城市地下空间岩土工程安全技术现状与展望-.doc

收稿日期2007-10-16 作者简介李胡生1960-,男,教授。 文章编号1671-7333200801-0001-08 城市地下空间岩土工程安全技术现状与展望 李胡生 上海应用技术学院土木建筑与安全工程学院,上海 200235 摘要 由于环境地质、尤其是环境土工的复杂性,城市地下空间开发中的岩土工程安全是工程实践中的热点问题。本文就城市地下空间岩土工程监测技术、监测资料分析及变形预测、施 工安全预警系统的技术现状进行了综述,介绍了这些方面的技术进展,对未来城市地下空间岩土工程安全技术的研究方向和发展作了展望。 关键词 地下空间;岩土工程;变形监测;变形预测;预警系统中图分类号TU 45 文献标识码A Current State and Prospects of Geotechnical Engineering Safety Technology in Urban Underground Space Development L I Hu 2sheng School of Civil Construction and Safety Engineering ,Shanghai Institute of Technology ,Shanghai 200235,China Abstract The safety of geotechnical engineering in urban underground space development is a hot problem in engineering practice because of the complexity of environmental geology ,especially environmental earth 2works.The current technical state of the monitoring techniques ,deation predicating and monitoring data analysis theory ,construction safety pre 2warning system are summarized.Some technical progresses in these areas are introduced and appraised.The future prospects of the geotechnical engineering safety tech 2nology in urban underground space development are proposed. Key words underground space ;geotechnical engineering ;deation monitoring ;deation predica 2tion ;pre 2warning system 到目前为止,已有北京、上海、重庆、南京、杭州、青岛等20多个城市编制了城市地下空间专项规划,中国已经成为世界城市地下空间开发利用的大国[1]。 城市地下空间工程具有以下显著特点1工程地质条件、尤其是水文地质条件对地下空间工程安全的影响突出;2环境地质要求较高,地上、地面、地下的矛盾特别;3环境土工条件复杂,相邻扰动显著;4支护与土岩体联合作用表现出相当独特和复杂的力学特性;5施工周期较长, 第8卷 第1期2008年3月 上海应用技术学院学报 JOURNAL OF SHAN GHAI INSTITU TE OF TECHNOLOGY Vol.8No.1 Mar.2008 季节性影响极大;6事故处理难度大,成本高。基于这些特殊性,地下空间建设产生了一系列的岩土工程安全问题[2,3],主要表现为地面沉降及塌陷、地下管线严重变形及断裂、基坑大面积变形与坍滑、邻近建筑物倾斜与开裂、巷道突水、支护失稳及工程结构物破坏、地下空间严重渗漏等[4]。上海地铁四号线工程事故给了我们惨痛的教训[5]。因此,城市地下空间开发中的岩土工程安全问题已成为重大的焦点问题。本文从变形形变监测技术、监测资料分析及变形预测模型研究、信息化施工与安全预警系统等几方面介绍地下空间工程安全的研究现状,并对该领域的研究发展方向提出展望。 1 城市地下空间岩土工程安全监测技术 纵观工程实践,就监测对象而言,城市地下空间岩土工程安全监测分为地下水监测、应力监测、变形监测。就监测内容而言,可分为支护结构体系变形监测和周围环境的监测,包括地层含水带、破碎带、溶洞或空洞、地下障碍物的探测;孔隙水压力及地下水位监测;支护结构体系内力监测;土压力监测;锚杆的锚固力监测;土层及地表变形及位移监测;地下管线及周边建筑物的变形及位移监测等[6]。就监测部位而言,包括地表、周围土层、洞壁、衬砌及衬砌内壁等。对具体工程而言,监测项目的选择根据城市地下工程的安全等级、周围环境的复杂程度和实际工作条件等因素而定。 现行的通常做法是,支护结构顶位移常用水准仪和全站仪监测,支护结构沿纵深方向倾斜常用测斜仪监测,支护结构应力可用钢筋应力计或混凝土应变计施测;周围地质环境用物探方法监测;周边地表和建筑物的变形用水准仪和经纬仪监测;锚杆锚固力监测一般采用钢弦式测力计;土压力测试用钢弦式或电阻应变式压力盒施测;土体孔隙水压力采用振弦式孔隙水压力计施测;土体纵深位移采用测斜仪监测;地下水位采用电极传感器进行监测。 总体说来,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。在监测实践中,受工程建设推动,为满足某些工程的特殊需要和提高监测效率,国内近年来引进了一些新的监测仪器设备,发展和完善了一些新的监测技术和方法,如表1。 表1 新型监测技术方法概览 监测方法分类新监测技术方法仪器设备 典型设 备产地 主要监测目标国内应用工程实例 直接几何法电水平尺系统EL2 BEAM 电水平尺和数据自动 采集器 美国精密沉降上海东方路地铁枢纽站 自动化实时三维监测 系统 全站仪、遥控终端、无线 GSM调制解调器 瑞士 地铁隧道变形 与形变 广州地铁一号线仓边路段全站仪收敛变形系统 全站仪、数据自动采集 器 上海 地下空间变形 与形变 上海地铁一号线 间接几何法固定式测斜仪测斜 传感器及数据自动采集 器 美国 地下连续墙水 平位移 上海地铁四号线修复工程巴赛特收敛系统 传感器、数据自动采集 器及数据处理器 美国 地下隧道变形 与形变 上海人民广场地铁枢纽站数字化摄影测量技术 数字摄像机、立体坐标 量测系统 日本 地下空间变形 与形变 广东某隧道工程 G eoMonitor监测系统 探头、传感器、数据控制 器 瑞士 地下空间变形 与形变 物理方法地震反射探测超前地质预报系统瑞士 施工超前异体 探测 石牙山隧道地质雷达探测地质雷达美国 施工超前异体 探测 晴隆隧道 表1所列监测技术方法与相应的专用仪器设备如影随形,得益于电子技术、通信技术、计算机技术的发展。 电水平尺是一个传感器,由美国首先推出用于测量物体倾斜,被作为机械量具使用,后来土木工程师将多个电水平尺线性串连,用来监测特定工程对象的线性不均匀沉降[7,8]。一般的电水平尺由两部分组成电解质传感器和数据自动采集 2 上海应用技术学院学报第8卷 系统。电水平尺的核心部分是一个电解质倾斜传感器,它是利用电解质来进行水平偏差即倾斜角测量的仪器,它的显著特点是测角的灵敏度很高,可达2s相当于在1m的直尺上由于两端有10μm高差形成的倾角,而且有极好的稳定性。将上述电解质倾斜传感器安装在一支空心的直尺内,就构成了电水平尺。使用时电水平尺中的电解质倾角的变化输出相应比例的电压信号,信号接到数据自动采集器上进行数据采集及储存并输送到计算机中,在计算机内按预先设定的程序将电压信号换算成倾角角度,再通过相应软件利用矢量相加的方法得到尺链范围内的实时沉降曲线。尽管电水平尺是一种分辨率高、稳定性好的传感器,但它的量程有限,成本较高,适用于变形位移较小、等级较高的特定地下工程。 隧道变形的自动实时三维监测系统[9,10]是高精度全站型经纬仪的自动化观测技术、无线数据通讯技术、计算机数据处理技术的集成,它的功能是实现全站仪的适时自动观测、观测数据的自动传输和自动处理,系统主要包括1可控制并自动搜索目标棱镜的全站型经纬仪,如徕卡TCA1800/2003;2遥控终端计算机,用于在现场控制全站仪观测,接收观测计数并进行预处理; 3无线GSM调制解调器,实现对遥控终端的控制;4业内计算机主机服务器,接收观测值并进行最后处理,将结果通过网络及时发送到用户手中。该系统从数据采集到信息发布均为自动完成,可以在较短时间间隔内迅速完成隧道监测并提交数据,是一种无人值守的自动监测系统,主要用于在地铁附近进行工程施工期间对区间地铁隧道的保护性监测。 无反射棱镜自动跟踪全站仪隧道收敛变形系统是上海地铁运营公司开发的隧道断面变形扫描仪器系统[11]。本测量系统可对单环隧道的全断面进行扫描,并通过连线与计算机相连,可即时观测到整个隧道断面的变形。该监测系统可在几分钟内完成一个断面的扫描和计算,根据精度要求可加密或减少监测点个数,并可对隧道的一些特征点或管片连接处进行两次扫描,消除或减小测量误差,提高测量精度。目前,该隧道收敛变形监测系统已经在上海地铁1、2号线隧道长期监测和工程项目监测中应用。本系统实际上是对巴赛特收敛系统为数不多的监测点进行大量的扩充。 固定式测斜仪In2place inclinometer[11,12]是相对于活动式测斜仪而言,其工作原理、计算方法与活动式类似,内部电路结构种类形式也差不多,因不必经常活动,外型作了相应的简化。将若干个测斜仪组合、上下成串地安装在同一个测孔中,各自布置在适当深度处固定不动,就形成了“固定式测斜仪”。使用过程中,各测斜仪连续工作、不间断地将测得的数据通过电缆传到测孔外,实现地下连续墙水平位移的自动监测。因此,它适用于在一些特殊要求下需对地下连续墙位移进行连续监测的情况。固定式测斜仪在信号传输上最突出的特点是采用了基于现代计算机技术的数据编码技术,使得同在同一测孔中若干个固定式测斜仪只需共用一根多芯电缆,就可将全部可多达几十个固定式测斜仪的数据传到地面。经过编码的数据在地面用数据采集器采集、存贮,并可与计算机联机,实现对特殊地层的连续监控。很显然,固定式测斜仪是活动式测斜仪的直接延展。 巴赛特收敛系统[11,13]Bassett Convergence System早期使用于矿山采矿坑道掘进的安全监测,由于一些地铁开挖与采矿坑道掘进类似,巴赛特收敛系统被延用于地铁隧道的安全监测中。巴赛特收敛系统由三大部分组成1数据量测部分,包括若干组长、短杆件互相连接的电介质EL倾角传感器;2数据采集部分,包括数据采集控制器和计算机;3数据处理部分,包括采集控制、标定、计算分析与可视化软件等。巴赛特收敛系统的一个突出优点是可在现场无人值守的情况下长期自动工作,另一特点是防潮防湿、抗电气干扰,此外,它能在烟雾条件下工作,对环境具有良好的适应能力。该系统用于测量隧道的收敛变形,要确定隧道的实际位移向量,必须与控制点资料相结合。 数字近景摄影测量随着CCD数码相机、数字影像技术、图像处理技术、计算机视觉、三维重建等数字技术发展得到迅速发展,问题的核心是对于地下空间特定的施测条件限制,数字化摄影测量技术所获得的成果是否能满足变形监测的精度要求,问题的关键是采用的站点方式、像控点的数量及其数据获取、采取何种影像匹配策略。从现有的文献看,在国外,M.Satoru和Y.Takuji在隧道收敛摄影测量观测中的三维坐标精度已经达到了全站仪的水平[14]。在国内,使用凤凰205型普通相机进行地铁隧道的收敛测量,在平均3m 的拍摄距离上,所得摄影测量结果与实际值的偏 3 第1期李胡生城市地下空间岩土工程安全技术现状与展望 差为112mm[15];使用SON Y普通数码相机、布置像控点的条件下进行的隧道断面数字近景摄影测量试验结果的精度很低[16];但是,最近文献[17]表明采用CANON高分辨率非量测全幅数码相机、使用50mm标准镜头、不在现场布设像控点、完全自由设站的条件下,在模拟隧道和现场实际硐室中进行的变形摄影测量观测试验精度达到2mm,这已接近一般全站仪的实测精度。这是一个显著的进展,标志着数字化摄影测量可以用于隧道的变形监测是可期的。 G eoMonitor监测系统[6,18,19]和SDCsolex2 perts data controller数据控制器于20世纪后期在国外开发出来,于本世纪初才被介绍到国内。瑞士Solexperts A G公司开发的用于隧道、桥梁、边坡稳定性、大坝及建筑基坑开挖监测的G e2 oMonitor系统,是一个模块化的系统。通过现场埋设各种用途的探头连续自动进行数据采集、监测和计算,而DSAV IS软件可在办公室内显示监测的现场,并通过计算机的图形查看所采集的数据,当采集的数据达到或超过设定报的警值时,报警装置自动报警,监测人员在办公室就可随时了解现场的安全动态。G eoMonitor监测系统目前在我国地下空间安全监测中的应用受到限制主要是由于传感器与系统的配套问题、成本问题等。 地震反射探测和地质雷达探测的工作原理是基于激发弹性波,在向三维空间传播的过程中,遇到阻抗界面即异体,如地质岩性变化的界面、构造破碎带、岩溶和岩溶发育带、地下基础等,会产生弹性波的反射现象,这种反射回波被检波装置接收下来,通过数据处理,从中拾取异样信息,进而判定异体的类型和尺度,达到预报的目的。从现有文献看,远距离超前探测已从地震反射探测岩性向高密度电法和瞬变电磁方法地下水扩展[20,21],近距离超前探测则多采用地质雷达。现有的文献对这类物探仪器及工程应用做了大量介绍,包括探测岩体破碎带[22]、衬砌背后回填密实度[23]、隧道壁后注浆效果[24]等。这些方法由于可“透视”地下空间开挖前方的地层情况,对处在自然地质环境和土工环境十分复杂的城市地下空间开挖安全监测具有无可替代的作用。但是,这些方法有两个关键问题困扰,一是发射的信号受工作场地环境条件如洞内机器和电线、电缆等的干扰的影响较大且这种场地环境条件变化难以剔除;二是接收数据的判释方面遇到很大的麻烦,需要靠经验才能将仪器探测得出的图形显示结果转化为对地层的准确判断。 2 安全监测资料分析及变形预测 对地下空间开挖引起的地表变形研究最早始于地下煤矿开采引起的地表移动盆地的研究,由于当时技术条件的限制,这种研究局限于对实际观测资料的分析拟合及模型试验而建立起预测地表沉降的经验公式。随着计算机的发展普及,大型的数值计算成为可能,多种基于数值分析的地下空间开挖引起的地表变形研究方法应运而生。目前城市地下空间开挖引起的地表沉降预测方法可归纳为理论计算法、实测数据分析法和实体模型试验,理论计算法包括经验公式法、数值计算法和随机介质法,实测数据分析法包括统计分析法、时序分析法、神经网络法、灰色模型法等。经验公式法预测城市地下空间开挖引起的地表变形由来已久,如Peck公式1969、Attewell公式1981、O’Reilly2New公式1982、藤田公式1982等等,其中应用最广泛的是Peck公式。Peck于1969年在墨西哥土力学及地基基础工程国际会议上首次提出了地表沉降估算的经验公式[25] SxS max exp- x2 2i2 式中x为下沉盆槽横向主剖面最大下沉点至预计点的水平距离;i为下沉盆槽主剖面半宽度; S max为最大下沉值。围绕S max的确定,国内外学者对Peck公式提出了多种改进[26,27]。用经验公式法进行变形预测时,先依据施工初期的监测数据确定待定参数,然后建立该条件下的地表变形预计公式的确定形式,为后续工程服务。用经验公式法进行变形预测的优点是它的待定参数是从工程先期实测数据获得,比较能反映工程实际,不足之处在于认为地对地层的下沉模态函数类型进行了先验假设。 数值计算法预测地表沉降,其主要途径包括有限元法、边界元法、半解析元法等,有限元法又分线弹性、非线性弹性、弹塑性、粘弹性、粘弹塑性等几种,且有二维计算和三维计算之分[2831]。近来,于宁等[29]利用有限元方法对盾构隧道工程进行了三维的变形模拟分析,计算结果与实测的数据较为吻合;张海波等[30]在全面分析土压平衡式盾构施工过程中影响周围土体变形各主要因素 4 上海应用技术学院学报第8卷 的基础上,提出一种能够综合考虑各种因素的盾构施工三维非线性有限元模拟方法,通过对一实际地铁隧道盾构施工过程的模拟,分析了盾构推进过程中隧道周围及地表处土体的位移和变形以及横断面不同深度上的沉降分布规律,计算得到的隧道纵向地面沉降分布曲线与实测数据非常接近。这些研究表明数值计算法预测地表沉降是有效可行的。但数值方法在地层移动和地表变形预测研究中的准确程度,取决于土岩体力学参数和本构关系与工程实际的符合程度,而准确确定土岩体力学参数和本构关系,尤其确定与工程实际符合度较高的弹塑性和粘弹塑性本构模型十分困难。 随机介质法预测地表变形的研究也取得了很有价值的成果[3235]。施成华等[32]将盾构法施工隧道开挖引起的地表下沉视为一随机过程,应用随机介质理论,对隧道施工所引起的纵向地表沉降进行了分析,其计算结果与上海一隧道施工的实测数据基本相符。陈秋南等[33]根据随机介质理论构建地下洞室地表非线性沉降模型,提出了基于DFP算法和改进浮点编码遗传算法的加速混合遗传算法,通过工程实例对比分析验证了加速混合遗传算法不仅能解决地下洞室地表非线性沉降模型参数确定问题,而且优化结果优于其它方法。陶德敬[34]以随机介质理论为基础,利用换元法使积分在极坐标系下进行,实现了各种断面形状、多孔隧道及大断面分部开挖隧道引起的地表沉降、倾斜、曲率、水平位移和水平变形预测。姚宁[35]根据随机介质理论推导出隧道断面收敛的计算公式,用两个工程实例验证了计算能较准确地预测隧道施工引起的地表竖向沉降。与经验公式法相似,随机介质法侧重于变形表征的研究而淡化变形的力学机理研究,但问题是地下空间结构及上覆土岩体是非均匀介质且支撑体系、结构体系、施工机械、上覆土岩体之间的力学作用机理是十分复杂的,这在一定程度上限制着随机介质法预测结果的准确性实用性。 统计分析回归分析预测法的本质是工程类比。观测资料愈丰富、质量愈高,其回归结果愈可靠。罗筱波[36]采用多元线性回归分析法建立了地面沉降和其产生的主要因素之问的回归模型,在上海浦东一顶管工程中,其预测的沉降结果与实测数据吻合较好。朱海国[37]提出了改进的回归方法,首先使用实测数据曲线拟合法获得变形量的初步拟合值,并计算出其与实测数据的差值,然后再使用自回归模型来拟合这些相对平稳的差值,最后取曲线拟合值与自回归值之和作为最终的拟合值。由此可见,通过适当的策略[38],统计分析法完全有可能模拟出与实测资料高度吻合的数学模型,应用于后续工程的地表变形预测。但是,一方面,大量观测资料的收集、尤其是同类工程观测资料的收集是十分困难的事;另一方面,在回归分析中考虑哪些影响因子、用何种函数表达式有时只是一种推测,而且某些影响因子具有不可测性。这就使得回归分析法在某些情况下的使用受到限制。地层的沉降是一个过程,与此相应的变形监测数据也构成一个时间序列。因此,可采用基于实测数据的时间序列分析理论与方法来分析、预测地层的沉降规律。时红莲等[39]通过现场量测的深基坑围护结构变形信息资料,利用时间序列分析法对支护结构的变形作出预测,取得了成功。准确地合理确定模型的阶次和估计模型的参数是时序预测成功的关键。 对于小数据量的时间序列,可采用灰色系统理论建模,通过对原始数据列采用累加生成法变成生成数列,以减弱随机性,增加规律性。潘国荣[40]利用ARq和顾及临近点变形因素项的动态模型CARq对上海地铁盾构隧道地表和隧道内沉降进行了分析和预测,但模型较为简单,预测精度有待进一步提高.闰雪莲等[41]采用GM 1,1模型预测基坑支护变形,通过选取恰当的原始数据序列,并进行残差修正,得到了精度较高的预测结果。 王穗辉[42]利用上海地铁隧道上方地表的实测变形数据序列,用神经网络方法,采用变步长的B-P网络算法,对上海地铁2号线盾构推进中隧道上方的地表变形作了趋势预报。李志农[43]使用12个深基坑工程实际数据对神经网络进行训练,并对4个实际工程数据进行计算,结果是神经网络模型计算得出的深基坑变形预测值与实测值最大误差约为12。由此可知,用神经网络法预测地下空间开挖引起的地表变形具有一定的可行性。但目前神经网络隐含层的层数和单元数的选择尚无理论上的指导,网络往往存在很大的冗余性,对一些复杂的问题,网络训练时间较长,预测结果精度不高,因此智能神经网络预测模型需进一步研究[44]。 关于相似模型试验,由于成本高,可重复性 5 第1期李胡生城市地下空间岩土工程安全技术现状与展望 6 上海应用技术学院学报 第8卷 差 ,除矿山和重大工程外 ,单纯为预测地表沉降而 进行的实体相似模型试验已很少采用[ 45 ] 。 尽管己研究了许多预测模型和方法 , 但因各 地区地基种类繁多 , 施工方法 、 施工状态千差万 别 ,可以说目前尚未研究出能考虑所有影响因素 的地层沉降预测方法 。实际工作中应采用多种预 测方法相互验证 ,找出共同点 ,以防偏颇 。 值建立同类地区的神经网络预测位移的方法 , 与 规范规定的变形位移技术指标和警戒值进行比 较 ,以得到预警的目的 。贺勇 [ 50 ] 提出了基坑工程 安全预警的一些量化指标 。张小平等[ 51 ] 分析了 南京地区建筑基坑失稳的原因 , 研究了失稳基坑 监测的变形曲线特征 , 提出了南京地区建筑基坑 预警系统中的技术指标及报警值 。杜年春[ 52 ] 完 整地完成了地铁施工监测数据管理及安全预警信 息系统设计 ,该系统采用回归分析法预测地表变 形 ,达到了适用化程度 。东南大学李维滨副教授 多年系统从事了城市深基坑工程施工预警系统研 究 [ 53～55 ] ,文献 [ 53 ] 提出了采用系统工程中过程 控制的概念建立深基坑过程控制和预警系统进行 深基坑事故的预防和处理 , 文献 [ 54 ] 提出了采用 反演理论的概念建立深基坑工程预警系统进行深 基坑事故的预防和处理并建立了基于反演理论的 深基坑工程预警系统流程 , 文献 [ 55 ] 提出了从信 息化施工及风险管理的角度建立深基坑工程预警 系统 ,对深基坑工程施工预警系统的建立 、 预警指 标的确定 、 预测方法的选择等进行了理论和实践 研究 , 分别建立了信息管理 、 评价分析 、 决策对策 三个子系统 ,达到了实用的程度 。文献 [ 56 ] 运用 随机介质理论 , 研究了地表移动模型及地表建筑 物的安全性 。 就目前的计算机技术水平而言 , 要实现预警 系统的信息化并不难 , 关键是预警指标体系及其 警戒值的确定 、 变形预测模型的建立及算法 ,这些 方面的完善还有待努力 。 3 地下空间施工安全预警系统 城市地下空间施工安全预警系统是信息化施 工要求的产物 。信息化施工的基本思想是系统优 化 ,其核心是监测和预测 ,其目标是用监测技术确 保工程实施安全 、 用监测资料检验修正设计所采 取的各种假设和参数的正确性 、 通过分析预测确 保支护结构的安全和指导施工 。具体做法是用前 一施工阶段所监测的岩土工程变形等行为表现资 料 ,与原设计 包括维护结构设计和施工组织设 计 所预测的岩土工程变形等行为性状进行对比 分析 、 找出差异 , 对原设计作出评价 、 判断其合理 性 ;同时依据所测资料通过反分析方法计算和修 正岩土力学参数 , 在此基础上重新预测下一施工 阶段的岩土工程行为性状 , 合理地修改下一施工 阶段的施工组织设计 ; 从而为施工期间进行设计 优化和合理组织施工提供指引 , 对后续施工方案 及施工步骤提出建议 , 对施工过程中可能出现的 险情进行及时预报 。基于上述信息化施工的基本 思路 , 随着计算机技术 、 通信技术 、 网络技术的发 展和普及 ,城市地下空间施工安全预警系统应运 而生 。 从现有文献看 , 城市地下空间施工安全预警 系统的研究分为变形预测模型 、 预警系统指标体 系、 预警指标警戒值 、 预警系统的结构与实现等方 [ 46 ] 面 。李宏义 提出了一个概念 ,即利用建立的变 形灰色预测 GM 1 ,1 模型 、 变形速率灰色预测 Verhulst 模型 ,预测建筑基坑地表的变形量和变 4 发展与展望 对于未来的城市地下空间岩土工程安全研究 方向和发展 ,笔者认为以下几方面将值得关注和 期待 。 4. 1 城市地下空间建设和运营期岩土工程安全 形速率 ,通过变形量 、 变形速率与警戒值的比较来 [ 47 ] 实现预警 。张冬晓 按照与李宏义相似的观点 , 用 Fort ran 语言编程实现了基于 GM 1 ,1 模型的 地表变形预测 。胡友健[ 48 ] 基于实测资料 , 利用 GM 1 , 1 模型预测位移 , 建立了由数据输入管 理、 图形绘制管理 、 位移沉降灰色预测 、 极限状态 判别等四大模块组成的完整预警系统并在计算机 上实现 。李惠强 [ 49 ] 尝试基于已有地区实测位移 监测一体化要求的新技术 、 、 方法 设备 城市地下空间工程的建设一般都由政府主 导 ,由于管理体制的原因 ,当前大多数城市地下空 间的建设和运营是由不同单位管理 , 不同时期的 岩土工程安全监测由不同的单位投资 , 以满足即 时的工程安全需要 , 施工阶段岩土工程安全监测 设计没有考虑运营阶段岩土工程安全监测的需 求 ,其直接的后果是施工阶段监测所使用的技术 手段 、 仪器设备以简单易行 、 成本低廉为原则 , 这 http// 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. 1期 第 李胡生 城市地下空间岩土工程安全技术现状与展望 7 就在很大程度上限制了新技术 、 新方法 、 新设备在 地下空间施工期安全监测实践中的开发和应用 。 随着社会对公共安全的重视 , 城市地下空间运营 期的预测预警系统已开始推广实施 , 地下空间建 设和运营期岩土工程安全监测一体化是必然趋 势 , 为满足这种一体化的需要 , 要求具有耐久性 好、 抗干扰性能优良 、 能在恶劣环境下正常运行 、 自动化程度高的仪器设备和系统 , 以及基于这些 仪器设备和系统的新的监测技术和方法 。 4. 2 城市地下空间岩土工程安全预测预警系统 理论 预测预警系统中 , 除了为城市地下空间进行 “体检” 的监测技术 、 方法 、 设备外 , 预警系统理论 和模型是重点问题 ,其中监测海量数据的处理 、 指 标体系的建立 、 定性指标与定量指标的耦合等则 是问题的关键 。这些关键问题将可能成为城市地 下空间岩土工程安全研究的热点之一 。 4. 3 一些相关领域的技术将更深入地被引入城 市地下空间岩土工程安全的研究 数值分析及计算技术的研究成果会被直接应 用于地表变形预测 ; 诸如声探测技术 、 红外线检测 技术 、 激光技术 、 测量机器人 、 电磁物探等一些新 的检测技术和手段将会被引用和完善 ; 各种新的 通信技术和手段 如光纤通信 、 无线传输 、 互联网 技术 、 工业自动控制技术会被恰当的应用 ; 一些高 精度 、 高灵敏度的新型传感器和自动化设备会为 获得稳定 、 、 、 可靠 耐久 经济的监测数据提供可能 。 4. 4 一些新引入的理论方法将会得到进一步完 善而达到适用化 灰色理论 、 系统理论 、 模糊理论 、 神经网络方 法虽然在监测数据的处理和地表变形预测中的应 用已有探讨 , 但实际使用效果有待改进 。围绕这 些理论方法的完善和适用化 ,将会有更多研究 。 4. 5 相关规范修改和完善的研究 与同大坝工程一样 , 地下空间是涉及民生的 重大建设工程 。对于大坝的岩土工程安全问题 , 特别是诸如安全监测和控制的内容 , 相关设计规 范中已有明确而详细的规定 ; 但由于国内城市地 下空间开发利用的历史不长 , 有关城市地下空间 设计的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 , 这显然不能满足地下空 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 、 指标体系及标准应是可以期待的 ,这一目 标的实现基于广泛深入的研究和讨论 。与此同 时 ,现行的有关岩土工程安全监测规范随着新的 监测技术 、 监测手段 、 监测设备的出现和成熟 , 也 有待讨论 、 研究而完善 。 参考文献 [1 ] 钱七虎 . 中国城市地下空间开发利用的现状评价 和前景展望 [J ] . 民防苑 ,2006 , S1 1 - 5. [ 2 ] . 城市地下工程中的环境岩土工程问题 [J ] . 许 崧 工程地质学报 ,2003 ,11 2 127 - 132. [ 3 ] 严学新 . 上海地下空间开发环境地质问题分析 [J ] . 上海地质 ,2004 ,89 1 1 - 5. [ 4 ] 李相然 . 基坑开挖中的环境岩土工程问题研究 [J ] . 中国地质灾害与防治学报 2001 ,12 2 34 - 38. [ 5 ] 肖朝昀 . 地铁修复工程中冻结法设计 [J ] . 岩土工程 学报 ,2006 ,28 S1 1716 - 1719. [ 6 ] . 城市地下空间开挖对环境的影响与试验 陈 伟 研究 [ D ] ,长沙 中南大学 ,2006. [ 7 ] 王如路 . 电子水平尺在地铁监护工程中的应用 [J ] . 地下工程与隧道 ,2003 ,52 2 30 - 32. [ 8 ] 肖晓春 . 地下空间开发中变形监测的新技术 [J ] . 现 代隧道技术 ,2007 ,44 1 46 - 51. [ 9 ] Tan T. S. and Chua K. G. Development an Opera2 [ 10 ] 郑宜枫 ,周拥军 . 运营中地铁隧道受紧邻基坑开挖 [ 11 ] 王如路 ,刘建航 . 上海地铁监护实践 [J ] . 地下工程 [ 12 ] 岩土力学专业委员会 . 岩土力学研究新进展 [ A ] . [ 13 ] . 上海地铁一 、 张 禹 二号线交汇处施工监测 [J ] . [14 ] Miura Satoru , Yamamoto Takuji. Configuration and [ A ] . Proceedings of t he SPIE[ C] ,2003. [ 15 ] ,朱永全 . 隧道变形的近景摄影测量精度的 马 莉 [ 16 ] 田爱军 . 隧道断面数字近景摄影测量系统研究开 [ 17 ] 田胜利 . 隧道及地下空间结构变形的数字化近景 [ 18 ] 李光煜 ,黄 . 岩土工程应变监测中的线法原理 粤 tional Automatic real Time Tunnel Monitoring Sys2 tem [ C ] , Proceedings of Underground Singapore 2003 ,3082315. 影响的动态监测 [ A ] . 大直径隧道与城市轨道交通 [ C] . 上海 ,2005. 工程技术 2005 上海国际隧道工程研讨会文集 与隧道 ,2004 ,53 1 27 - 32. 中国水利学会专业学术综述 第五集 [ C] ,2004. 上海地质 ,2002 ,83 3 36 - 40. Displacement Measurement Using Vision Metrology 试验研究 [J ] . 铁道建筑 ,1997 , 2 28 - 30. 发 [ D ] . 北京 北京交通大学 ,2007. 摄影 测 量 试 验 研 究 [ J ] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2006 ,25 7 1309 - 1315. 1994-2010 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. http// 8 上海应用技术学院学报 第8卷 及便 携 式 仪 器 系 列 [ J ] . 岩 石 力 学 与 工 程 学 报 , 2001 ,20 1 99 - 109. [ 19 ] 宋永祥 ,黄 . 瑞士 GeoMonitor 自动监测系统及 粤 - 134. [ 37 ] 朱海国 . 地铁变形监测中曲线拟合与自回归模型 的综合应用 [J ] . 测绘与空间地理信息 , 2006 , 29 6 89 - 91. [38 ] 叶 斌 . 变形模型的分析研究以及变形的 预 测 [ D ] . 上海 同济大学 ,2006. [ 39 ] 时红莲 . 基于时间序列的深基坑支护结构变形预 其工程应用实例 [J ] . 大坝观测与土工测试 ,1996 , 20 1 46 - 51. [ 20 ] 赵永贵 . 国内外隧道超前预报技术评析与推介 [J ] . 地球物理学进展 ,2007 ,22 4 1344 - 1352. [21 ] 黄俊革 , 王家林 , 阮百尧 . 坑道直流电阻率法超前 测 [J ] . 安全与环境工程 ,2005 ,12 2 79 - 82. [ 40 ] 潘国荣 . 地铁隧道轴线贯通测量偏差控制 、 动态变 探测研究 [J ] . 地球物理学报 ,2006 ,49 5 1529 1537. [ 22 ] 方建勤 . TSP203 型隧道超前地质预报系统及应 形分 析 及 预 报 方 法 研 究 [ D ] . 上 海 同 济 大 学 , 1999. [ 41 ] 闰雪莲 . 灰色模型在基坑支护变形预测中的有效 用 [J ] . 工程地球物理学报 ,2007 ,4 3 218 - 223. [ 23 ] 李晋平 . 地质雷达在铁路隧道工程质量检测中的 应用 [J ] . 东北水利水电 ,2004 ,22 12 7 - 8 ,20. [ 42 ] 王穗辉 ,潘国荣 . 人工神经网络在隧道地表变形预 应用 [J ] . 中国铁道科学 ,2006 ,27 2 56 - 59. [ 24 ] 黄宏伟 . 盾构隧道壁后注浆效果的雷达探测研究 [J ] . 岩土力学 ,2003 ,24 增 353 - 356. [ 25 ] Peck R B. Tunneling in Soils [ A ] . In 10t h ICSMFE [ C] . Stockholm. 1981 607 - 628. [ 26 ] Attewell P B. Engineering Contract ,Site Investigation and Surface Movements in Tunnelling Works [ A ] . In Balkema A A. Soft Ground Tun