自由设站法在深基坑变形监测中实用性及可靠性分析

2019-03-05包长泰

城市建设理论研究（电子版） 2019年21期

包长泰

中基发展建设工程有限责任公司北京 101300

近年来，深基坑工程数量明显增多，由于施工环境、地质条件以及施工中不确定因素的影响，导致基坑出现变形问题，需要采取恰当的基坑变形监测手段，确保基坑施工安全进行。在监测工作中，可采用自由设站法的监测方式，由于其具有设站灵活、高效的优点，在深基坑变形监测项目中取得广泛应用，为基坑施工高质量开展提供技术支持。

1 自由设站法在深基坑变形监测中的应用意义

基坑施工过程中需保证深基坑和相邻道路、建筑物、地下管道的安全，根据周边环境的不同，基坑的安全等级不同。根据《建筑基坑工程监测技术规范》中对基坑监测项目规定，对于一级、二级、三级基坑，支护结构顶部水平位移监测是必测项目。基坑变形监测过程中，可以利用极坐标法来测定监测点任意方向的水平位移，在深基坑开挖周围确定监测点并在观测点设置全站仪，测定不同监测点的极坐标，对不同阶段的水平位移监测数据进行分析，确定不同监测点发生的位移量。

由于受到现场环境和地质条件的限制，不是所有施工现场都可以设置固定的观测点，针对这一问题，对水平位移的监测方法进行变换，提出了自由设站法。自由设站法是监测基坑变形程度的重要工具，在基坑水平位移监测中体现出较好实用性。如何利用好自由设站法进行深基坑变形监测是目前建筑领域研究重点，通过建立一套有效的自由设站法应用路径体系，能为基坑施工提供借鉴，解决施工中的产生的变形问题。

本文以某深基坑项目为例，讨论该项目中自由设站法的具体应用。

2 自由设站法应用原理

在深基坑施工中采用自由设站法来监测基坑水平位移情况，能进一步规范施工操作，提高基坑施工有效性及安全性。自由设站法在工程实践中取得广泛应用，该方法实质是边角联合后交会法，应用原理如下：如下图所示，A/B两点是已知的位置点，P点是待定点，采取边角联合交会法，分别测量AP、BP间的距离S1、S2并测定两条线的方向值。采用最小二乘法得出误差计算公式：V=AX-L。

图 1 自由设站法边角联合交会法基坑监测示意图

根据自由设站点和已知控制点之间形成的边长观测值和方向值，建立两者的误差公式，经过推导后可确定设站点的误差大小，并确定基坑水平位移大小。根据已有的研究结果，当已知控制点个数不断增加时，则设站点的监测有效性随之提高，确保自由设站法在基坑变形监测中的应用效果较好。相关基坑监测规范中指出：水平位移监测设站点应设置在及基坑开挖深度的三倍范围外，且不受施工影响的区域。现假设基坑开挖深度是20米，已知控制点之间相隔100米，考虑到基坑变形监测规范要求对中装置的对中误差不能超过0.1毫米的规定，可利用监测精度是1.5+2ppm的全站仪进行监测。从实践经验来看，交会角的大小对设站点精度影响较大，随着交会角增大，设站点精度越高；如果自由设站点与已知控制点连线较为接近时，点位精度较高；基坑边长测量中的固定误差会对点位精度产生较大影响，但测距长短对比例误差影响不大。

3 自由设站法在深基坑变形监测中的具体应用过程

自由设站法监测是以同时测量距离和角度的极坐标为基础，利用高精度的监测仪器在基坑开挖深度一定范围内设置观测站，选取多个已知控制点，从观测站上测量已知点和变形监测设站点的距离和方向，采用极坐标法计算基点和变形点的平面坐标，进行坐标转换后确定不同变形监测点对于已知控制点的坐标位置，通过进行周期性观测，确定基坑的水平位移变化量。

（一）建立坐标系统

在深基坑施工影响范围外的稳固区域或者旧建筑物上，选取两个基准点，连接成一条平行于深基坑的基准线，基准点的间距利用全站仪通过多次观测后确定，这一基准线在地面上的水平投影作为坐标系的横轴方向，和横轴垂直的方向为纵轴方向。

（二）计算公式

明确坐标系统后，在基坑周围的某个观测点位设置全站仪，测定两个基准点A、B到设站点0之间的水平距离，将其表示为SA、SB，并确定全站仪中心点和两个基准点的夹角，以全站仪为基准点，确定一个平面坐标系，其中横轴垂直于基坑坐标系的横轴，并进行观测点、基准点的极坐标到平面坐标的转换。通过对基坑支护结构位移点的坐标换算和周期性观测，能完成各个观测点的坐标转换，由此确定基坑变形程度。

图 2 全站仪坐标系示意图

（三）观测要点

对全站仪的要求：对于基坑变形监测中运用的观测仪器，需要保证经纬仪视线轴、测距仪发射和接收光轴在同一直线上，确保测站点坐标换算的准确性。同时为了满足水平位移监测精度要求，通常要求全站仪测量精度达到±1。全站仪精度在100米内要达到±1mm，且分辨率应是0.1mm，而对于基坑水平位移监测精度来说，利用1-2个测回来监测，能达到0.1mm的精度要求。如果使用监测精度较低的全站仪，则需要适当增加设站点，这就会增加基坑变形监测时间和工作量。

为了提高自由设站法在基坑变形监测中的应用性，要求设站点和基准点间的距离不应过大，要保证基准点的合理选择。通常选择在稳定区域，和已知控制点的距离在100米左右，并且选择的基线和基坑轴线大多数平行的。为了消除仪器监测时的固有误差，每期监测时设置的观测点位置应是大致固定的。

4 自由设站法在深基坑变形监测中应用及分析

深基坑施工过程中要进行相应的监测管理，一般根据基坑开挖范围和支护结构的各项参数确定监测方案，对基坑安全等级进行评价，并实施分级控制。支护结构水平位移的监测值要按照基坑级别确定，规定一级基坑的围护结构最大水平位移的监控值为35；二级基坑围护结构水平监控值为60；三级基坑围护结构的水平位移监测值为80。

以某院某建筑工程为例，其深基坑开挖中，基坑设计长96米、宽55米，开挖深度16m。基坑东侧约10m为三栋六层楼房、基坑北侧约30m为职工活动中心、西侧约8m为两栋4层办公楼，基坑南侧约30m为高层办公科研楼。因场地为管制区域，基坑外5～8m设置围挡，只在办公科研楼西侧设置狭长出入通道，通道长度50m左右。现场施工场地狭小且周边环境复杂，基坑设计安全等级一级，需要按照一级基坑变形监测标准对基坑支护结构的水平位移程度进行监控。

图 3 基坑监测点布局示意图

（一）基坑监测方案设计

上图中的K1、K2是考虑施工现场环境条件设置的两个基准点，在施工围挡外侧，为保证通视，审批开门两扇。并在距离深基坑约50m的位置设置观测点，这一点位在基坑开挖影响区域外，这两个基准点使用对外观测墩。在确定基准点和观测点后，建立和基坑边相平行的直角坐标系，其中K2坐标位置（500，500），利用全站仪测量两点的距离，确定K1坐标（500，232）。其中D0-D15是深基坑支护结构的多个水平位移观测点，判断不同阶段这些观测点的位移值，可进一步分析基坑变形情况。由于观测视线受阻，不能从基准点上直接观察水平位移监测点，要想全面掌握各个观测点的水平位移大小，还需采取自由设站法结合极坐标法的监测方案，有效测定围护结构的水平位移值。

（二）精度估算

设置自由观测点时，可根据当时通视情况、灵活设站。利用Leica TS02 PLUS全站仪来测量观测站到两个基准点间的距离和方向值，能保证测量结果误差较小，并且可对观测点的测量精度进行计算。从计算结果看，观测点的点位精度和交会角大小之间是正相关的，交会角超过40°时，点位精度提升较为缓慢。在实际位移监测中要避免小角交会。当自由设站点在两个基准点之间时，能达到最高精度，但是由于距离和角度不能互相检验，导致监测结果准确性较差。因此在保证交会角大的同时，可适当增加后视点，以便增强可靠性。

（三）精度分析

在选定自由设站点后，将基准点坐标输入全站仪自由设站测量程序中，测量自由观测点到两个基准点的距离和方向，全站仪会直接计算出观测点的坐标。之后从基准点出发选定观测方向，瞄准监测点中轴线用极坐标法得到各点坐标。从监测过程中可知水平位移观测点的误差主要包括极坐标法计算误差和观测点测量误差两部分。本次基坑变形监测总共进行了30期监测，以其中一期为例，自由设站点的交会角分别是41°和54°，根据图形条件，查得极坐标法测定观测点时的起始误差为0.68mm。极坐标法测量中，观测点就是随时监测的自由设站点，这时不需要考虑监测中的对中误差，最终监测结果的精度只与测距误差、测角误差有关。按照基坑变形监测的精度规定，通常情况下，监测过程中的误差要小于允许基坑变形大小的1/10-1/20。当深基坑支护结构的水平位移监测按照一级基坑相关要求进行时，可采取基坑水平位移允许值的1/15为监测误差，要求监测点中误差不超过2mm，确保监测结果准确。通过对上述自由设站法监测误差的分析可知，选择Leica TS02 PLUS全站仪，采用极坐标法和自由设站法，能直接测量基坑支护结构的水平位移大小，进而满足基坑变形监测要求，达到较高的精度标准。当采用自由观测点坐标法测量观测已知方向，可采取强制对中螺杆等措施，进而加大监测精度。

具体来说，自由设站法在解决城市基坑施工中的通视问题上有着较好应用，能解决由于基坑开挖引起的土体变形问题，避免由于基点不稳定造成的监测误差问题。同时自由设站点方法实施中，观测点精度和监测图形有关，要求选择测距和测角精度相符合的全站仪，从施工现场实际情况入手，控制交会角在40°到120°之间，在条件允许的情况下，可适当增加已知控制点，得到大量的观测数据，以便提高观测点设置精度和可靠性，为自由设站法在基坑变形监测中的有效运用提供条件。使用精度等级较高的全站仪，是保证监测有效性的关键，当观测点距基准点距离较小时，可利用自由设站点和极坐标转换相结合的方法，当深基坑支护结构水平位移在2mm内时，则说明基坑变形程度在可允许范围内。采用上述方法进行深基坑变形情况的监测，提高了设站灵活性和作业效率，可快速获取监测反馈信息，为深基坑施工作业顺利开展提供参考。