深基坑監測數據三維可視化研究

荊倩婧 陳 誠 耿偉衛

(1.山東大學,山東 濟南 250061; 2.上海市隧道工程軌道交通設計研究院,上海 200235)

1 概述

深基坑監測信息主要包括基坑圍護體系和基坑監測數據。隨著計算機技術的發展，對基坑圍護體系數據的三維可視化技術已經十分成熟，CAD軟件、ArcGIS軟件、專業的三維建模軟件都能實現。基坑監測數據因測點空間分布的特征，往往只能反映基坑在某一斷面或者某一特定位置的變形，對這些監測數據的展示也以二維圖表為主。基坑的整體變形是一個連續變化的空間曲面，顯然這種二維圖表的展示方式不夠直觀。

馬路濱[1]基于ArcView軟件，通過插值、偏移、拖拉以及顏色漸變方式實現了地表沉降、應力應變數據、周邊地物的可視化。為了解決樣本點稀少的問題，作者采用了數值模擬結果的節點數據代替樣本點，這種方法滿足了空間插值的精度需求，但是由于數值計算的前提假定問題，監測數據往往和計算結果出入較大，同時，隨著施工進度的進行，數值計算的結果數據需要不斷地更新，顯然不適宜大規模應用。李恒楊等[2]利用GIS組件開發的深基坑監測系統實現了基坑維護體系數據的二維可視化和三維可視化，但是對監測數據的展示仍是從數據庫中讀取監測數據以二維圖表的形式展示。光輝[3]基于Surfer軟件實現了基坑監測數據的二維、三維以及動畫的可視化功能，由于軟件功能的局限性，可視化的效果較差，空間分析能力較弱。

針對以上問題，本文基于三維GIS技術，展開了空間插值方法、樣本點擴充的研究，實現了監測數據的可視化，具有一定的理論意義和應用價值。

2 監測數據分類

參考基坑規范[4，5]，對于支護結構安全等級為一級的基坑，應測的監測項目主要包括支護圍護墻頂部水平位移，圍護墻頂部豎向位移，圍護墻深層水平位移，土體深層水平位移，支撐軸力，立柱豎向位移，錨桿、土釘拉力，地下水位，墻后地表豎向位移。將監測項目分為位移類和應力類兩大類，位移類按照測點的空間分布特征分為單一測點和復雜測點，具體分類結果以及監測數據的可視化方法見表1。

表1 監測項目分類表

3 位移類監測數據可視化

3.1 復雜測點類監測數據可視化

實現復雜測點位移類監測數據可視化的基本思路是：統計監測點的坐標值和變形值，將其按照ArcGIS的數據格式存儲，對數據進行空間插值生成連續變化的曲面，實現監測數據的三維可視化。常用的空間差值方法有反距離加權插值、樣條曲線插值、克里金插值等[6]。

3.1.1 墻后地表豎向位移

以長株潭城際鐵路湘府路基坑監測為例，現場監測點的空間分布很稀疏并且數目有限，監測點布置見圖1，插值之后的可視化效果不理想。為了得到連續變化的地表沉降的空間曲面，需要進行測點的擴充。

考慮到實際支護和地質情況，基坑外沉降曲線大致可分為兩大類[7]：指數形式和拋物線形式。指數型模型適用于有支撐支護的基坑，用式(1)進行擬合。拋物線型模型適用于懸臂式支護的基坑，用式(2)進行擬合。

(1)

(2)

根據現場基坑工程支護的特點，采用式(1)對監測點數據進行擬合，得到基坑外地表沉降的概化曲線，根據概化曲線擴充樣本點。

對現場的監測點布置進行簡化，如圖2所示。在基坑的南、北方向各布置12列監測點，東、西方向布置3列監測點。

利用Matlab對監測點數據按照式(1)的沉降曲線進行擬合，分別求出每一個監測斷面的A,u,m值。以北1監測斷面的監測點數據為例，求出的A,u,m值分別為8.85,-10.65,74.8，擬合得到的基坑外地表沉降曲線如圖3所示。

根據擬合出的曲線公式擴充樣本點，當樣本點滿足樣條曲線插值方法的精度要求時，停止擴充，最終結果見圖4，圖5。

3.1.2 圍護墻深層水平位移

根據基坑監測技術相關規定，在現場布置測斜孔時，相鄰測點橫向間距設為20 m，深度方向每0.5 m為一個監測點，將數據轉換到空間后的效果如圖6所示。

由于測斜孔數據分布的特殊性，采用反距離加權插值的方法進行兩個測斜孔之間的插值時，容易產生監測點在X軸,Y軸分布不均的情況。因此，本文根據沿Y軸每隔0.5 m一個測點和沿X軸每隔20 m一個測點的分布特征，按照長、短軸比為40∶1的橢圓形范圍搜索，如圖7所示。為了減小鄰近采樣點的權重，降低距離的冪，取值為1。此外，當插值范圍內的測點達到10個時開始插值計算，測點未達到10個時，按照長短軸比40∶1擴大插值范圍，直到測點數量滿足要求。

以相鄰的兩個測斜管實際監測數據為例，插值結果如圖8,圖9所示。相鄰測斜管插值完成以后在X方向和Y方向空間均勻分布，插值效果更佳理想。

當樣本點數量達到一定規模之后，采用樣條插值的方法生成連續變化的空間曲面。為增強基坑變形的展示效果，對基坑變形進行了適當的放大，結果如圖10所示。

3.2 單一測點類監測數據可視化

單一測點類監測項目包括墻頂水平位移、墻頂豎向位移、立柱豎向位移等，采用拉伸監測點來實現三維可視化。其中，拉伸方向表示變形方向，拉伸距離表示變形大小。樁頂水平位移三維可視化如圖11所示。

4 應力類監測數據可視化

應力的監測數據只有數值，不包含空間地理信息，因此選用顏色漸變的方法進行應力類監測數據的表達，以不同的顏色來表現應力值的變化情況。鋼支撐軸力三維可視化如圖12所示。

5 結語

1)將深基坑監測項目分為應力類監測項目和位移類監測項目，根據測點的空間分布特征，將位移類監測項目分為單一測點類監測項目和復雜測點類項目，根據三維GIS可視化技術分別采用顏色漸變，空間拉伸和空間插值的方法實現監測數據的可視化。

2)根據復雜測點類項目展開了對樣本點擴充和插值方法修正的研究，提出了通過監測數據來擬合坑外地表沉降概化曲線的方法，實現了樣本點的擴充，解決了地表監測樣本點不足的問題，根據深層水平位移監測點布設以及數據采集方式的特點，改進了反距離加權插值的插值方法，提出采用橢圓形代替圓形，解決了樣本點集中分布造成插值誤差的問題。