淺談深基坑水平位移監測方法——虛擬斷面法

鐘學森　阮園園

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

關鍵詞：基坑監測；深基坑；水平位移監測；虛擬斷面法；基坑工程 文獻標識碼：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

隨著我國城市化進程的加快和建筑水平的提高，基坑工程在數量、開挖深度和使用領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，支護結構體系、鄰近建筑物及道路管線的安全性、穩定性顯得尤為重要。如果處理不當，不僅會危及基坑本身安全，而且會殃及臨近的建構筑物、道路橋梁和各種地下設施，造成巨大損失。系統、全面、高精度的基坑監測工作能給基坑工程的安全提供有力的保障。

在基坑監測的各個監測項目中，支護結構的水平位移監測是最直觀、最快速地反映基坑及周邊環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域，且是比較規則的多邊形基坑，但是基坑水平位移的計算方法五花八門，存在不合理和科學等問題。如果基坑水平位移監測無法最接近真實反映基坑支護結構變形的情況，就會造成不能及時、準確地把基坑存在的隱患和風險反映出來。針對上述情況，研究一種能保證監測精度要求，又科學實用的水平位移監測的方法，為施工決策者提供及時準確的數據，對基坑工程的順利進行有著重要意義。

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

1 構建虛擬斷面法模型

1.1 點到直線的距離的計算公式

虛擬斷面法就是依據數學中的點到直線的距離的概念提出來的一種數學模型。設點P0（x0，y0）為已知直線l：Ax+By+C=0外一點，則直線外一已知點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

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

以DM1和DM2兩點可以連成一條直線，并設這條直線為與基坑邊平行的一條斷面，我們每次監測A、B兩點，并計算得到監測點A和監測點B的坐標，通過求解監測點A或者監測點B到直線的直線距離，每次距離的矢量相加，就可得出監測點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測點水平位移變化量

2.1 劃分監測虛擬斷面

根據圖1中基坑監測點分布和每邊的拐點情況，基坑各直線段中所設監測點應劃分為同一段面，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 監測點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測點落在每條斷面上的情況，故監測點至每條斷面的距離都可發計算出來，如A（XA，YA）為DM1-DM2斷面上的點，則A至定線距離為：

（3）

2.3 監測點位移變化方向正負的判定

在監測得到基坑水平位移監測點數據后，就可以依據式（3）計算出每次監測點至斷面的距離，然后經過矢量相加，就可得到變化量，但是“距離”在數值上是一個正值，是沒有考慮方向的問題，實踐監測當中，我們監測的水平位移監測點是有正負方向的，那到底如何去判定這個方向的呢？從上面的內容可知：

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置，則距離正負號判定如下：

αDM1A<αDM1DM2，表示A點在基坑范圍（虛擬斷面）內，距離值為正。

αDM1A>αDM1DM2，表示A點在基坑范圍（虛擬斷面）外，距離值為負。

若虛擬段面沿基坑順時針方向設置，則距離正負號判定如下：

αDM1A>αDM1DM2，表示A點在基坑范圍（虛擬段面）內，距離值為正。

αDM1A<αDM1DM2，表示A點在基坑范圍（虛擬段面）外，距離值為負。

通過比較A、A1的位移，可以得出本次的位移變化量。結果為正值表示向基坑內位移，結果負值表示向基坑外位移，

3 水平位移中誤差的計算

點位中誤差，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監測系統平臺的應用

目前該虛擬斷面法已應用于廣州市地下工程和深基坑安全監測預警系統中，對基坑監測起到省時、省力、省成本的效果。地下工程和深基坑安全監測預警系統是根據廣州市建設行政主管部門提出對廣州市地下工程和深基坑實現實時監控的要求，按相關標準、規范，建立一個基于Internet平臺、運用物聯網等相關技術的安全監測預警系統。該系統將依托全市地下結構及深基坑監測機構，整合全市相關工程的信息資源，建設集數據采集、分布式存儲、協同處理、集群化服務、智慧化監督和高效率管理為一體的監測預警管理平臺，對廣州市的地下工程、深基坑及其周邊建筑物、管線隱患等進行監控，并通過監測數據自動進行報警，及時以短信的形式將異常的數據分析結果發給相關建設方、安全監督機構及建設行政主管部門，并追蹤有關監測報警處理情況，使監測結果反饋更具時效性，以便及時采取相應措施，從事后處理轉變為事前干預，達到防災減災的目的。

5 結語

在比較規則的多邊形基坑水平位移虛擬斷面法監測與視準線法、測小角法、前方交會法、極坐標法、反演小角等方法最大的不同在于虛擬斷面法真正實現了在規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，并且在實踐當中坐標系統可以任意建立，充分利用了數學中點到直線的距離這一基本思想。特別是應用于“地下工程和深基坑安全監測預警系統”中，該預警系統已于2012年3月開始使用，系統正式運行至今，先后對多個基坑工程成功預警，降低工程事故發生幾率。加強監測監管、保證基坑安全方面發揮了積極的作用，取得了顯著的經濟效益與社會效益，該系統達到了國內領先水平。

參考文獻

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[4] 山東省建設廳.建筑基坑工程監測技術規范[S].北

京：中國計劃出版社，2012.

作者簡介：鐘學森（1984-），男，廣西興業人，供職于廣州市建設工程質量安全檢測中心，研究方向：建筑變形監測；阮園園（1987-），男，安徽鳳陽人，供職于廣州市建設工程質量安全檢測中心，研究方向：建筑變形監測。

（責任編輯：小 燕）