基坑变形监测三维可视化模拟系统设计

李仲伟

广东有色工程勘察设计院广东省广州市510000

摘要：随着土地资源的日益短缺，城市建设开始由高层向地面方向发展。目前，基坑工程越来越多，为保证基坑施工质量，有必要对基坑进行变形监测。本文主要研究了基坑变形监测三维可视化模拟系统。

关键词：基坑变形；监测；三维可视化

前言

随着社会经济的发展,地面空间已经难以满足日常使用需求,对地下空间的开发使用成为当前扩大使用空间的重要手段,所以基坑成为施工中的重要环节。基坑工程是一个集地质分析、支护设计、开挖组织施工、安全风险分析的综合性工程。基坑施工前需根据勘探报告中的地质水文资料等对基坑支护进行规范化设计,确保从开挖至回填结束的基坑安全。对基坑进行行之有效的变形监测是预知危险保障安全的重要手段。

1基坑监测工作的意义

基于基坑工程施工技术尚未普及,地下地质水文环境相对复杂且地域性差异明显,所以对基坑安全设计的参数难以精准确定。放大参数势必造成资源的浪费,过度收紧参数又会导致危险的发生。所以结合理论设计、既往施工经验、实时动态监测三方面工作,对基坑进行综合安全分析是当下基坑施工过程中安全控制的常用手段。对于某些创纪录工程,并无相似案列得以借鉴,而环境的不确定性导致了理论数值置信度降低,所以动态监测数据更加受到重视。首先,于工程本身,基坑监测能及时发现险情以便提前采取安全措施,预防危险的发生。评估基坑施工对周围建筑的影响。其次,动态监测数据可以将实际数值和理论参数进行对比,为后续工程积累经验。

2基坑变形监测的内容

2.1竖直沉降观测

一般用独立水准系作为沉降监测用的高程控制网，在离开基坑边缘现场3倍以上的距离土体处布设一组三个基准点进行互相校核。遇到深基坑采用由对磁敏性材料制成的探头及标尺的导线组成深层沉降仪。当磁性探头与深度钻孔中的圆环接触时，沉降仪发出蜂鸣声，此时即可测得圆环所在位置的高程数据。

2.2水平位移量监测

测站点应选在基坑的施工影响范围之外。初次观测时，须同时测取测站至各测点的距离，有了距离就可算出各测点的秒差，以后各次的观测只要测出每个测点的角度变化就可推算出各测点的位移量。观测次数和报警值与沉降监测相同，日变量大于3mm，累计变量大于35mm时，就应向有关方面报警。

2.3倾斜量监测

沿测斜套管内壁导槽由测斜探头滑轮渐渐下放到底，从下到上部测定每米该监测点的偏角值，再旋转探头180度，重复测量，完成一测回数据，推算各部位点的位移量。把测斜管埋设14天且开挖前取两个测回的平均值作为该测点的初始值，在正常施工时监测数据与初始值的差值即为该点累计水平位移量值，与上次数据的差值就是本次位移量。

2.4土压力和孔隙水压力监测

土体压力计和孔隙水压力计监测地下土体稳定性的重要手段，对于深基坑工程必须安装。按照工程不同的深度放置数个压力计，再用干燥的粘土粒填充密实，干土吸水后随即封堵钻孔，并随基坑围护施工时同时安装，安全隐患处必须安装。安装后2天测试初读数，基坑开挖时每3天至少监测一次，遇到异常，加密观测。

3基坑变形监测的实施

3.1高程基准网的确定

在影响区域外按规范埋设三个沉降监测基准点构成高程基准网，按二等水准观测要求往返测量，并检测其稳定性。

3.2连接沉降监测点和基准点构成沉降监测网

沉降监测的首次观测在施工前进行，连续进行两次独立观测，并取观测结果的中数作为初始值。

3.3监测人员在监测工作期间应经常对监测点进行巡视

所有监测孔作醒目标记，及时用孔盖盖住，以免异物掉入孔内;经常与施工单位管理人员进行沟通，请求协助保护;监测点一旦遭破坏，应及时重新布设并取得初始值，新设点的变形量在破坏前累计的基础上继续累计，确保监测点数据的连续性。

3.4每期观测前，要求对所使用仪器进行检查

水准仪i角按规范要求进行检验，i角不得大于20秒。

3.5深层土体水平位移

要求每0.5m间隔采集一组数据，读数取位至0.1mm，采用仪器自动记录。每个监测点正反两次量测;支撑轴力采用钢筋应立计布设在支撑内，每组设两只，在支撑断面的主筋上对称焊接应立计，其断面如图所示;裂缝监测要求对走向、长度、宽度的变化进行测量，采用裂缝观测仪或精密钢尺观测每条裂缝最宽处和末端一组宽度数据，计算宽度变化。

4工程实例

4.1项目简介

某深基坑监测项目位于广州市天河区，基坑面积约8600平方米，设五层地下室，基坑开挖深度约20.1米，该基坑距离珠江北岸最近处仅150米，基坑开挖面已揭露承压水层，基坑土质主要为砂质粉土，基坑四周采用连续墙进行围护，采用钢筋混凝土内支撑水平支护。基坑安全等级确定为一级，为了准确、及时了解基坑支护结构的变形情况，实现信息化施工，确保基坑施工安全，给设计、施工部门提供准确的、可靠的、科学的变形数据，同时，也为该项目的竣工验收提供可靠资料，受业主委托，我公司采用BIM技术对本深基坑项目进行监测。

4.2基坑监测及数据导入

4.2.1基坑监测

我公司于2016年8月10日到现场进行踏勘，选择基准点及观测点位置，8月15日完成基准点及监测点埋设，8月17日进行了首次观测，2017年5月22日完成最后1次观测，共完成变形观测56次。监测的内容主要有邻近建筑物的沉降监测、连续墙沉降监测、连续墙水平位移监测、支撑内力变形监测、地下水位监测等。

4.2.2数据导入

在建立的基坑三维模型中导入监测数据（如三维模型通过读取导入的监测数据生成基坑变形模型，将监测数据转换成空间三维坐标，每一个变形监测点在模型中就是一个空间坐标点，将每一个监测点的空间坐标连起来形成监测孔的变形曲线，输出变形数值云图，将任意一个时间点的变形模型与初始模型叠合并进行误差检验，可以得到该时间点的变形数值云图。

4.3可视化施工模拟

利用AutodeskNavisworks平台进行可视化施工过程动态模拟，可视化施工过程动态模拟就是在基坑BIM三维模型上增加时间进度信息，按时间顺序将监测过程直观的展示出来。Navisworks平台能够实现多专业之间的协同工作和模型实时漫游，它是保证设计方与施工方之间能够良好衔接的纽带。运行Navisworks软件，首先将基坑三维模型转换成Navisworks软件可以识别的NWC格式文件，在Timeliner选项卡中添加时间轴信息，在配置选项中添加新的任务类型，设置“安全”、“预警”、“超限”的显示形式，安全区域为绿色显示、临界区域为黄色显示、超限区域为红色显示，这样监测结果在模型上呈现成彩色变形立体状态，基坑监测人员和管理人员根据色彩变化就可以对基坑变形情况做出正常、异常或危险的判断性结论。

4.4监测分析

BIM技术在该深基坑监测项目中的应用取得了圆满成功，减少了工作人员过去翻看大量监测报告和数据的烦琐过程，不仅直观的展现出监测成果，而且对所有监测成果能有整体的处理与分析，让工作人员更加容易的了解基坑的安全情况以及未来的变形趋势，提高了监测数据的处理速率和信息可视化的展示效果，这种可视化基坑变形监测方法简单、准确、快速、为工作人员提供了一种新的基坑监测方法。

结束语

虽然基坑施工日益成熟,但由于基坑工程的综合性,环境的复杂性、各区域施工水平的差异性,基坑工程事故屡屡发生,造成很大的经济财产损失和人员伤亡。规范基坑施工,对基坑进行实时动态精确的监测是当前水平下保证基坑安全的最有效途径。希望各方严阵以待减少基坑事故的发生。

参考文献：

[1]姜波．某深基坑支护结构变形分析与数值模拟[J]．辽宁工业技术大学学报(自然科学版)，2016，35(1)：37—41．

[2]李浩．宋园园，周军，等．深基坑桩锚支护结构受力与变形特性现场试验[J]．地下空间与工程学报，2017，13(1)：264—270．