深基坑监测技术探讨

郝雨琦 于建文

摘 要：随着我国经济建设的推进，越来越多的高大建筑开始向纵向空间发展，而基坑工程也随之逐渐扩大。基坑在开挖施工过程中由于受基坑土质、开挖深度及尺寸、周围荷载、支护系统及施工方法等诸多因素影响，基坑变形将是不可避免的。为了保证基坑工程施工质量，保证工程自身稳定和周边环境的安全，必须要在施工过程中进行基坑监测来指导下一步的施工。本文详细描述了利用全站仪、水准仪、收敛计等在三维变形监测中的应用和方法，最后介绍了结合云计算、大数据等新技术的在线监测和BIM在深基坑监测中的应用的新技术。

关键词：基坑工程；基坑变形；基坑监测

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.088

1 工程概述

马鞍山郑蒲港铁路牛屯河特大桥桥址区起始端与既有淮南铁路并行跨牛屯河、X016县道，合芜高速公路等，全长16.34km。穿越区地质多为杂填土、黏土、泥岩、泥质砂岩。本次基坑监测位置为牛屯河特大桥连续梁主墩43#墩、44#墩，基坑施工为钢板桩围堰方法，钢板桩围堰为矩形轮廓，长为11.0m，宽为15.5m，基坑深度为9m，钢板桩嵌入平台顶以下14.5m，围堰内部采用三层内支撑，见图1。

2 深基坑监测的特点和内容

2.1 监测特点

（1）时效性。基坑监测通常有鲜明的时间性。测量结果是动态变化的，一天以前（甚至几小时以前）的测量结果都会失去直接的意义，因此深基坑施工中监测需随时进行，在测量对象变化快的关键时期，可能每天需进行数次观测。

（2）高精度。基坑施工中的测量通常采用一些特殊的高精度仪器。

（3）等精度。基坑施工中的监测通常只要求测得相对变化值，而不要求测量绝对值。基坑监测要求尽可能做到等精度，使用相同的仪器，在相同的位置上，由同一观测者按同一方案进行监测。

2.2 监测内容

（1）基坑周围土体沉降。

（2）基坑坑底隆起。

（3）支护结构水平位移。

（4）基坑周边收敛。

（5）深层土体差异沉降和水平位移等。

监测内容取决于工程本身的规模、施工方法、地质条件、环境条件等。具体施工中应根据设计规范要求，结合工程实际情况委托第三方监测机构进行监测。施工前应编制好监测方案，报总监理工程师审批，监测时按审批的方案进行布点，实施监测，并及时提交监测数据。

3 深基坑监测的方法

监测基坑周围土体沉降和基坑隆起主要采用几何水准法，通过高精度的光学或电子水准仪进行直接观测，计算出变形量。监测精度要求不高时，可直接通过全站仪观测监测点的三维坐标，求得基坑沉降和水平位移量。

监测深基坑边坡水平位移，通常要布设变形监测网，然后基于该网，采用交会法、视准线法和全站仪三维极坐标法等监测。下面着重探讨下利用全站仪建立无接触测量三维变形监测网及其无接触测量技术，如何监测基坑的三维变形和基坑的坑壁收敛。

如图2（a）所示，深基坑开挖前，在基坑周围稳固的构建物上粘贴聚酯反射片，如果距离比较远可以安装微型棱镜代替反射片，然后全站仪在几个合适的位置自由设站，对反射片进行三维观测，并作三维严密平差，建立无接触测量三维变形监测网。这种类型的三维监测网采用独立基准，它的坐标轴宜与深基坑轴线平行。进行变形监测的时候，用监测点上一次的坐标减去本次的坐标的差来计算当期基坑的变形量，与初始值的坐标差计算累计的变形量。

无接触变形监测技术有以下三方面应用：

（1）采用自由设站法测量三维监测网点的三维坐标。如图2（b）所示，在监测变形的位置粘贴聚酯反射片，在适当的位置架好全站仪，然后测量一部分或全部三维监测网点，并且同步观测监测点，求得网点和监测点在全站仪坐标系中的三维坐标。全站仪坐标系的原点位于仪器三轴的交点，坐标轴方向随机为仪器水平度盘和竖直度盘的“0”方向。假定网点在监测网坐标系的坐标为（，，），在全站仪坐标系中的坐标为（），监测点在监测网坐标系的坐标为（，，），监测点在全站仪坐标系中的坐标为（，，）。（，，）与（，，）有如下轉换关系：

= （1）

式中，，，为坐标平移参数，为尺度因子，R为含三个独立因子的旋转矩阵。所以，要求得（1）式中的平移参数、尺度因子和旋转矩阵因子，就要同步观测至少3个三维监测网点。监测点在监测网中的三维坐标按下式计算：

= （2）

式中平移参数，，就是全站仪三轴交点在三维监测网中的坐标分量。对不同周期的监测点坐标求差，就可求得监测点的变形量。

这种方法可以自由设站，没有仪器对中、量高误差，用测量机器人可以全自动测量；不需要考虑气温、气压等因素的影响，因为测量结果总是转化到固定的三维网，无论变形监测期间的尺度因子如何变化，其最终结果的尺度总是和建网时的尺度一致。另外，进行变形测量时，仪器的一些系统误差也可以抵消。在20到50米范围内，精度为正负2”和1+2PPm的全站仪，变形监测精度可达0.2～0.4mm，即使百米范围内，精度也可达毫米级。

（2）监测基坑周边和坑壁的水平位移。基坑坑壁经常会受到施工的干扰，不能直接观测的位置，可以用全站仪、铅直仪和小钢尺配合，监测坑壁变形，如图3所示。

将全站仪架设在坑壁上方的平台上，观测4到6个三维监测点，然后利用边、角后方交会原理，或三维坐标转换法，求得全站仪三轴交点的坐标；保持全站仪基座位置不动，卸下全站仪，然后在基座上安置光学铅直仪，这时候铅直仪轴线一样通过全站仪的三轴交点。在监测变形的位置平放小钢尺，等光学铅直仪调好焦距后，可直接在小钢尺上读数，这样就可以间接求得待测点的水平位移。

（3）监测坑壁收敛。如图4所示，基坑宽度小时，可以用收敛计直接测量基坑两边同一高度处A、D两点的相对收敛情况。尽管收敛计本身读数精度很高，但是会受到设备安置等因素的影响，重复测量精度只能达到0.3～0.5mm。当基坑宽度较大时，收敛计就无法测量了，这时采用全站仪无接触测量就可以解决这一问题。

在图4中基坑两边同一高度处 A 、D 点处粘贴聚酯反射片，采用全站仪无接触测量法自由设站进行三维测量，测定A、D两点的水平方向、，天顶距、及斜距、建立如图5所示的坐标系，原点O为全站仪三轴的交点，X轴平行于AD连线的水平投影。则A 、D点在此坐标系中的坐标为：

（3）

和

（4）

式中，=-为OA与Y轴的夹角。

由=可得：

于是得：

= （5）

AD长度为：

= （6）

对上式全微分，可得AD的精度：

= （7）

由式（7）可知，适当选择测站位置，能使A、D点的X 、Z坐标达到较高的精度。在距监测断面50m内，AD边的精度可达到0.4～0.7mm。

4 监测数据处理与反馈

（1）所有的观测数据都按基坑监测方案要求的各项限差进行控制。对监测原始数据进行数据改正、平差计算， 计算各点的变形量及累计变形量，生成监测报表和变形曲线图。每次测量后对每个量测点分别作回归分析，求出各自精度最高的回归方程，并进行相关分析和预测，推算出最终变形规律，并由此判断施工方法的合理与安全性。

（2）随着施工的进度，监测工作在工程期间应穿插进行。为了做到监控能时时指导施工，应及时将处理数据制定成报表反馈给技术人员。采取预警控制法结合变形速率进行安全信息反馈，监测数据超过预警值或超过累积值时，监测人员应在当天的报表中标注出来，及时向技术主管部门进行汇报。每周进行一次报表汇总，进行周报。

5 结语

深基坑监测直观而有效的监测方法是测量几何量法。监测精度要求不高时，可直接通过全站仪进行监测基坑的三维变化；精度要求高时，可通过几何水准法来监测基坑的沉降和隆起，通过安装收敛计或利用全站仪建立无接触变形监测网来监测基坑三维变形和坑壁收敛。通过基坑监测减少施工的盲目性，及时发现施工过程中的异常并预警，保证基坑的安全施工，其社会效益及经济效益是非常明显的。

6 展望

（1）目前基坑监测以人工监测为主，受很多因素影响，存在人为误差， 各项技术参数不能实时监测，汇总分析滞后，难以及时掌握存在的问题与风險。结合云计算、大数据等新技术的在线监测能够提供不间断的数据。通过传感器与无线节点进行连接，数据通过云网关内置的无线传输模块，上传到云平台的控制中心。云平台提供实时显示、自动报警和数据储存等功能。客户通过手机或者PC访问服务器，获取短信报警，数据分析等相关服务。

（2）BIM技术应用于深基坑监测中是通过将基坑的形状 、支护结构、 周围的环境和各类监测点建立三维模型，再将实时的数据导入模型中，并通过检测模型的5D动画模拟 （三维模型+时间轴+变形色谱云图），就可以直观的展示出基坑变形的细微程度，从而分析和预测重要节点部位和潜在的问题，排除施工过程中的风险，消除危险节点，进行不同施工方案的比较分析。

参考文献：

[1]建筑基坑工程监测技术规范（GB50497-2009）[S].

[2]张正禄.工程测量学[M].武汉大学出版社，2013：199-231.

[3]王进.深基坑监测技术探讨[J].技术与市场，2011（04）：34-36.