地铁深基坑墙顶水平位移监测方法

吴 伟 张力文

(1.宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，浙江 宁波 315010； 2.北京城建勘测设计研究院华东分院，浙江 宁波 315010)



地铁深基坑墙顶水平位移监测方法

吴 伟1张力文2

(1.宁波市轨道交通集团有限公司运营分公司，浙江 宁波 315010； 2.北京城建勘测设计研究院华东分院，浙江 宁波 315010)

从视准线法、小角法、极坐标法等方面，列举了地铁深基坑墙顶水平位移几种传统监测方法，分别论述了各方法的原理、精度、优点及不足之处，并对国内外其他领域采用的新型水平位移监测技术进行了介绍，对轨道交通建设施工安全风险控制具有一定的参考价值。

地铁，深基坑，水平位移，光纤技术，多天线GPS

随着城市化进程的推进，地铁在城市交通中的作用越来越突出。但是城市里高层建筑日益增多，地下管线密布，有些地铁基坑建在桥梁、高耸建筑物、重要构筑物以及交通干线或地下管线附近，常常导致周围建筑物开裂倾斜、地下管线发生爆裂、路面开裂深陷等。因此，在地铁车站基坑开挖施工的过程中，要针对基坑围护结构编制一系列完善的监测方案，尤其要注意连续墙体的水平位移监测。本文列举了在基坑水平位移监测中常用的三种传统方法：视准线法、小角法、极坐标法[1]，并对新型变形监测技术作了简单介绍。

1 传统水平位移监测方法

1.1 视准线法水平位移监测

视准线法水平位移监测的原理，在基坑附近施工影响区域外找两个较稳定的点作为基准点(A，B)，两点的连线作为基准线(AB)，且该基准线要平行于基坑围护结构墙顶，然后定期的测量待监测点到该基准线的垂距(d)，最后求出本次测量距离与上次之间的差值(Δd)，即为该段时间内围护结构的墙顶水平位移。图1为视准线法的示意图。

视准线法是较早用于测定水平位移的方法，由于其简单实用、方便快捷，主要的应用有测小角法和活动觇牌法。

对于地铁基坑来说，基准线AB之间的距离较长，使得精确的照准目标难度增大，所以照准读数误差成为视准线法的主要误差来源。另外该方法存在精度低、受外界环境影响较大、很难做到自动监测等问题。

1.2 测小角法水平位移监测

测小角法是应用较为广泛的水平位移监测的方法，其原理是在视准线法的基础上进行改进。同样也是先布设一条基准线(CD)，然后利用测角仪器，测定出待测点与该基准线之间所夹的微小角度(α)，并测定出该点在基准线上的投影点与架站点之间的距离(S)，进而计算出待测点相对于基准线的偏移值(I)。图2为测小角法的示意图。

则其偏离值为：

(1)

则小角法测水平位移的误差公式为：

(2)

由测小角法的工作原理可知，测距误差的影响可以忽略不计，主要影响因素是测小角的观测精度。所以采用该方法进行水平位移监测时，应通过使用较高精度的仪器以提高成果精度。该方法相交于视准线法，操作更为简便，且精度有所提高。

1.3 极坐标法水平位移监测

极坐标法在施工放样中应用极为普遍，同时也可用于位移监测，但是又不同于视准线法和测小角法，极坐标法可以根据已知点A和B的坐标直接测算出待测点P的坐标值，进而算出该点的偏移量。图3为极坐标法的示意图。

根据其原理可以求得P点的坐标为：

(3)

则极坐标法测水平位移的误差公式为：

(4)

极坐标法相交于视准线法和测小角法，在实际应用中十分方便，尤其在基坑为不规则形状时，使用过程中精度主要受测距及测角误差的影响，所以在利用极坐标法进行水平位移监测时，成果精度主要受仪器的影响。

2 新型水平位移监测方法介绍

2.1 光纤技术

光纤技术是一个突破性的新兴技术，经过几十年科技的进步，已经从早期通讯领域的应用，发展到监测技术领域，主要应用于结构渗漏水的定位监测、温度监测及位移监测等实际工程中[2]，为工程的安全施工及结构的安全稳定提供了更快更有效的技术保障。目前，光纤技术在国内外广泛的应用于监测工作实践中，根据先行者总结的经验可知，光纤监测技术能够很高效直观的获得任意一个监测点的成果信息，且实现了连续型动态化监测。相较于传统的测量仪器应用的视准线法、测小角法以及极坐标法，光纤技术还具有以下不可比拟的优点：1)通常光纤外层都是包裹了保护套、皱纹钢带以及绝缘外套的，光纤芯的基本成分是石英，具有抗电磁干扰及绝缘性强等特点，所以光纤受周围环境的伤害较小；2)光纤信号传播损耗低、频带宽，且光纤本身体积小、重量轻，在实际应用中，运输方便，且能够达到无损埋设；3)光纤传输抗干扰能力强、性能可靠、使用寿命长，且光纤的成本在不断的降低，将会更广泛的应用于工程监测中。

2.2 多天线GPS技术

GPS随着卫星大地测量技术的发展在变形监测领域的应用越来越广泛，具有传统大地测量方法不可比拟的优点：速度快、全天候、测点间无需通视等，GPS天线图见图4。多天线GPS技术的原理，是用同一个接收机，通过量测多个天线接收到的不同的GPS信号，记录各个监测点的测量值。多天线GPS的核心部分是一机多天线控制器，由硬件和软件控制两大部分构成。硬件部分主要是通过多通道微波开关将GPS接收机短时间内与多个监测点的固定天线联系起来；而软件部分实现多通道工程方式并可设置测点的观测时间、GPS接收机通讯和数据发送功能，使接收机能够互不干扰接收多个天线传输来的信号。多天线GPS监测示意图见图5。

目前多天线GPS监测技术已在坝体变形监测、水电站边坡变形监测等领域中应用。通过与数据无线传输技术的配合，可以实现远程实时监控。在精度方面与常规GPS监测方法相当[3]。

多天线GPS监测技术可用于基坑开挖期间桩(墙)顶水平位移监测、建(构)筑物沉降监测等方面，相对于传统水平位移监测方法更具灵活性及可靠性。

3 结语

传统方法中，小角法和视准线法都需要基坑的形状较为规则，极坐标法对基坑形状无要求。对于地铁这种大型深基坑而言，小角法和视准线法因照准目标过远而使观测精度降低，同时也会受到基坑周边过多的障碍物影响，不宜进行观测。所以随着全站仪仪器精度的提高，现如今的地铁基坑主要以极坐标法作为水平位移监测的主要手段。近年来，变形监测工作中又出现了若干新的技术方法，这些新技术拥有广阔的应用前景，全国各大城市轨道交通建设发展迅速，施工工艺及方法日新月异，传统的监测方法可能已跟不上轨道交通建设的步伐。落后的监测技术方法不能及时对轨道交通施工进行安全风险预报，这必将造成施工安全事故，严重时会影响社会稳定。所以在轨道交通工程基坑建设中将光纤技术和多天线GPS技术等新技术应用其中，对于指导工程安全施工以及创建和谐社会具有重大意义。

[1] 杨学涛,曹雪山.深基坑围护结构水平位移变形分析[J].施工技术,2014,43(13):51-54.

[2] 张大伟.浅谈分布式光纤岩土工程监测技术[J].山西建筑,2011,37(9):86-87.

[3] 张云芬.GPS多天线阵列大坝变形监测与灾害预报系统[D].昆明：昆明理工大学,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

吴 伟(1983- )，男，工程师； 张力文(1990- )，男，在读硕士

1009-6825(2017)04-0072-02

TU463

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