穩的原因進行分析，技術人員總結出了基坑失穩情況呈現的數據曲線，分析變形曲線，制定了基坑失穩預警值和相關系統的技術指標。目前地鐵施工監測已具備較成熟完善的安全預警系統，支持數據監測和信息管理。技術人員通過回歸分析對地表變形情況進行預測，從而提高了預警系統的實用性。過程控制也可輔助完善基坑建設預警系統，利用該技術可以預防和控制深基坑事故的發生。以反演理論為基礎的預警系統通過事故反演進行系統控制，及時發出警報。隨機介質理念下的預警系統則是對地表移動情況構建模型，根據地表位移變化等預測建筑物安全性。應用該類技術時，應根據工程構建系統，科學選擇預測方法，合理設定預警指標。

6結語

綜上所述，地下空間工程是政府主導、多部門參與的工程類型，地下空間設施由不同的單位負責管理，工程涉及的監測信息由多家單位參與，覆蓋相關項目與地下空間建設全周期。對工程規劃、建設期間的安全信息進行綜合分析，增強工程安全管理的有效性和前瞻性，加強危險預警和風險規避，不斷提高技術水平，促進工程的順利施工，提高地下城建水平。

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作者：鄒弦 文武 單位：重慶市勘測院