地铁工程变形监测方法大揭秘

7.4.1 基坑围护监测

1. 围护桩(墙)顶沉降及水平位移监测

(1)测点埋设。监测点通常布设在基坑周围冠梁顶部，植入顶部带中心标记的凸形监测标志，露出冠梁砼面2㎝，并用红漆标注，作为监测点，供沉降和水平位移监测共用，两者也可分别布设。

(2)监测方法。桩顶沉降监测主要采用二等精密水准测量。基准点根据地质情况及维护结构不同设置的位置也稍有不同，一般要设在距基坑开挖深度5倍距离以外的稳定地方。

桩顶水平位移监测通常使用测角精度高于1″的全站仪，常用的主要有坐标法、视准线法、控制线偏离法、测小角法及前方交会法等，目的是通过监测点位置坐标的变化来确定某测点的位移量。

如控制线偏离法是在基坑围护结构的直角位置上布设监测基准点，在两基准点的连线方向上布置监测点。在垂直于连线方向上测量并计算出各点与连线方向的偏差值，向外为正，向内为负，作为初始值。监测开展后各期的实测值与初始值比较，即可得出冠梁上各监测点的实际水平位移。

2. 基坑围护桩(墙)挠曲监测

(1)监测目的。主要目的是通过测量围护桩(墙)的深层挠曲来判断围护结构的侧向变形情况。基坑围护桩(墙)挠曲变形的主要原因是基坑开挖后，基坑内外的水土压力要依靠围护桩(墙)和支撑体系来重新平衡，围护桩(墙)在基坑外侧水土压力作用下将产生变形。

(2)监测仪器。基坑围护桩(墙)挠曲监测的主要仪器是测斜装置，测斜装置包括测斜仪、测斜管和数字式测读仪。

(3)监测方法。沿基坑围护结构主体长边方向每20～30m，短边中部的围护桩桩身内埋设与测斜仪配套的测斜管，测斜管内有两对互成90°的导向滑槽。测斜管拼装时，应注意导槽对接，埋设时，将测斜管两端封闭并牢固绑扎在钢筋笼背土面一侧，同钢筋笼一同放入成孔内，灌注混凝土。测斜管长应为桩长加冠梁高，并露出冠梁10㎝。注意，在钢筋笼放入孔内砼浇注前，一定要调整好测斜管的方向，测斜管下部和上部保护盖要封好，以防止异物进入。

将测斜仪的导向轮放入测斜管导槽中，沿导槽缓慢下滑至管底时开始测读，按0.5m或1m的间隔(导线上标有刻度)测读一次，缓慢提升测斜仪，直至测斜管顶，测定测斜仪与垂直线之间的倾角变化，即可得出不同深度部位的水平位移。观测时使用带导轮的测斜探头，将测斜管分成n个测段，每个测段长为Li，在某一深度位置上测得两对导轮之间的倾角θi，通过计算可得到这一区段的变化Δi，计算公式为

Δi=Lisinθi　(7.1)

某一深度的水平变位值δi可通过区段变位Δi累计得出。设初次测量的变位结果为) ，则在进行第j次测量时，所得的某一深度上相对前一次测量时的位移值Δxi，即为

相对初次测量时总的位移值s为

3. 围护桩(墙)内力监测

(1)监测目的。主要目的是通过监测基坑围护桩(墙)内受力钢筋的应力或应变，从而计算基坑围护桩(墙)的内部应力。

(2)监测仪器。钢筋应力一般通过钢筋应力传感器(简称钢筋计)来测定。目前工程上应用较多的钢筋计有钢弦式和电阻应变式两种，接收仪器分别使用频率仪和电阻应变仪。

(3)监测方法。采用钢筋混凝土材料砌筑的围护结构，其围护桩内力监测方法通常是埋设钢筋计。钢弦式钢筋计通常与构件受力主筋轴心串联焊接，由频率计算的是钢筋的应力值。电阻式应变计是与主筋平行绑扎或点焊在箍筋上，应变仪测得是混凝土内部该点的应变。

钢筋计在安装时应注意尽可能使其处于不受力的状态，特别是不应使其处于受弯状态下。然后将导线逐段捆扎在邻近的钢筋上，引到地面的测试盒中。支护结构浇筑混凝土后，检查电路电阻值和绝缘情况，做好引出线和测试盒中的保护措施。

钢筋计应在钢筋笼的迎土面和背土面对称安置，高度通常应在第二道钢支撑的位置。钢筋应变仪尽可能和测斜管埋设在同一个桩上。在开挖基坑前应有2～3次应力传感器的稳定测量值，作为计算应力变化的初始值，然后依照设计的监测频率进行数据采集、处理、备案并进行汇总分析。

4. 钢支撑结构水平轴力监测

(1)监测目的。主要目的是为了监测水平支撑结构的轴向压力，掌握其设计轴力与实际受力情况的差异，防止围护体的失稳破坏。

(2)监测仪器。水平支撑轴力监测常用仪器有轴力计和表面应变计。钢支撑结构目前常用的是钢管支撑和H形钢支撑结构。

(3)监测方法。水平支撑轴力监测通常采用轴力计在端部直接量测支撑轴力，或采用表面应变计间接测量和计算支撑轴力。根据钢支撑的设计预加力选择轴力计的型号，安装前要记录轴力计的编号和相对应的初始值，轴力计安放在钢支撑端部活接头与钢围檩之间，安装时注意轴力计与活接头的接触面要垂直密贴，在加载到设计预加力后马上记录轴力计的数值，依照设计要求进行监测。

5. 锚索(杆)轴力及拉拔力监测

(1)监测目的。主要目的是掌握锚索(杆)实际工作状态，监测锚索(杆)预应力的形成和变化，掌握锚杆的施工质量是否达到了设计的要求。同时了解锚索(杆)轴力及其分布状态，再配合以岩体内位移的量测结果，就可以较为准确地设计锚杆长度和根数，还可以掌握岩体内应力重新分布的过程。

(2)监测仪器。主要监测工具包括锚杆拉拔仪和锚杆测力计。锚杆轴力计主要有机械式、应力式和电阻应变式等几种形式。

(3)监测方法。锚杆拉拔力监测是破坏性检测，是采用锚杆拉拔仪拉拔待测锚杆，通过测力计监测拉力。具体过程如下:

①观测锚杆张拉前，将测力计安装在孔口垫板上，使用带专用传力板的传力计，先将传力板装在孔口垫板上，使测力计或传力板与孔轴垂直，偏斜应小于0.5°，偏心应不大于5mm;

②安装张拉机具和锚具，同时对测力计的位置进行校验，合格后开始预紧和张拉;

③观测锚杆应在与其有影响的其他工作位置进行张拉加荷，张拉程序一般应与工作锚杆的张拉程序相同，有特殊需要时，可另行设计张拉程序;

④测力计安装就位后，加荷张拉前，应准确测得应力初始值和环境温度; 反复测读，三次数据差小于1%(F.s)，取其平均值作为观测初始值;

⑤初始值确定之后，分级加荷张拉观测，一般每次加荷测读一次，最后一级荷载进行稳定观测，以5分钟测一次，连续三次，读数差小于1%(F.s)为稳定。张拉荷载稳定后，应及时测读锁定荷载。张拉结束之后，根据荷载变化速率确定观测时间间隔，进行锁定之后的稳定观测。

7.4.2 土体介质监测

1. 地表沉降监测

(1)监测目的。地表沉降监测主要目的是监测基坑及隧道施工引起的地表沉降情况。

(2)监测仪器。地表沉降监测使用的仪器主要是精密水准仪、精密水准尺等。

(3)监测方法。根据监测对象性质、允许沉降值、沉降速率、仪器设备等因素综合分析，确定监测精度，目前主要使用二等精密水准测量方法。根据基准点的高程，按照监测方案规定的监测频率，用精密水准仪测量并计算每次观测的监测点高程。水准路线通常选择闭合水准路线，对高差闭合差应进行平差处理。目前大部分使用精密电子水准仪，仪器自带的软件可进行观测结果的数据提取和平差计算。

(4)基准点埋设要求。在远离地表沉降区域沿地铁隧道方向布设沉降监测基准点，通常要求不少于3个，基准点应在沉降监测开始前埋设，待其稳定后开始首期联测，在整个沉降观测过程中要求定期联测，检查其是否有沉降，以保证沉降监测结果的正确性。水准基点的埋设要求受外界影响小、不易扰动或受振动影响、通视良好。基准点的规格要求见第3章。

(5)监测点埋设要求。对地表沉降的监测需布设纵剖面监测点和横剖面监测点。纵剖面(即掘进轴线方向)监测点的布设通常需要保证盾构顶部始终有监测点在监测，所以点间距应小于盾构长度，通常为3～5m。横剖面(即垂直于掘进轴线方向)监测点从中心向两侧按2～5m间距布设，布设范围为盾构外径的2～3倍，横断面间距为20～30m。横断面监测点主要用来监测盾构施工引起的横向沉降槽的变化。

地表沉降监测点如图7.1所示，通常用钻机在地表打入监测点，使钢筋与土体结为整体。为避免车辆对测点的破坏，打入的钢筋要低于路面5～10cm，并于测点外侧设置保护管，且上面覆盖盖板保护测点，如图7.2所示。

图7.1 地表沉降测点示意图

图7.2 地表沉降监测标志

2. 基底回弹监测

(1)监测目的。基坑回弹监测也叫做基坑底部隆起监测，其目的是通过监测基坑底部土体隆起回弹情况，判断基坑内外土体压力差和基坑稳定性。

(2)监测仪器。基底回弹监测常用的仪器包括回弹监测标和深层沉降标。深层沉降标监测装置分两部分: 一是埋入地下的部分，由沉降导管、底盖、沉降磁环组成，通过钻孔埋设在土层中; 二是地面接收仪，即钢尺沉降仪，由探头、测量电缆、接收系统和绕线盘等组成。

(3)监测方法。首先钻孔至基底设计标高以下200mm，钻孔时，将回弹监测标旋入钻杆下端的螺旋，并将回弹标底部压入孔底土中，然后旋开钻杆，使其与回弹标脱离，提升钻杆后放入辅助测杆，再使用精密水准仪测定露于地表外的辅助钻杆顶部标高，然后取出辅助测杆，向空中填入500mm的白灰，然后用素土回弹，等基坑开挖至设计标高后再进行观测，以确定基底回弹量，通常在浇筑基础筏板之前再观测一次。

3. 土体分层沉降及水平位移监测

(1)监测目的。土体分层沉降及水平位移监测的目的是监测基坑围护结构周围不同深度处土层内监测点的沉降和水平位移情况，从而判断基坑周边土体稳定性。

(1)监测仪器。土体分层沉降及水平位移监测的仪器包括分层沉降仪、测斜仪及杆式多点位移计。

(2)监测方法。土体分层沉降监测装置包括导管、磁环和分层沉降仪，首先钻孔并埋设导管，钻孔深度应大于基坑底的标高。在整个导管内按固定间距(1～2m)布设磁环，然后测定导管不同深度处磁环的初始标高值，初始值为基坑开挖之前连续三次测量无明显差异读数的平均值。监测过程中将每次测定各磁环的标高与初始值比较，即可确定各个位置的沉降量。

土体深层水平位移监测装置包括测斜管、测斜仪等。首先钻孔，并将测斜管封好底盖后逐节组装放入钻孔内，直到放到预定的标高为止，测斜管必须与周围土体紧密相连。然后将测斜管与钻孔之间空隙回填，测量测斜管导槽方位、管口坐标及高程并记录。监测过程中将每次测定的位移值与初始值比较即可确定位移量。

4. 土压力监测

(1)监测目的。土压力监测是为了监测围护结构、底板及周围土体界面上的受力情况，同时判断基坑的稳定性。

(2)监测仪器。土压力监测通常采用土压力传感器(即土压力盒)，常用的土压力盒有电阻式和钢弦式两种。

(3)监测方法。土压力盒埋设方式有挂布法、弹入法及钻孔法等几种。土压力盒的工作原理是: 土压力使钢弦应力发生变化，钢弦振动频率的平方与钢弦应力成正比，因而钢弦的自振频率发生变化，利用钢弦频率仪中的激励装置使钢弦起振，并接收其振荡频率，根据受力前后钢弦振动频率的变化，并通过预先标定的传感器压力与振动频率的标定曲线，就可换算出所测定的土压力值。车站明挖段土压力盒安装在初期支护外侧，土体开挖后利用钢筋支架将土压力盒贴壁固定在待测位置，直接喷射支护层混凝土即可。

5. 孔隙水压力监测

(1)监测目的。孔隙水压力监测的目的是通过监测饱和软黏土受载后产生的孔隙水压力的增高或降低，从而判断基坑周边的土体运动状态。

(2)监测仪器。孔隙水压力监测的设备是孔隙水压力计及相应的接收仪。孔隙水压力计分为钢弦式、电阻式和气动式三种类型。钢弦式、电阻式孔隙水压力与同类型土压力盒的工作原理类似，只是金属壳体外部有透水石，测得的只有孔隙水压力，而把土颗粒的压力挡在透水石之外。气动式孔隙水压力探头工作原理是: 加大探头内的气压，使之与土层孔隙水压力平衡，通过监测所需平衡气压的大小来确定上层孔隙水压力的量值。

(3)监测方法。孔隙水压力计的埋设方法有钻孔埋设法和压入法两种。孔隙水压力探头通常采用钻孔埋设，钻孔后先在孔底填入部分干净的砂，然后将探头放入，再在探头周围填砂，最后采用膨胀性黏土或干燥黏土将钻孔上部封好，使得探头测得的是该标高土层的孔隙水压力。埋设孔降水压力探头的技术关键首先是保证探头周围填砂渗水顺畅，其次是阻止钻孔上部水向下渗流。

7.4.3 周围环境监测

1. 邻近建筑物变形监测

地铁施工邻近建筑物变形监测主要包括建筑物沉降监测、倾斜监测和裂缝监测等，具体方法在第6章中有详细叙述，在此不再详述。

(1)邻近建筑物沉降监测。建筑物的沉降监测采用精密水准仪按二等水准的精度进行量测，具体方法见第6章。沉降监测时应充分考虑施工的影响，避免在空压机、搅拌机等振动影响范围之内设站观测。观测时标尺成像清晰，避免视线穿过玻璃、烟雾和热源上空。建筑物沉降测点应布置在墙角、柱身上(特别是代表独立基础及条形基础差异沉降的柱身)，测点间距的确定要尽可能反映建筑物各部分的不均匀沉降。如图7.3和图7.4所示，对沉降观测点的埋设，若建筑物是砌体或钢筋混凝土结构，可布设墙(柱)上沉降监测点; 若建筑物是钢结构，则可直接将测点标志焊接在建筑物的相应位置即可。

图7.3 建筑物墙上沉降监测标志示意图

图7.4 建筑物墙上沉降监测标志

(2)邻近建筑物倾斜监测。测定建筑物倾斜的方法有两类，一类是直接测定建筑物的倾斜，另一类是间接通过测量建筑物基础的相对沉降来换算建筑物的倾斜，后者是把整个建筑物当成一个刚体来看待的。

(3)邻近建筑物裂缝监测。首先了解建筑物的设计、施工、使用情况及沉降观测资料以及工程施工对建筑物可能造成的影响; 记录建筑物已有裂缝的分布位置和数量，测定其走向、长度、宽度及深度; 分析裂缝的形成原因，判别裂缝的发展趋势，选择主要裂缝作为观测对象。

2. 地下水位监测

(1)监测目的。地下水位监测就是为了预报由于地铁基坑及隧道施工引起地下水位不正常下降而导致的地层沉陷，避免安全事故的发生。

(2)监测仪器。地下水位监测的主要仪器为电测水位计、PVC塑料管。

(3)监测方法。水位观测孔的埋设包括钻机成孔、井管加工、井管放置、回填砾料、洗井等内容。电测水位计的工作原理是: 水为导体，当测头接触到地下水时，报警器发出报警信号，此时读取与测头连接的标尺刻度，此读数为水位与固定测点的垂直距离，再通过固定测点的标高及与地面的相对位置换算成从地面算起的水位标高。

3. 地下管线监测

(1)监测目的。地下管线监测主要是掌握地铁施工对沿线地下管线的影响情况。

(2)监测仪器。地下管线的监测内容包括垂直沉降和水平位移两部分。

(3)监测方法。首先应对管线状况进行充分调查，包括管线埋置深度和埋设年代、管线种类、电压、管线接头形式、管线走向及与基坑的相对位置、管线的基础形式、地基处理情况、管线所处场地的工程地质情况、管线所在道路的地面交通状况。然后采用如下几种监测方法: 管线位移采用全站仪极坐标测量的方法，量测管线测点的水平位移; 管线沉降采用精密水准仪按二等水准测量的方法，测量管线测点的垂直位移，测量时应注意使用的基点应布置在施工影响范围以外稳定的地面上; 管线裂缝使用裂缝观测仪对裂缝进行观测。

管线通常都在城市道路下，不可能采用直接埋设的方式在管顶埋设测点，于是可采用在管线外露部分设直接测点，其余通过从地面钻孔，埋入至管顶的钢筋的方式埋设测点。埋入管顶的钢筋与管顶接触的部分用砂浆粘合，并用钢管将钢筋套住，以使钢筋在随管线变形时不受相邻土层的影响。套筒式布点如图7.5所示。

7.4.4 隧道变形监测

为了及时了解隧道周边围岩的变化情况，在隧道施工过程中要进行隧道周边位移量的监测，主要包括断面收敛监测、拱顶下沉监测、底板隆起监测等。

1. 断面收敛监测

(1)监测目的。断面净空收敛监测主要是为了掌握隧道施工过程中断面上的尺寸变化情况，进而掌握隧道整体变形情况。

(2)监测仪器。断面净空收敛监测主要采用收敛计进行，收敛计如图7.6所示。

(3)监测方法。量测时，在量测收敛断面上设置两个固定标点，而后把收敛计两端与之相连，即可正确地测出两标点间的距离及其变化，每次连续重复测读三次读数，取得平均值作为本次读数。收敛计的量测原理是用机械的方法监测两测点间的相对位移，将其转换为百分表的两次读数差值。用弹簧秤给钢卷尺以恒定的张力; 同时也牵动与钢卷尺相连的滑动管，通过其上的量程杆，推动百分表芯杆，使百分表产生读数，不同时刻所测得的百分表读数差值，即为两点间的相对位移数据。

图7.5 地下管线套筒式监测点示意图

断面收敛监测点与拱顶下沉测点布置在同一断面上，每断面布设2～3条测线，埋设时保持水平。将圆钢弯成等边三角形，然后将一条边双面焊接于螺纹钢上，最后焊到安装好的格栅上，初喷后钩子露出砼面，用油漆做好标记，作为洞内收敛的监测点。如图7.7所示。

图7.6 收敛计

图7.7 洞内收敛测点预埋件布设图

2. 拱顶下沉监测

(1)监测目的。主要目的是掌握隧道顶板在上部空间土体重力作用下引起的沉降。

(2)监测仪器。拱顶下沉监测主要采用精密水准仪和精密水准尺。

(3)监测方法。采用精密水准仪按二等水准测量的方法，将经过校核的挂钩钢尺悬挂在拱顶测点上，测量拱顶测点的垂直位移。一般一个隧洞采用一个独立的高程系统，基准点不少于两个，一个用做日常监测，一个用做不定期校核。通过对监测点相对于基点位移变化测定拱顶位移的变化量。沉降计算方法如下:

上次相对基准点差值=上次后视－上次前视

本次相对基准点差值=本次后视－本次前视

本次沉降值=上次差值－本次差值

累积沉降值=上次累积沉降+本次沉降

3. 底板隆起监测

(1)监测目的: 主要是监测隧道开挖后在周围土压力作用引起底板的隆起变形。

(2)监测仪器: 主要采用精密水准仪和精密水准尺。

(3)监测方法: 监测点通常布设在隧道轴线上，通常与拱顶下沉监测点对应布设，为了防止监测点被破坏，通常需要用护盖将点标志盖住。底板隆起监测水准基点可与拱顶下沉监测基准点共用，方法也和拱顶沉降监测类似，用精密水准测量的方法测定基准点和监测点间的高差变化，以确定隆起量。底板隆起监测通常是和断面收敛监测、拱顶沉降监测同时进行的，即可根据观测结果判断断面收敛情况。

4. 围岩内部位移监测

(1)监测目的。围岩内部位移监测的目的是测量隧道内部监测点位移，从而分析隧道松弛范围，掌握隧道的稳定状态。

(2)监测仪器。围岩内部位移监测的仪器主要有单点位移计和多点位移计等。位移计的原理及使用方法见第2章。

(3)监测方法。将位移计的端部固定于钻孔底部的一根锚杆上，位移计安装在钻孔中，锚杆体可用钢筋制作，锚固端用楔子与钻孔壁楔紧，自由端装有测头，可自由伸缩，测头平整光滑。定位器固定于钻孔口的外壳上，测量时将测环插入定位器，测环和定位器都有刻痕，插入测量时将两者的刻痕对准，测环上安装有百分表、千分表或深度测微计以测取读数。单点位移计安装可紧跟爆破开挖面进行。

5. 结构内力监测

(1)监测目的: 是为了解隧道结构在不同阶段的实际受力状态和变化情况，主要目的是通过将实际监测值与设计计算值相比较，验证设计方案的合理性，从而达到优化设计参数、改进设计理论的目的。

(2)监测仪器: 有钢筋计、频率计和轴力计等。

(3)监测方法: 内容包括衬砌混凝土应力、应变、钢拱架内力、二次衬砌内钢筋内力监测等内容。衬砌混凝土应力应变监测是在初期支护或二次衬砌混凝土内相关位置埋入应力计或应变计，直接测得该处混凝土内部的内力; 应力应变计安装时应注意尽可能使其处于不受力状态，特别是不应使其处于受弯状态。