地鐵深基坑墻頂水平位移監(jiān)測方法

吳 偉 張力文

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運營分公司，浙江 寧波 315010； 2.北京城建勘測設(shè)計研究院華東分院，浙江 寧波 315010)

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地鐵深基坑墻頂水平位移監(jiān)測方法

吳 偉1張力文2

(1.寧波市軌道交通集團(tuán)有限公司運營分公司，浙江 寧波 315010； 2.北京城建勘測設(shè)計研究院華東分院，浙江 寧波 315010)

從視準(zhǔn)線法、小角法、極坐標(biāo)法等方面，列舉了地鐵深基坑墻頂水平位移幾種傳統(tǒng)監(jiān)測方法，分別論述了各方法的原理、精度、優(yōu)點及不足之處，并對國內(nèi)外其他領(lǐng)域采用的新型水平位移監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行了介紹，對軌道交通建設(shè)施工安全風(fēng)險控制具有一定的參考價值。

地鐵，深基坑，水平位移，光纖技術(shù)，多天線GPS

隨著城市化進(jìn)程的推進(jìn)，地鐵在城市交通中的作用越來越突出。但是城市里高層建筑日益增多，地下管線密布，有些地鐵基坑建在橋梁、高聳建筑物、重要構(gòu)筑物以及交通干線或地下管線附近，常常導(dǎo)致周圍建筑物開裂傾斜、地下管線發(fā)生爆裂、路面開裂深陷等。因此，在地鐵車站基坑開挖施工的過程中，要針對基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)編制一系列完善的監(jiān)測方案，尤其要注意連續(xù)墻體的水平位移監(jiān)測。本文列舉了在基坑水平位移監(jiān)測中常用的三種傳統(tǒng)方法：視準(zhǔn)線法、小角法、極坐標(biāo)法[1]，并對新型變形監(jiān)測技術(shù)作了簡單介紹。

1 傳統(tǒng)水平位移監(jiān)測方法

1.1 視準(zhǔn)線法水平位移監(jiān)測

視準(zhǔn)線法水平位移監(jiān)測的原理，在基坑附近施工影響區(qū)域外找兩個較穩(wěn)定的點作為基準(zhǔn)點(A，B)，兩點的連線作為基準(zhǔn)線(AB)，且該基準(zhǔn)線要平行于基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)墻頂，然后定期的測量待監(jiān)測點到該基準(zhǔn)線的垂距(d)，最后求出本次測量距離與上次之間的差值(Δd)，即為該段時間內(nèi)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的墻頂水平位移。圖1為視準(zhǔn)線法的示意圖。

視準(zhǔn)線法是較早用于測定水平位移的方法，由于其簡單實用、方便快捷，主要的應(yīng)用有測小角法和活動覘牌法。

對于地鐵基坑來說，基準(zhǔn)線AB之間的距離較長，使得精確的照準(zhǔn)目標(biāo)難度增大，所以照準(zhǔn)讀數(shù)誤差成為視準(zhǔn)線法的主要誤差來源。另外該方法存在精度低、受外界環(huán)境影響較大、很難做到自動監(jiān)測等問題。

1.2 測小角法水平位移監(jiān)測

測小角法是應(yīng)用較為廣泛的水平位移監(jiān)測的方法，其原理是在視準(zhǔn)線法的基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)。同樣也是先布設(shè)一條基準(zhǔn)線(CD)，然后利用測角儀器，測定出待測點與該基準(zhǔn)線之間所夾的微小角度(α)，并測定出該點在基準(zhǔn)線上的投影點與架站點之間的距離(S)，進(jìn)而計算出待測點相對于基準(zhǔn)線的偏移值(I)。圖2為測小角法的示意圖。

則其偏離值為：

(1)

則小角法測水平位移的誤差公式為：

(2)

由測小角法的工作原理可知，測距誤差的影響可以忽略不計，主要影響因素是測小角的觀測精度。所以采用該方法進(jìn)行水平位移監(jiān)測時，應(yīng)通過使用較高精度的儀器以提高成果精度。該方法相交于視準(zhǔn)線法，操作更為簡便，且精度有所提高。

1.3 極坐標(biāo)法水平位移監(jiān)測

極坐標(biāo)法在施工放樣中應(yīng)用極為普遍，同時也可用于位移監(jiān)測，但是又不同于視準(zhǔn)線法和測小角法，極坐標(biāo)法可以根據(jù)已知點A和B的坐標(biāo)直接測算出待測點P的坐標(biāo)值，進(jìn)而算出該點的偏移量。圖3為極坐標(biāo)法的示意圖。

根據(jù)其原理可以求得P點的坐標(biāo)為：

(3)

則極坐標(biāo)法測水平位移的誤差公式為：

(4)

極坐標(biāo)法相交于視準(zhǔn)線法和測小角法，在實際應(yīng)用中十分方便，尤其在基坑為不規(guī)則形狀時，使用過程中精度主要受測距及測角誤差的影響，所以在利用極坐標(biāo)法進(jìn)行水平位移監(jiān)測時，成果精度主要受儀器的影響。

2 新型水平位移監(jiān)測方法介紹

2.1 光纖技術(shù)

光纖技術(shù)是一個突破性的新興技術(shù)，經(jīng)過幾十年科技的進(jìn)步，已經(jīng)從早期通訊領(lǐng)域的應(yīng)用，發(fā)展到監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于結(jié)構(gòu)滲漏水的定位監(jiān)測、溫度監(jiān)測及位移監(jiān)測等實際工程中[2]，為工程的安全施工及結(jié)構(gòu)的安全穩(wěn)定提供了更快更有效的技術(shù)保障。目前，光纖技術(shù)在國內(nèi)外廣泛的應(yīng)用于監(jiān)測工作實踐中，根據(jù)先行者總結(jié)的經(jīng)驗可知，光纖監(jiān)測技術(shù)能夠很高效直觀的獲得任意一個監(jiān)測點的成果信息，且實現(xiàn)了連續(xù)型動態(tài)化監(jiān)測。相較于傳統(tǒng)的測量儀器應(yīng)用的視準(zhǔn)線法、測小角法以及極坐標(biāo)法，光纖技術(shù)還具有以下不可比擬的優(yōu)點：1)通常光纖外層都是包裹了保護(hù)套、皺紋鋼帶以及絕緣外套的，光纖芯的基本成分是石英，具有抗電磁干擾及絕緣性強(qiáng)等特點，所以光纖受周圍環(huán)境的傷害較小；2)光纖信號傳播損耗低、頻帶寬，且光纖本身體積小、重量輕，在實際應(yīng)用中，運輸方便，且能夠達(dá)到無損埋設(shè)；3)光纖傳輸抗干擾能力強(qiáng)、性能可靠、使用壽命長，且光纖的成本在不斷的降低，將會更廣泛的應(yīng)用于工程監(jiān)測中。

2.2 多天線GPS技術(shù)

GPS隨著衛(wèi)星大地測量技術(shù)的發(fā)展在變形監(jiān)測領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，具有傳統(tǒng)大地測量方法不可比擬的優(yōu)點：速度快、全天候、測點間無需通視等，GPS天線圖見圖4。多天線GPS技術(shù)的原理，是用同一個接收機(jī)，通過量測多個天線接收到的不同的GPS信號，記錄各個監(jiān)測點的測量值。多天線GPS的核心部分是一機(jī)多天線控制器，由硬件和軟件控制兩大部分構(gòu)成。硬件部分主要是通過多通道微波開關(guān)將GPS接收機(jī)短時間內(nèi)與多個監(jiān)測點的固定天線聯(lián)系起來；而軟件部分實現(xiàn)多通道工程方式并可設(shè)置測點的觀測時間、GPS接收機(jī)通訊和數(shù)據(jù)發(fā)送功能，使接收機(jī)能夠互不干擾接收多個天線傳輸來的信號。多天線GPS監(jiān)測示意圖見圖5。

目前多天線GPS監(jiān)測技術(shù)已在壩體變形監(jiān)測、水電站邊坡變形監(jiān)測等領(lǐng)域中應(yīng)用。通過與數(shù)據(jù)無線傳輸技術(shù)的配合，可以實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時監(jiān)控。在精度方面與常規(guī)GPS監(jiān)測方法相當(dāng)[3]。

多天線GPS監(jiān)測技術(shù)可用于基坑開挖期間樁(墻)頂水平位移監(jiān)測、建(構(gòu))筑物沉降監(jiān)測等方面，相對于傳統(tǒng)水平位移監(jiān)測方法更具靈活性及可靠性。

3 結(jié)語

傳統(tǒng)方法中，小角法和視準(zhǔn)線法都需要基坑的形狀較為規(guī)則，極坐標(biāo)法對基坑形狀無要求。對于地鐵這種大型深基坑而言，小角法和視準(zhǔn)線法因照準(zhǔn)目標(biāo)過遠(yuǎn)而使觀測精度降低，同時也會受到基坑周邊過多的障礙物影響，不宜進(jìn)行觀測。所以隨著全站儀儀器精度的提高，現(xiàn)如今的地鐵基坑主要以極坐標(biāo)法作為水平位移監(jiān)測的主要手段。近年來，變形監(jiān)測工作中又出現(xiàn)了若干新的技術(shù)方法，這些新技術(shù)擁有廣闊的應(yīng)用前景，全國各大城市軌道交通建設(shè)發(fā)展迅速，施工工藝及方法日新月異，傳統(tǒng)的監(jiān)測方法可能已跟不上軌道交通建設(shè)的步伐。落后的監(jiān)測技術(shù)方法不能及時對軌道交通施工進(jìn)行安全風(fēng)險預(yù)報，這必將造成施工安全事故，嚴(yán)重時會影響社會穩(wěn)定。所以在軌道交通工程基坑建設(shè)中將光纖技術(shù)和多天線GPS技術(shù)等新技術(shù)應(yīng)用其中，對于指導(dǎo)工程安全施工以及創(chuàng)建和諧社會具有重大意義。

[1] 楊學(xué)濤,曹雪山.深基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移變形分析[J].施工技術(shù),2014,43(13):51-54.

[2] 張大偉.淺談分布式光纖巖土工程監(jiān)測技術(shù)[J].山西建筑,2011,37(9):86-87.

[3] 張云芬.GPS多天線陣列大壩變形監(jiān)測與災(zāi)害預(yù)報系統(tǒng)[D].昆明：昆明理工大學(xué),2005.

Horizontal displacement monitoring method for deep foundation pit of subway

Wu Wei1Zhang Liwen2

(1.NingboRailTransitGroupCo.,Ltd,OperatingCompany,Ningbo315010,China;2.BeijingUrbanConstructionSurveyingDesignInstitute,EastChinaBranch,Ningbo315010,China)

This article lists several horizontal displacement monitoring methods of deep foundation diaphragm wall’s top in rail transit construction, including collimation line method, small angle method, and polar coordinate method. It describes principle and the accuracy and analyzes advantages and disadvantages of these methods. It also introduces new monitoring methods in other field at home and abroad. It has some reference value for safety risk control of rail transit construction.

subway， deep foundation pit， horizontal displacement， optical fiber technology， multi-antenna GPS technology

2016-11-20

吳 偉(1983- )，男，工程師； 張力文(1990- )，男，在讀碩士

1009-6825(2017)04-0072-02

TU463

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