城市轨道交通工程施工监测技术及应用研究——以苏州市轨道交通5号线土建施工项目为例

城市轨道交通工程施工监测技术及应用研究——以苏州市轨道交通5号线土建施工项目为例

皋宽海

上海河湖工程咨询有限公司     皋宽海

摘要：近年来，随着经济的迅速扩张，城市轨道交通的扩建工作也相应加速，我国已经成为全球最大的轨道交通建设市场之一。尽管如此，建筑设计的个别和普遍限制、施工管理不足及工程监测缺陷等因素使得施工质量难以得到有效的确保。本文将概述城市轨道交通工程施工监测的技术，涵盖各种监测方法，并从当前的发展现状出发，对监测过程中常见的问题进行详细分析，探索其原因，并提出针对性的管理措施和解决方案，旨在满足市民的出行需求，并促进我国城市化的健康发展。

关键词：城市轨道交通 工程监测 监测技术 案例分析

引言：

城市化的快速推进使得城市轨道交通工程成为城市建设中的关键基础设施，其施工的安全与质量是公共安全和城市形象的重要组成部分。本研究深入分析城市轨道交通工程的施工监测技术，探讨其在确保工程安全、管理工程质量及保护周边环境方面的实际效果。通过改进监测技术，本研究旨在为城市轨道交通工程提供更为高效和安全的施工管理策略，支持城市轨道交通工程的持续发展。

一、城市轨道交通工程施工监测技术概述

工程监测涉及在建筑施工阶段，通过监测设备对关键位置的控制指标进行实时监控，以确保施工过程的安全和合理性。在监测指标接近预设的控制值时，系统会发出警报，预防不规范建设行为，从而保护工作人员和公众安全，同时确保工程的合规性。根据工程技术人员的观察，常见的工程监测类型包括钢结构应力监测、大型建设项目的应力变化监测、结构完整性监测、基坑监测、大体积混凝土浇筑的温度监测、轨道与码头监测以及隧道周边岩石的位移监测等。

城市轨道交通工程的施工监测技术是实现施工安全、控制工程质量、保护周围环境的关键。监测的范围广泛，主要涉及对工程支护结构和周边土壤体的形变进行监控，以及评估周边建筑物、地下设施、道路和桥梁等对施工可能产生的影响。

二、城市轨道交通工程应用的施工监测技术

城市轨道交通工程的施工安全依靠广泛的监测数据进行支撑。这些工程通常采用包括人工检测和半自动至全自动监测技术在内的多种监测手段。

（一）人工监测手段

1.测斜仪

测斜仪主要用于监测桩体的水平位移和土体的深层水平位移。在具体应用中，例如监测围护桩的位移，操作者会将测斜管与围护桩的钢筋笼绑扎后同步放入桩中，使用滑动式测斜仪来监测桩体的变形。通过比较初始测量值与后续测量值，计算桩体的侧向位移量。尽管测斜仪在监测中非常关键，但其使用中也存在诸多挑战，如易受人为操作影响、管道易堵塞和滑槽损坏等问题，这些都可能影响监测数据的准确性和全面性。

2.水准仪、全站仪

水准仪和全站仪则主要用于监测竖向和水平位移，如桩顶点的位移、地表和周边建筑物的竖向位移、地下管线的位置变化以及隧道的形变等。使用水准仪时，技术人员通过水平视线和带刻度的水准尺来测定两点间的高差，并依据已知高程点计算未知点的高程。这种测量方式要求操作者具备较高的技能，并且对作业环境的可视度有一定要求。在监测完成后，还需要在现场进行数据的核验，以确保其有效性。而全站仪在进行水平位移测量时，通常采用极坐标法和小角度法。极坐标法是通过已知点坐标测得待测点坐标，再通过观测坐标的变化计算位移；小角度法则是通过测定一固定点到另一点的角度和距离，通过变化计算位移量。这些高精度的监测工具为工程的安全与精确性提供了保障。

3.钢筋计、应变计、轴力计

在监测混凝土支撑结构的内力时，通常采用安装钢筋计或应变计的方法。在具体操作中，需在支撑的钢筋笼内部或表面截断监测点位的钢筋并将其与钢筋计焊接，以监测支撑的应力和变形。混凝土支撑的监测则更为直接，可以将应变计与混凝土一同浇筑，通过截面平均应力法来计算支撑的受力大小。针对钢支撑，轴力监测则通常涉及将轴力计直接安装在支撑的端部或者表面安装应变传感器，以便直接监测其轴力。然而，这些监测方法受到温度变化的影响较大，可能难以准确反映支撑轴的真实受力状态，给对支撑结构的安全性评估带来了挑战。

4.水位计

地下水位监测则主要通过在基坑或道路侧周围布置水位监测孔实现。监测人员会使用水位计来测量管内液面与管口的距离，并将此数据与基准点的高程比对，从而准确计算出水位高程。这种方法对于评估和管理地下建设项目中水位变化的影响至关重要，尤其是在涉及基础设施建设和维护的城市地区。

（二）自动化监测技术

1.静态水平仪

此仪器广泛应用于监控隧道和周边结构（如建筑和桥梁）的垂直移动。基于连通器的工作原理，连接的液体容器中的液面将自动保持在同一水平线上。通过比较不同容器中液面的高度差，可以精确计算出每个监测点的沉降量。但是，由于液体的粘性，系统内部的液体平衡需要一定时间，因此在达到平衡之前无法进行有效的测量。

2.自动测量机器人

这种设备在隧道结构形态的自动监测中扮演关键角色，它能够自动进行目标搜索、识别、跟踪、精准对焦和数据记录。通过摄像机捕捉目标影像，并通过分析目标的特征点来计算其三维坐标。然而，这种类型的测量设备对环境条件有较高要求，其测量精度受到周围环境、气候条件及计算模型的多重影响。

3.激光距离测量仪

专门用于测定平面距离和划分界限。通过发射波长一致、方向性强的激光，此设备可以高精度地进行距离测量。前提是测试环境需要满足一定条件。尽管激光测距仪具有较高的测量精度，但其价格昂贵且安装过程复杂。

4.GPS监测站

主要用于地表和建筑物的形变监测。这一技术基于卫星定位系统，通过设置合理的GPS监测网来收集、处理和分析数据。通过预设的基站进行坐标定位，随着基坑的变形，监测的GPS坐标也会相应变化，从而构建基坑位移的三维动态模型，实现工程的实时管理和预测。然而，GPS监测的精度较低，且在雷雨等恶劣天气条件下难以进行有效监测。

三、城市轨道交通工程中施工监测难题与对策

（一）城市轨道交通工程施工监测的挑战

1.文件和技术支持不足

城市轨道交通项目由于施工规模庞大，往往面临着监控质量难以有效控制的问题。缺乏由政府或地方制定的明确规范文件，使得监测报告带有较强的主观色彩。此外，监测标准的不统一导致难以确保工程质量，且传统的监测设备已不能满足当前的技术需求。

2.预警系统标准不完整

轨道交通工程的安全预警依赖于健全的预警标准。不完整的预警标准体系会使得工程目标不明确，造成建设和施工过程中的混乱。此外，缺乏统一的预警标准可能导致责任界定不清，问题发生时互相推诿。

3.监测资源不足、技术应用不充分

在城市轨道交通迅速发展的背景下，存在设计缺陷和标准不全等问题。监测环节因成本控制问题而投入不足，加上建设单位对监测技术了解不足，这些因素共同影响了工程的整体质量。

（二）城市轨道交通工程施工监测的改进策略

1.科学规划与制度保障的实施

为解决轨道交通工程监测中存在的问题，政府应出台相关管理办法和规范性文件以提供法律与制度保障。首先，政府相关部门需为轨道交通工程监测制定全面的质量标准和规范文件。其次，要在工程的每一个阶段都实施科学的监测手段，确保监测工作的全面性和准确性。最后，城市轨道交通的规划与建设应与城市的经济发展水平相匹配，避免盲目追求技术进步而忽视实际需求。

2.完善轨道交通工程的安全预警体系

首先，应系统规划轨道交通工程施工和运营过程中的安全措施，确保工程的全周期安全。其次，建立一套统一的轨道交通工程监测和预警标准，以统筹协调各方监测行为，提高监测的标准化和系统化。

3.强化监测人员的培训与技术提升

鉴于轨道交通工程的重要性，相关工作人员的专业技能和技术水平必须得到加强。首先，应加大对现场操作人员、技术检测人员及管理人员的培训力度，提高他们的专业能力。其次，积极引进和学习国际上先进的轨道交通建设技术，持续提升本国轨道交通技术的竞争力和创新能力。

四、项目案例分析

（一）项目概述

本项目为苏州市地铁5号线土建施工V-TS-02段，地处苏州市吴中区。该工程包括木渎南站和金山路站两个车站，以及连接这些车站的两段区间（上供路站至木渎南站区间、木渎南站至金山路站区间）。工程的重点在于金山路站主体及其相关结构的建设监控。

（二）监测目标

本次监控旨在保障施工期间的安全性。通过分析围护结构及地层的变化，为工程管理提供决策支持，实时监控工程的安全状况，并据此调整施工计划。监控数据对于优化工程设计至关重要，能够确保施工的安全和经济性。同时，监控有助于评估施工对周边环境的影响，并采取相应措施保护附近的建筑安全。监控结果还可以用于验证和改善支护结构的设计，提高地下建设的质量，进一步积累数据，不断优化设计方法和工程实践，从而提升地下工程领域的整体水平。

（三）监测内容

针对金山路站的施工特点，监测内容主要包括三大类：一是工程支护结构，包括基坑支护桩（墙）的变形、立柱的变形及支撑的轴力；二是周边岩土体，涉及基坑周边的岩体、土体、地下水位和地表下沉情况；三是周边环境，包括邻近建筑（构筑物）、地下管道、城市道路及其他相关设施。

（四）监测难点及应对措施

1.监测难题

金山路站的预定位置在金山路与花苑路交汇之处，沿花苑路中央布局。该站点所在的区域是一个商业繁华且交通状况复杂的区域，因此在进行地表沉降、建筑物沉降和管道沉降的监测时面临诸多挑战，尤其是精确度的保证方面。

2. 应对策略

（1）地面沉降监测

为了全面掌握基坑开挖对周边土壤的影响，计划在基坑周围设置多个地表沉降监测点。沉降监测点将按2米、5米、10米的间距从基坑围护外侧开始布设，每个剖面包含5个垂直位移监测点。附属结构的监测点也将采取类似的布设间隔。硬化地面沉降点应通过钻孔安装不少于14号的螺纹钢筋，钢筋插入原土层底部，长度不少于800毫米，确保与硬化路面分离。孔隙用细沙填充，避免使用混凝土或水泥。若遇建筑或其他障碍，可适当调整测点位置。

（2）盾构隧道监测

盾构隧道的实时监测是关键，涉及地表沉降、隧道结构变形、地层变化等多个方面。此监测帮助确保盾构施工期间隧道的稳定性和周边环境的安全。监测还包括建筑物的沉降、地下水位变化、施工参数记录、同步注浆效果及环境影响等。监测数据将用于实时分析，以预防施工对周边建筑的潜在影响，优化施工技术，减少环境干扰，并保障施工过程中的安全与质量。通过综合监测，可以及时发现问题并采取相应措施，以保证工程的顺利进行。

（3）周边地下管线监测策略

监测地下管线，如给水管和燃气管，是工程中一个重要环节，尤其是在进行基坑开挖作业时。监测点应选择在管线的关键节点、转角处以及变形可能较大的区域。监测点的平面间距建议沿管线方向设置为10米至25米，应沿管线延伸至基坑边缘以外的区域，至少覆盖3倍基坑开挖深度的范围，旨在在确保数据的全面性与成本效益之间找到平衡。

为了直接监测，可采取开挖和钻孔取土的方式，直至暴露管线顶部的接头或阀门。在这些凸出的部位，可以涂上红漆或粘贴金属标记如螺帽，作为监测点。如果地理或其他条件不允许开挖，那么可以选择间接监测方法。这包括在管线正上方地面钻取直径约120毫米的孔，破除沥青硬壳后，插入顶端磨制成凸球面的钢筋，使监测点略低于地面，避免被过往车辆压坏。

（五）项目实施心得

项目位于交通繁忙及商业密集区，带来了不少挑战。但是，通过实施固定人员、固定仪器、固定测站和固定时段的观测策略，并加强监测设备的保护措施，我们成功地保证了数据的精确和连贯性。这个经验让我深刻理解到，监测工作对于保障施工安全和工程质量至关重要。实时掌握围护结构和地层的变形情况，为施工管理提供了必要的信息，使得工程团队能够及时调整施工策略和参数，以适应现场实际情况，确保施工的安全性和经济效益。

五、结语

随着城市轨道交通工程的迅猛发展，我国城市化进程中的轨道交通项目数量日益增加，建设环境也愈加复杂。为确保工程建设的高质量完成，制定以城市轨道交通为核心的交通实施策略变得尤为重要。在可持续发展的战略视角下，城市轨道交通的布局应与城市发展规划和道路网络结构紧密相连，只有这样，才能设计出既能满足居民出行需求，又能引领城市发展方向的现代化公共交通体系。这种策略不仅有利于优化城市空间结构，还能促进环境友好型和资源节约型社会的建设，进一步推动我国城市化进程的健康发展。

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