基坑水平位移监测新方法的探讨与应用——固定方位角—视准线法

2016-04-11付翔宇杨丽坤李富荣刘云利

测绘通报 2016年2期

关键词：新方法基坑监测

付翔宇，杨丽坤，李富荣，刘云利

(1. 中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098； 2. 郑州工业贸易学校，河南郑州 450007)

基坑水平位移监测新方法的探讨与应用
——固定方位角—视准线法

付翔宇1，杨丽坤2，李富荣1，刘云利1

(1. 中航勘察设计研究院有限公司，北京 100098； 2. 郑州工业贸易学校，河南郑州 450007)

Discussion and Application of a New Method to Monitor Horizontal Displacement of Foundation Pit——Fixed Azimuth-Collimation Line Method

FU Xiangyu，YANG Likun，LI Furong，LIU Yunli

摘要：本文在介绍常规监测方法的基础上，针对其存在的不足，提出一种新的水平位移监测方法，即固定方位角-视准线法，较为合理地解决了工作基站(测站)稳定性得不到保证的难题，且成功应用于实际工程项目中，并起到了良好的效果。

关键词：基坑；水平位移；监测；新方法；固定方位角-视准线法

随着城市建设的高速发展，高层建筑不断涌现，城市地下空间的利用需求也急剧增加，地下基坑的开挖面积和深度也向大而深的方向发展，并且不规则基坑的形状也越来越多。基坑开挖会引起周边土体应力场的变化，不仅对基坑自身围护结构会有很大影响，而且影响周边建筑物的安全[1]。为保证周边建筑物及基坑施工安全，根据《建筑基坑支护技术规程》及《建筑基坑工程监测技术规范》，基坑水平位移监测已作为各级基坑施工的必要监测项目。基坑水平位移监测的方法较多，选择既适应作业场地条件又能满足监测精度的方法，高效提供监测信息，是监测人员应关注并考虑研究的问题。

一、传统监测方法

基坑水平位移监测的方法主要有：视准线法、小角法、极坐标法、方向线偏移法、边角交会法、精密导线法、单站改正法和自由设站法等[2]。以上方法在使用上各有其优点，但结合不同的现场监测条件均存在一定的不足，如视准线法，方法简便、实用、效率高、投资较少等，但需要在现场通过设置测站点、方向点和检核点建立视准线，各种点的设置受基坑周边环境影响较大。小角法简单易行，便于实地操作，精度较高，但对监测环境条件较高，工作基点的改正不方便，基准点的设置不好选择。极坐标法设站灵活，简单快速，但监测精度经常会受到限制。根据对各种监测方法的分析比较，视准线法和小角法以简单、直观、效率高的特点在工程监测中得到广泛应用，但对于深基坑而言，往往没有足够的空间布设工作基准线及稳定的基准点。因而，采用这些方法监测水平位移时，均将工作基点设置在基坑变形区域内，而在影响区域外设置基准点，定期采用导线法或其他测量方法检测工作基点的稳定性，该方法工作量较大[3-5]。

二、固定方位角-视准线法

针对以上监测方法存在的使用上的不足，本文提出一种新的基坑水平位移监测方法，即固定方位角-视准线法。固定方位角-视准线，即在基坑监测平面坐标系统中，一条通过测站点基本平行基坑边线且赋予了方位角数值的视准线。该方法是从传统的视准线方法的基础上演变而来，主要是采取复合基准的方法将场外基准(设置在变形区外的基准点)点与工作基点(测站点)有机地连接在一起，每次监测时测站都与场外基准点进行联测，并以场外基准点为起算点对测站位置数据进行动态检测，给测站的位置数据变化设置一个阈值，进行实时监控。每次监测完成后，及时对测站的位置数据变化进行判断，即以场外基准点为起算点，以检测距离和角度为观测值，归算测站点的坐标，当坐标变化量超过阈值时，以测站点坐标的改变量作为视准线的偏移量，更新测站点到场外基准点的方位角数值，即观测起始方向的方位角。通过测站位置和观测起始方向的归算，实现对监测成果的实时修正。

固定方位角—视准线法的作业原理如图1所示。

图1　固定方位角-视准线法监测示意图

如图1所示，点A为初始工作基点(测站点)，点A′为位移后的工作基点(测站点)，点P为监测点初始位置，点P′为变形位移后的监测点，AM为与基坑边平行的初始固定方位角-视准线，A′M′为工作基点位移后的固定方位角-视准线，在监测周期内，测站点位始终固定在一个位置，A′M′始终平行AM且数值不变；L0为监测点P偏离初始固定方位角-视准线AM的初始值，L1为位移后的监测点P′至初始固定方位角-视准线AM的偏离值，L2为位移后的监测点P′至位移后固定方位角-视准线A′M′的偏离值，视准线的修正值Δ为位移后固定方位角-视准线A′M′距初始固定方位角-视准线AM的变化量。

令测站点到监测点的方位角为αAP，固定方位角为αAM,测站点到监测点的距离为DAP,测站点A后视方向点O观测监测点P的角度值为β，则监测点P至固定方位角-视准线的偏离值L为

L=DAPsinΔα

(1)

式中，Δα=αAP-αAM；αAP=αAO+β；αAM可根据基坑设计文件获取。

每次监测结束后，根据对测站动态检测的结果，判断是否对测站位置数据进行修正。

若经过检查判定，工作基点(测站点)A位置数据变化量未超过阈值，则监测点P本次偏离初始固定方位角-视准线的值按式(1)计算，相邻单次变化量为dij=Lj-Li,累计变形值为δ=Lj-L0，式中的下标代表监测期次。

若经过检查判定，工作基点(测站点)A的位置数据变化量超过了设定的阈值时，则以测站点坐标变化量作为视准线的修正值Δ，以更新后的测站至场外基准点的方位角、本次观测监测点的角值和距离，按式(1)计算监测点到移动后的固定方位角-视准线的值。然后，根据监测点与固定方位角-视准线的位置关系，将计算值与修正值取代数和，归算监测点P本次偏离初始固定方位角-视准线的值。相邻单次变化量为dij=Lj-Li,累计变形值为δ=Lj-L0。

上述计算可以在设计好的表格中完成。

中国高技术制造业增加值影响因素的面板数据模型分析 ……………………………………… 刘硕胡泽文智晨（4/17）

与常规视准线监测方法相比，固定方位角-视准线法的最大改进是无需在作业现场实际建立一条沿基坑边平行的视准线，即只设置测站点和任意方向的固定后视点，这给实际应用带来了极大的便利。

三、工程应用

以北京市某深基坑为例，该基坑总用地面积约42 000 m2，东西长约208 m，南北宽约115 m，开挖深度约28 m，呈半品字形(如图2所示)。基坑形状比较规则，三面临街，用围挡隔开，一面与在施项目衔接。场地内基坑边线到围挡的间距有限，可供监测作业的空间狭窄。常规的监测方法不易实施，如采用视准线法，则很难在作业现场选择方向点和检核点。在充分了解和分析了场地条件后，选择采用固定方位角-视准线法进行基坑桩顶水平位移监测。实施中，设计了如图2所示的监测网络，其中K1为工作基点(测站点)，采用强制对中观测架，处于基坑变形区域内，其余点为场外基准点，设置于变形区以外稳定的建筑物上。

图2　基坑监测基准点布置示意图

根据基坑设计文件，本项目的基坑安全等级为一级。根据监测规范以及基坑设计文件给出的基坑围护桩水平位移的预警值，确定以基坑水平位移变形量的精度2 mm为估计目标设计监测方案。

在现场安置工作基点(测站点)和监测点时，设计Δα不大于5°。本项目配置的监测设备是1″级徕卡全站仪，测距标称精度为1 mm+1×10-6D。固定方位角由基坑设计文件中获取。设计测站位置变化量的阈值为不大于变形值的精度，即2 mm。测站至监测点的距离不超过100 m。根据上述监测方案的输入条件，进行基坑桩顶水平位移监测方案的设计。

首先根据输入条件设计匹配测角精度和测距精度。

对式(1)微分得

转为中误差式得

顾及Δα=αAP-αAM；αAP=αAB+β；且αAM、αAB为固定值,则上式演变为

(2)

设式(2)中第一项为测距误差影响，第二项为测角误差影响。令测距误差影响值为偏离值测定精度的1/6，则测角误差影响为

也就是说，测角误差影响占偏离值测定精度的98.6%，是偏离值测定精度的主项，而测距误差的影响是可以忽略不计的。

使用配置的监测仪器是容易达到的。

本工程选用标称一测回方向中误差为1″的全站仪进行监测。考虑到监测过程有观测误差、仪器误差、外界环境影响等因素，并且工作基点采用强制对中观测架，位移监测点采用固定观测标志，根据统计数据及现场观测人员熟练程度，估计观测一测回角度的精度m仪为3″。

根据m仪及mβ，按规范要求可估计出应观测角度2测回，首期监测时应连续进行两次独立观测，共观测角度4测回，作为监测对象的初始观测值，以后各期监测观测2测回。

考虑测边方向与基坑水平位移方向近似正交的关系，在角度不变的前提下，当距离变化量不超过5 mm时，对L的影响为亚毫米级，不足mL的1/10。因此距离D可一次测定，当其变化量超过5 mm时，使用新值重新计算L。

由于工作基点K1处在基坑变形区域内，受基坑开挖影响，K1点的位置不断变化，当K1点在垂直于基坑任一边的方向(与修正前相比)大于2 mm时，及时对K1点的坐标通过周边稳定的基准点进行修正，同时对后视方位角进行改正，并通过固定方位角-视准线法对监测点的变形值进行更新。在监测期间，K1点在垂直于固定方位角-视准线的方向上累计变化量达到12 mm(与初始位置相比)，对其进行了6次修正，及时、准确地反映了监测点的实际变化量。

由于监测方法得当，内外业的监测工作效率都比较高，根据项目的实际情况设计的监测方案在工程中得以顺利实施，及时向委托方提供了监测数据，达到了预期的监测目的。

四、结束语

工作基点的设置应便于对基坑水平变形监测点的监测，根据现场情况，一般工作基点设置在基坑周边阴角处，但随着基坑的开挖及现场周边施工的影响，工作基点位移在所难免，而工作基点位移势必影响监测数据的准确性。在整个监测期间，需要随时对工作基点的稳定性进行检查。本文提出采用固定方位角-视准线法进行水平位移监测，其中对工作基点(测站)稳定性的检查是将工作基点(测站)统一至场外基准网中，在每次水平位移监测前，观测工作基点(测站)至基坑影响区域场外基准点的角度、距离，在工作基点(测站)发生位移时可实时对工作基点(测站)进行有效修正，监测成果都是相对于场外基准的，较为合理地解决了工作基站(测站)稳定性得不到保证的难题。

实践结果表明，当基坑周边测量作业场地狭窄，建立视准线困难时(无法设置另一端方向点及检核点)，可采用固定方位角-视准线法。采用这种方法既客观真实地反映了基坑桩顶水平位移的变化情况，也提高了监测的工作效率。

参考文献：

[1]杨雪峰,刘成龙,罗雁文，等.基于自由测站的基坑水平位移监测方法探讨[J].测绘科学,2011,36(5):153-154,192.

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[5]王健.一种有效的基坑水平位移监测方法[J].测绘与空间地理信息,2012,35(8):214-215,218.

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[7]何晖,李栋栋,张少卫，等.基于小角法监测城市深基坑水平位移及精度分析[J].山西建筑,2014(27):60-61,62.

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[9]中华人民共和国建设部.建筑变形测量规范：JGJ 8—2007[S].北京:中国建筑工业出版社,2007.

[10]中华人民共和国建设部,中华人民共和国国家质量监督检验检疫总局.工程测量规范：GB 50026—2007[S].北京:中国计划出版社,2008.