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基坑变形监测中利用全站仪监测可靠性分析齐东光

发表时间：2020/5/6 来源：《基层建设》2020年第2期作者：齐东光

[导读] 摘要：深基坑开挖过程中的变形监测工作，作为掌握深基坑支护体系自身以及对周边环境影响的重要手段，在深基坑的施工过程中必不可少。

        中交一公局第六工程有限公司
        摘要：深基坑开挖过程中的变形监测工作，作为掌握深基坑支护体系自身以及对周边环境影响的重要手段，在深基坑的施工过程中必不可少。通过监测工作的实施，可以掌握基坑施工对基坑开挖影响范围内的既有建筑、道路及管网的影响，评定施工对周边环境影响，为及时判断基坑结构安全和周边环境安全状况提供依据，为设施与施工提供及时可靠的数据和信息，对可能发生的事故提供及时、准确的预报，使有关各方有时间做出反应，避免恶性事故的发生，确保深基坑及周边环境的安全。本文对基坑变形监测中利用全站仪监测可靠性进行分析。
        关键词：深基坑；变形观测；全站仪；水准测量
        一、利用全站仪进行高精度水准测量的实际意义
        对于不同的监测项目，要利用不同的监测仪器、设备和监测原件进行监测。现阶段深基坑支护结构顶部水平位移监测通常使用的仪器为高精度的全站仪，监测点的坐标中误差一般要求在1.5～3mm之间。一般采用以下方法进行实施：测定特定方向上的水平位移时可采用视准线法、小角度法、投点法等；测定监测点任意方向的水平位移时可视监测点的分布情况，采用前方交会法、自由设站法、极坐标法等；当基准点距基坑较远时，可采用GPS测量法或三角、三边、边角测量与基准线法相结合的综合测量方法。竖向位移监测可采用几何水准或液体静力水准等方法，但传统的几何水准测量在进行竖向位移监测时存在受场地影响大，监测时间长，存在人力成本大的问题；液体静力水准则存在设备成本高，容易受施工及人为破坏的问题，导致后期监测数据连续性受到影响。
        二、利用全站仪进行高精度水准测量理论依据

        全站仪在基坑水平位移监测中的应用
        全站仪可同时测得测点与测站点之间的水平角、竖直角和水平距离，利用这一点，我们将全站仪安置于设置有强制对中的固定观测墩上，通过极坐标法，计算得各监测点的坐标（包括平面位置坐标和高程值），通过各期监测数据进行对比，得到监测点的水平位移变化量和竖向位移变化量。为了提高测量的精度，基坑监测的控制网必须布设于远离基坑开挖深度3倍的不受施工影响的区域，控制网一般布设3～4个基准点，并且布设为设置有强制对中的固定观测墩，工作基点的设置同控制网的要求一样，布设为设置有强制对中的固定观测墩，这样可消除仪器的对中误差以及测量仪器高度产生的误差，提高三角水准的精度。监测点亦采用固定点的方式，一般布设为反光片，反光片用专用的贴片设备固定于基坑四周，且对准仪器站方向，同样可消除监测点的对中误差及测量测点高度产生的误差。初始观测数据于监测点布设稳定后进行，取三次稳定的监测值的平均值作为原始初始值（三维坐标X、Y、H）。以后每期的监测值都与初始值进行对比，便可得到每次的水平位移变化量和竖向位移变化量。根据以上基准点、工作基点、监测点的布设，我们基本消除了仪器站、测点站的对中误差以及仪器高度、测站点高度的测量误差。具体到监测点的计算过程中，根据极坐标法计算，监测点的坐标（X，Y，H）为：X=X0+D•cosB•cosA，Y=Y0+D•cosB•sinA，H=H0+D•sinB+i-h，则监测点的水平位移量△s为：△s=√△x2+△y2；监测点的竖向位移量△h=△D•sin(△B)+△i-△h=△D•sin(△B)。以上计算式中，A为水平角，B为竖直角，D为水平距离。
        三、利用全站仪进行高精度水准测量的精度分析
        m2x=cos2B•cos2A•m2s+D2•(cos2B•sin2A•m2A+sin2B•cos2A•m2B)；
        m2y=cos2B•sin2A•m2s+D2•(cos2B•cos2A•m2A+sin2B•sin2A•m2B)；
        m2h=sin2B•m2s+D2•cos2B•m2B。
        在本文工程实例中，我们所用全站仪型号为莱卡TS09.PIUS，该仪器标称精度为测角精度1"，测距精度2+2ppm，根据以上计算公式可以求得实测监测点水平位移中误差为±1.86mm，监测点竖向位移点位中误差为±0.77mm，而相对应的深基坑二级变形测量的精度要求为水平位移中误差为±3.0mm，竖向位移中误差为±1.0mm，实测点的精度要求满足工程需要。
        四、工程实际应用
        1、工程概况
        基坑开挖深度10.55m，基坑东侧为两栋23F建筑，距开挖边线最近距离5m，基坑南侧为一栋34F建筑，距开挖边线最近距离4.3m，基坑北侧城市主干道，分布有燃气管线、给水管线、污水管线、电力管线、雨水管线、路灯，距开挖边线最近距离6m。因开挖深度深，距离周边建筑近，该基坑安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。该基坑支护方式为支护桩+环形内支撑方式，设计图纸要求的变形监测项目包括围护结构顶部水平位移及竖向位移、支护结构深层水平位移、支撑轴力、立柱沉降、周边建筑及道路的沉降监测。本文仅就围护结构顶部水平位移及竖向位移的监测方法及监测数据进行探讨分析。
        2、控制网及基准点的设置
        于远离基坑开挖深度3倍的不受施工影响的区域，布设基坑监测的控制网，设置3个基准点，分别为BM1、BM2、BM3，基准点均布设为设置有强制对中的固定观测墩，设置一个工作基点GZ1，同样布设为设置有强制对中的固定观测墩。
        3、监测点的实测
        监测点亦采用固定测点的方式，反光片用专用的贴片设备固定于基坑四周，且对准工作基点方向。本工程总共在基坑支护结构顶部设置20个水平位移监测点，工程期间使用莱卡TS09.PIUS全站仪进行水平位移及竖向位移的观测；同步对应设置了20个沉降监测点，工程期间使用天宝DiNI03型电子水准仪用二等水准进行沉降观测，以便对两种测量仪器测得的竖向位移变化量进行对比。
        4、实测结果分析
        工程结束后选取其中部分数据进行比较，结果见表1。
        表1

        通过两种仪器测得的监测数据分析得到，使用天宝DiNI03型电子水准仪按二等水准测量的竖向位移变化量，与使用莱卡TS09.PIUS全站仪直接测得的竖向位移变化量比较，其差值最大为0.29mm，其差值最小为0.01mm，监测点竖向位移中误差为±0.48mm，满足相应的深基坑二级变形测量的精度要求，也完全满足本工程的监测要求。
        结束语
        根据精度分析及工程实例中的数据对比来看，用测角精度±1”、测距精度±2mm+2m的全站仪同时进行水平位移观测和竖向位移观测，其观测精度达到深基坑二级变形测量的精度要求，可以满足大多数一、二级深基坑的变形监测。与传统的几何水准测量相比，该方法因为采用了固定测站、固定监测点的模式，可以使用高精度全站仪进行水平位移与竖向位移的同时观测，大大减少了专门进行水准测量的人力、物力、时间及精力的消耗，缩短了基坑监测的时间，大大提高了监测的时效性，尤其对一些施工场地比较复杂，不易进行传统几何水准测量的基坑工程，此方法更是可以节约大量的人力和时间。
        参考文献
        [1]丁祖华.监测技术在深基坑施工中的应用[J].中国铁路,2015(3)
        [2]王新亭.基坑监测技术在深基坑施工中的应用[J].科技展望,2015(14)