基于精密测距方法监测基坑平面位移的探讨

2015-12-02练建鑫

城市地质 2015年2期

练建鑫

（北京市地质工程勘察院，北京 100048）

1 基坑监测概述

1.1 概念及分类

基坑监测是变形监测的一种，是指在施工过程及使用期限内，对建、构筑物基坑及周边环境实施的检查、监控工作。基坑监测主要包括：支护结构、相关自然环境、施工工况、地下水状况、基坑底部及周围土体、周围建（构）筑物、周围地下管线及地下设施、周围重要的道路、其他应监测的对象。

基坑开挖使用中产生变形的原因很多，需要监测的内容和对象也很多，本文仅从基坑的平面位移监测方面，对监测的方法进行探讨。

1.2 基坑水平位移监测

基坑水平位移是指基坑边界上的观测点垂直于基坑边界向基坑内移动的距离。在规范中，此距离根据不同基坑的等级有不同的临界值，一旦超过临界值就要向业主汇报，以便及时采取措施防止基坑出现塌方或滑坡等险情（吴兴隆，郑加柱， 2005）。

2 基坑水平位移监测研究现状

基坑水平位移监测的方法很多，如极坐标法、视准线法、小角度法等。视准线法，受视线的影响，适用于规则、监测点在同一条线上，且基坑边长适中的（离工作基点的距离越长，视线越不清楚）基坑。该方法通过在基坑两端埋设2个永久控制点，在这2点之间埋设一排监测点、定期观测这排点偏离固定方向的距离，并进行比较，从而获得这些监测点的水平位移量；小角法，适用基坑不是特别规则，观测点不在同一直线的基坑。该方法对角度测量精度有较高要求，要求工作基点与监测点之间的距离不易太长，通过测出各点的水平角度和距离，利用公式计算出本次偏移值和上次偏移值的差值即是本次的位移变化量。

3 测距方法监测基坑平面位移实现步骤

3.1 布点

本方法包括布设点三类，为监测点、工作基点和基准点。在条件允许的情况下，尽量采用强制对中的方法进行量测。

（1）监测点布设

监测点就是用于监测基坑平面位移的点，这类点的选布时应该结合基坑的形状进行。结合规范的相关要求，在易发生位移且能比较真实反映基坑平面位移的地方，需架设棱镜的强制对中器，宜选布在档土墙或者护坡桩顶上。点布设好后，观测时，立尺员能直接将棱镜立于点上，以保证棱镜位置固定不变，尽可能减少安置棱镜过程中的人为误差及其他偏差。选点时还应使该点方便立棱镜、不易被破坏且易于观测。

（2）工作基点布设

工作基点是布设在基坑周边的用于架设仪器和观测监测的点。位置应选择在不易发生位移且易于保护的地方。在条件及预算允许的情况下，工作基点宜建造观测墩，观测墩上安置强制对中器，方便架设仪器且保证仪器每次安置整平后能保持一样的位置。尽可能保持稳定并减少架设仪器过程带来的各种误差。

布点位置要结合监测点的位置进行选取，具体结合方法是：根据业主提供的基坑图，设计监测点位置，画出监测点所在基坑边的法线，法线两侧30度角范围（角度越小越好）内为观测该监测点的工作基点的选取范围，如图1所示，根据基坑现场实际情况可以选择与监测点在基坑同侧，也可以选取在基坑对侧，选取时尽量让一个工作基点能观测到尽可能多的监测点，以减少工作基点布设的工作量。情况允许的情况下尽量远离基坑。

图1 工作基点布设示意图

（3）基准点布设

基准点用来检查工作基点，布设应远离基坑且距基坑边约2.5倍基坑深度处，或低层楼房楼顶位置等，确保基准点稳定且不被破坏，不受施工影响。

3.2 观测

该方法观测分为两个方面，平面图测量和常规监测。

（1）平面图测量

点布设完成后，假定一个坐标系，精确测量基坑周边线、监测点点位、工作基点点位、基准点点位，并画出平面位置图。要求准确测量所有点位的平面位置坐标，同时结合平面图进行分析，找出工作基点和监测点连线与该监测点所处位置的法线组成的夹角小于30度的点位，在图上量出其夹角角度，填入空白表中（表1）。要求所有坐标数据准确，观测2～3次为宜。观测结果取位到毫米，当两次观测值差值小于等于1mm时，记录该观测值，大于1mm时则继续观测，直到符合要求。

表1 基坑平面位仪外业监测记录表

测站点为架设仪器的工作基点编号；

监测点指该测站点所测的监测点点号；

角度为监测点所在位置的法线与监测点和测站工作基点连

线所形成的锐角夹角，精确到秒；

实测距离指监测点到测站点的平距，精确到毫米。

（2）平面位移观测

在日常基坑平面位移观测中，架设仪器，放置30分钟后开始观测，每次只需观测工作基点到监测点的距离并填入表1的“实测平距”即可。

（3）工作基点的稳定性检测

在日常监测工作中，还需要基点稳定性检测工作，具体做法：在工作基点上架设仪器，两两对象观测工作基点之间的平距，比较其变化，如果变化小于等于2mm（根据仪器测距精度来设计，此处假定仪器测距精度为2mm+5ppm），则认为该工作基点稳定。通常每个工作基点应与其他两个及以上的工作基点进行检测，工作基点互检点位选取时，以使观测边所形成的三角形比较接近等边三角形为原则进行选择。

当发现工作基点彼此之间的平距大于2mm，且经多次观测确实变化的情况，应结合现场情况及工作基点的平距观测结果进行比较分析，检测单个工作基点或多个同时发生变化，并采用导线测量等方法，将发生变化的工作基点与基准点进行联测，确定其变化量，并更新平面图上的位置资料信息，更新表格中的角度，在以后的观测中采用新的角度进行观测计算。

3.3 计算

（1）角度量算

角度量算指在平面图上量出工作基点与监测点的连线和该监测点出基坑边线的法线所形成的锐角。

（2）成果计算

如图2、图3所示，A点为监测点的初始位置，B点为A点发生位移变化后的位置，C点为工作基点的位置，线AD为监测点A所在基坑边的法线。D点为工作基点在法线上的垂足，AB间的距离为基坑位移量。

在外业观测中，线段AC的距离L为布点稳定后的首次观测值，线段BC的距离L′是期观测值，∠A为首次观测后一个相对固定的值（工作基点稳定不变的情况下，该角是固定的，若工作基点变化后，需要重新测量），假定所求线段AB的距离为x。

图2 工作基点与监测点跨过基坑

图3 工作基点与监测点在基坑同一侧

由图1可以看出各个量存在如下几何关系：

L*cos∠CAD—x=L′*cos∠CBD，L*sin∠CAD =CD=L′*sin∠CBD

在直角△BCD中：（L′）2= （L′*cos∠CBD）2+（L*sin∠CAD）2

整理可得：（L′）2= （L*cos∠CA D-x）2+（L*sin∠CAD）2

由图2可看出各个量存在如下几何关系：

CD=L*sin∠CAD=L′*sin∠CBD

L*cos∠CAD+x=L′*cos∠CBD

在直角△BCD中：（L′）2= （L′*cos∠CBD）2+（L*sin∠CAD）2

以上关系经整理可得：（L′）2= （L*cos∠CAD+x）2+（L*sin∠CAD）2

式（1)式(2)中，L，L′，∠A均为已知数，且L和∠CAD均在首次测量时就获取了并相对较为稳定，L′为各期观测值，很容易就能获得未知数x是值，通过计算可能获得两个数值，从几何图形上看，已知两条边和一个非两边夹角的三角形，是有两种形状的，符合几何规律，需要对计算结果进行分析取舍，并在计算中一次性确定。由上两个公式也可以看出，除首次测量及布点工作量多些，以后各期工作均较为简单，仅需观测一个距离即可，简单，方便，首次观测后，将各量之间的关系在Excel表格中用函数公式予以固定，在以后的内业中，仅需在带该公式的表格的固定位置输入观测值即可获得结果。

除了上述Excel表格配合函数公式计算的方法外，还可以在CAD上通过图形解析的方式直接量取，具体方法如下：

A点为监测点，C点为工作基点，线AD为A点的法线，每次观测成果出来后，以C点为圆心，以每期观测值为半径画圆，与法线有两个交点，依据实际情况分析确定哪个交点为该期该监测点位移后的点位，直接量取其与初始位置的距离即是本期监测成果。该方法直观，简单，但是逐点操作，可能重复操作多，表格解算第一次麻烦些，但是一旦模式确定，直接输入观测值更为快速方便。

3.4 注意事项

在实际工作中，该方法有几个注意的地方：

(1)∠A越小越好，当其为0度的时候，cos0=1、sin0=0，即x=L- L′。随着∠A变大，虽然这种理论关系还存在，但是观测L′时产生的误差对观测结果的影响将随着∠A的变化而放大。其次，∠A越大，A点发生的位移在工作基点这个方向上反映出的变化越来越小，甚至不能反映其变化，因此∠A不易过大，我们在实际的工作中人为的设定了∠A的最大值30度。

（2）为了减少误差和互相检查，监测点A的位移量x最好由两个或以上的多工作基点对其进行观测比较，取计算成果平均值作为最终成果。

（3）各观测值的距离均为平距。因仪器直接观测获得的是两点之间的斜距，通过仪器固化的解算程序计算出平距，因此在实际观测中应采用正倒镜两次或多次观测，以减少误差。如果条件允许应优先考虑工作基点和监测点在同一水平面或接近同一水平面为宜。

（4）为提高精度要求，尽量固定人员固定仪器，固定观测模式。观测前，应放置仪器半小时，减少仪器受温度的影响。同时应尽量保持通视观测。

（5）实际中，基坑处的监测点并不完全是沿法线方向移动，它的变化可能是多方向的。工程应用中，应该配以巡视等其他技术手段，根据需要多种方法结合使用，才可以更加真实的反应其位移变化。

（6）基坑监测是个系统工程，工期长且呈现周期变化，各期观测成果具有连续性、规律性、精密性，因此，实际工作中应注意提高仪器的自身精度，提高观测时的作业精度。作业前，对操作者进行系统全面的技术指导，重点强调关键操作和流程。同时，尽量做到固定人员、固定仪器、固定模式、固定方法，减少整个作业过程中系统误差对观测成果的影响。