深基坑监测数据三维可视化研究

荆倩婧 陈 诚 耿伟卫

(1.山东大学,山东 济南 250061; 2.上海市隧道工程轨道交通设计研究院,上海 200235)

1 概述

深基坑监测信息主要包括基坑围护体系和基坑监测数据。随着计算机技术的发展，对基坑围护体系数据的三维可视化技术已经十分成熟，CAD软件、ArcGIS软件、专业的三维建模软件都能实现。基坑监测数据因测点空间分布的特征，往往只能反映基坑在某一断面或者某一特定位置的变形，对这些监测数据的展示也以二维图表为主。基坑的整体变形是一个连续变化的空间曲面，显然这种二维图表的展示方式不够直观。

马路滨[1]基于ArcView软件，通过插值、偏移、拖拉以及颜色渐变方式实现了地表沉降、应力应变数据、周边地物的可视化。为了解决样本点稀少的问题，作者采用了数值模拟结果的节点数据代替样本点，这种方法满足了空间插值的精度需求，但是由于数值计算的前提假定问题，监测数据往往和计算结果出入较大，同时，随着施工进度的进行，数值计算的结果数据需要不断地更新，显然不适宜大规模应用。李恒杨等[2]利用GIS组件开发的深基坑监测系统实现了基坑维护体系数据的二维可视化和三维可视化，但是对监测数据的展示仍是从数据库中读取监测数据以二维图表的形式展示。光辉[3]基于Surfer软件实现了基坑监测数据的二维、三维以及动画的可视化功能，由于软件功能的局限性，可视化的效果较差，空间分析能力较弱。

针对以上问题，本文基于三维GIS技术，展开了空间插值方法、样本点扩充的研究，实现了监测数据的可视化，具有一定的理论意义和应用价值。

2 监测数据分类

参考基坑规范[4，5]，对于支护结构安全等级为一级的基坑，应测的监测项目主要包括支护围护墙顶部水平位移，围护墙顶部竖向位移，围护墙深层水平位移，土体深层水平位移，支撑轴力，立柱竖向位移，锚杆、土钉拉力，地下水位，墙后地表竖向位移。将监测项目分为位移类和应力类两大类，位移类按照测点的空间分布特征分为单一测点和复杂测点，具体分类结果以及监测数据的可视化方法见表1。

表1 监测项目分类表

3 位移类监测数据可视化

3.1 复杂测点类监测数据可视化

实现复杂测点位移类监测数据可视化的基本思路是：统计监测点的坐标值和变形值，将其按照ArcGIS的数据格式存储，对数据进行空间插值生成连续变化的曲面，实现监测数据的三维可视化。常用的空间差值方法有反距离加权插值、样条曲线插值、克里金插值等[6]。

3.1.1 墙后地表竖向位移

以长株潭城际铁路湘府路基坑监测为例，现场监测点的空间分布很稀疏并且数目有限，监测点布置见图1，插值之后的可视化效果不理想。为了得到连续变化的地表沉降的空间曲面，需要进行测点的扩充。

考虑到实际支护和地质情况，基坑外沉降曲线大致可分为两大类[7]：指数形式和抛物线形式。指数型模型适用于有支撑支护的基坑，用式(1)进行拟合。抛物线型模型适用于悬臂式支护的基坑，用式(2)进行拟合。

(1)

(2)

根据现场基坑工程支护的特点，采用式(1)对监测点数据进行拟合，得到基坑外地表沉降的概化曲线，根据概化曲线扩充样本点。

对现场的监测点布置进行简化，如图2所示。在基坑的南、北方向各布置12列监测点，东、西方向布置3列监测点。

利用Matlab对监测点数据按照式(1)的沉降曲线进行拟合，分别求出每一个监测断面的A,u,m值。以北1监测断面的监测点数据为例，求出的A,u,m值分别为8.85,-10.65,74.8，拟合得到的基坑外地表沉降曲线如图3所示。

根据拟合出的曲线公式扩充样本点，当样本点满足样条曲线插值方法的精度要求时，停止扩充，最终结果见图4，图5。

3.1.2 围护墙深层水平位移

根据基坑监测技术相关规定，在现场布置测斜孔时，相邻测点横向间距设为20 m，深度方向每0.5 m为一个监测点，将数据转换到空间后的效果如图6所示。

由于测斜孔数据分布的特殊性，采用反距离加权插值的方法进行两个测斜孔之间的插值时，容易产生监测点在X轴,Y轴分布不均的情况。因此，本文根据沿Y轴每隔0.5 m一个测点和沿X轴每隔20 m一个测点的分布特征，按照长、短轴比为40∶1的椭圆形范围搜索，如图7所示。为了减小邻近采样点的权重，降低距离的幂，取值为1。此外，当插值范围内的测点达到10个时开始插值计算，测点未达到10个时，按照长短轴比40∶1扩大插值范围，直到测点数量满足要求。

以相邻的两个测斜管实际监测数据为例，插值结果如图8,图9所示。相邻测斜管插值完成以后在X方向和Y方向空间均匀分布，插值效果更佳理想。

当样本点数量达到一定规模之后，采用样条插值的方法生成连续变化的空间曲面。为增强基坑变形的展示效果，对基坑变形进行了适当的放大，结果如图10所示。

3.2 单一测点类监测数据可视化

单一测点类监测项目包括墙顶水平位移、墙顶竖向位移、立柱竖向位移等，采用拉伸监测点来实现三维可视化。其中，拉伸方向表示变形方向，拉伸距离表示变形大小。桩顶水平位移三维可视化如图11所示。

4 应力类监测数据可视化

应力的监测数据只有数值，不包含空间地理信息，因此选用颜色渐变的方法进行应力类监测数据的表达，以不同的颜色来表现应力值的变化情况。钢支撑轴力三维可视化如图12所示。

5 结语

1)将深基坑监测项目分为应力类监测项目和位移类监测项目，根据测点的空间分布特征，将位移类监测项目分为单一测点类监测项目和复杂测点类项目，根据三维GIS可视化技术分别采用颜色渐变，空间拉伸和空间插值的方法实现监测数据的可视化。

2)根据复杂测点类项目展开了对样本点扩充和插值方法修正的研究，提出了通过监测数据来拟合坑外地表沉降概化曲线的方法，实现了样本点的扩充，解决了地表监测样本点不足的问题，根据深层水平位移监测点布设以及数据采集方式的特点，改进了反距离加权插值的插值方法，提出采用椭圆形代替圆形，解决了样本点集中分布造成插值误差的问题。