淺談深基坑水平位移監(jiān)測方法——虛擬斷面法

鐘學(xué)森　阮園園

摘要：目前基坑監(jiān)測市場競爭激烈，如何在激烈的競爭中搶占一定的市場份額，需要在技術(shù)手段上有所創(chuàng)新。基坑水平位移監(jiān)測方法主要有視準(zhǔn)線法、測小角法、前方交會法、極坐標(biāo)法、反演小角法，但是上述監(jiān)測方法無法精確測量基坑水平位移變化量。文章結(jié)合廣州市深基坑工程特點(diǎn)，提出了虛擬斷面法監(jiān)測深基坑水平位移。

關(guān)鍵詞：基坑監(jiān)測；深基坑；水平位移監(jiān)測；虛擬斷面法；基坑工程 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

中圖分類號：TU196 文章編號：1009-2374（2016）25-0117-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2016.25.057

隨著我國城市化進(jìn)程的加快和建筑水平的提高，基坑工程在數(shù)量、開挖深度和使用領(lǐng)域方面得到了快速增長。在城市中，深基坑工程往往處于密集的既有建筑物、道路橋梁、地下管線、地鐵隧道或人防工程附近。在基坑開挖和施工過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系、鄰近建筑物及道路管線的安全性、穩(wěn)定性顯得尤為重要。如果處理不當(dāng)，不僅會危及基坑本身安全，而且會殃及臨近的建構(gòu)筑物、道路橋梁和各種地下設(shè)施，造成巨大損失。系統(tǒng)、全面、高精度的基坑監(jiān)測工作能給基坑工程的安全提供有力的保障。

在基坑監(jiān)測的各個監(jiān)測項(xiàng)目中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測是最直觀、最快速地反映基坑及周邊環(huán)境安全的重要手段之一。深基坑工程一般集中在城市中心區(qū)域，且是比較規(guī)則的多邊形基坑，但是基坑水平位移的計算方法五花八門，存在不合理和科學(xué)等問題。如果基坑水平位移監(jiān)測無法最接近真實(shí)反映基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)變形的情況，就會造成不能及時、準(zhǔn)確地把基坑存在的隱患和風(fēng)險反映出來。針對上述情況，研究一種能保證監(jiān)測精度要求，又科學(xué)實(shí)用的水平位移監(jiān)測的方法，為施工決策者提供及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，對基坑工程的順利進(jìn)行有著重要意義。

本課題研究的主要內(nèi)容是在比較規(guī)則的多邊形基坑中虛擬斷面法計算基坑水平位移的方法。下面分別對研究內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)論述。

1 構(gòu)建虛擬斷面法模型

1.1 點(diǎn)到直線的距離的計算公式

虛擬斷面法就是依據(jù)數(shù)學(xué)中的點(diǎn)到直線的距離的概念提出來的一種數(shù)學(xué)模型。設(shè)點(diǎn)P0（x0，y0）為已知直線l：Ax+By+C=0外一點(diǎn)，則直線外一已知點(diǎn)P0到已知直線l的距離公式為：

（1）

1.2 測量中的虛擬斷面法模型建立

假定某一規(guī)則的基坑如圖1多邊形所示。DM1、DM2為基坑轉(zhuǎn)角點(diǎn)，假定測點(diǎn)A坐標(biāo)（XA，YA）、測點(diǎn)B坐標(biāo)（XB，YB）。

以DM1和DM2兩點(diǎn)可以連成一條直線，并設(shè)這條直線為與基坑邊平行的一條斷面，我們每次監(jiān)測A、B兩點(diǎn)，并計算得到監(jiān)測點(diǎn)A和監(jiān)測點(diǎn)B的坐標(biāo)，通過求解監(jiān)測點(diǎn)A或者監(jiān)測點(diǎn)B到直線的直線距離，每次距離的矢量相加，就可得出監(jiān)測點(diǎn)A和B的水平位移變化量，由此我們稱這條平行于基坑某邊的斷面為虛擬斷面。

2 在虛擬斷面中的計算監(jiān)測點(diǎn)水平位移變化量

2.1 劃分監(jiān)測虛擬斷面

根據(jù)圖1中基坑監(jiān)測點(diǎn)分布和每邊的拐點(diǎn)情況，基坑各直線段中所設(shè)監(jiān)測點(diǎn)應(yīng)劃分為同一段面，比如A、B為DM1-DM2段面范圍，C、D、E為DM2-DM3段面范圍。DM1-DM2斷面可用以下直線方程表示：

（2）

其余各邊類似定向。

2.2 監(jiān)測點(diǎn)到虛擬斷面距離計算

在圖1中，我們可以清晰地看到每個監(jiān)測點(diǎn)落在每條斷面上的情況，故監(jiān)測點(diǎn)至每條斷面的距離都可發(fā)計算出來，如A（XA，YA）為DM1-DM2斷面上的點(diǎn)，則A至定線距離為：

（3）

2.3 監(jiān)測點(diǎn)位移變化方向正負(fù)的判定

在監(jiān)測得到基坑水平位移監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)后，就可以依據(jù)式（3）計算出每次監(jiān)測點(diǎn)至斷面的距離，然后經(jīng)過矢量相加，就可得到變化量，但是“距離”在數(shù)值上是一個正值，是沒有考慮方向的問題，實(shí)踐監(jiān)測當(dāng)中，我們監(jiān)測的水平位移監(jiān)測點(diǎn)是有正負(fù)方向的，那到底如何去判定這個方向的呢？從上面的內(nèi)容可知：

虛擬段面定義要沿著基坑順時針或者逆時針排順序，如DM1-DM2、DM2-DM3……

（4）

方位角：

（5）

αDM1A、αDM1B……同理可得。

若虛擬段面沿基坑逆時針方向設(shè)置，則距離正負(fù)號判定如下：

αDM1A<αDM1DM2，表示A點(diǎn)在基坑范圍（虛擬斷面）內(nèi)，距離值為正。

αDM1A>αDM1DM2，表示A點(diǎn)在基坑范圍（虛擬斷面）外，距離值為負(fù)。

若虛擬段面沿基坑順時針方向設(shè)置，則距離正負(fù)號判定如下：

αDM1A>αDM1DM2，表示A點(diǎn)在基坑范圍（虛擬段面）內(nèi)，距離值為正。

αDM1A<αDM1DM2，表示A點(diǎn)在基坑范圍（虛擬段面）外，距離值為負(fù)。

通過比較A、A1的位移，可以得出本次的位移變化量。結(jié)果為正值表示向基坑內(nèi)位移，結(jié)果負(fù)值表示向基坑外位移，

3 水平位移中誤差的計算

點(diǎn)位中誤差，即：m=

上面僅僅是1個測回的計算方法。若采用多個測回，角度和距離精度要按照測量多個結(jié)果取平均值的方法計算，若測量了n個測回，這角度中誤差為，距離也是同樣的。

4 在internet監(jiān)測系統(tǒng)平臺的應(yīng)用

目前該虛擬斷面法已應(yīng)用于廣州市地下工程和深基坑安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)中，對基坑監(jiān)測起到省時、省力、省成本的效果。地下工程和深基坑安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)是根據(jù)廣州市建設(shè)行政主管部門提出對廣州市地下工程和深基坑實(shí)現(xiàn)實(shí)時監(jiān)控的要求，按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范，建立一個基于Internet平臺、運(yùn)用物聯(lián)網(wǎng)等相關(guān)技術(shù)的安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)。該系統(tǒng)將依托全市地下結(jié)構(gòu)及深基坑監(jiān)測機(jī)構(gòu)，整合全市相關(guān)工程的信息資源，建設(shè)集數(shù)據(jù)采集、分布式存儲、協(xié)同處理、集群化服務(wù)、智慧化監(jiān)督和高效率管理為一體的監(jiān)測預(yù)警管理平臺，對廣州市的地下工程、深基坑及其周邊建筑物、管線隱患等進(jìn)行監(jiān)控，并通過監(jiān)測數(shù)據(jù)自動進(jìn)行報警，及時以短信的形式將異常的數(shù)據(jù)分析結(jié)果發(fā)給相關(guān)建設(shè)方、安全監(jiān)督機(jī)構(gòu)及建設(shè)行政主管部門，并追蹤有關(guān)監(jiān)測報警處理情況，使監(jiān)測結(jié)果反饋更具時效性，以便及時采取相應(yīng)措施，從事后處理轉(zhuǎn)變?yōu)槭虑案深A(yù)，達(dá)到防災(zāi)減災(zāi)的目的。

5 結(jié)語

在比較規(guī)則的多邊形基坑水平位移虛擬斷面法監(jiān)測與視準(zhǔn)線法、測小角法、前方交會法、極坐標(biāo)法、反演小角等方法最大的不同在于虛擬斷面法真正實(shí)現(xiàn)了在規(guī)則的多邊形基坑中水平位移變化量的確定性、有效性及方向性，并且在實(shí)踐當(dāng)中坐標(biāo)系統(tǒng)可以任意建立，充分利用了數(shù)學(xué)中點(diǎn)到直線的距離這一基本思想。特別是應(yīng)用于“地下工程和深基坑安全監(jiān)測預(yù)警系統(tǒng)”中，該預(yù)警系統(tǒng)已于2012年3月開始使用，系統(tǒng)正式運(yùn)行至今，先后對多個基坑工程成功預(yù)警，降低工程事故發(fā)生幾率。加強(qiáng)監(jiān)測監(jiān)管、保證基坑安全方面發(fā)揮了積極的作用，取得了顯著的經(jīng)濟(jì)效益與社會效益，該系統(tǒng)達(dá)到了國內(nèi)領(lǐng)先水平。

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京：中國計劃出版社，2012.

作者簡介：鐘學(xué)森（1984-），男，廣西興業(yè)人，供職于廣州市建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心，研究方向：建筑變形監(jiān)測；阮園園（1987-），男，安徽鳳陽人，供職于廣州市建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測中心，研究方向：建筑變形監(jiān)測。

（責(zé)任編輯：小 燕）