自由设站法在深基坑变形监测中实用性及可靠性分析

2019-10-12胡结实安徽省建筑工程质量第二监督检测站安徽合肥230031

安徽建筑 2019年9期

胡结实（安徽省建筑工程质量第二监督检测站，安徽合肥 230031）

1 引言

随着合肥市城市基础建设的发展，越来越多的高层建筑及超高层建筑拔地而起，让整个城市迈入高层时代，挖深14m～19米的深基坑也开始屡见不鲜；自2012年合肥市跨入地铁建设的第一天起，随着轨道交通1～5号线陆续开工建设及开通，地铁隧道工程使得合肥市的深基坑工程朝着深度更深、面积更大、区域更广的趋势发展，其中大东门站，是合肥轨道交通1号线和2号线的交汇点和换乘枢纽，也是迄今为止国内罕见的复杂地质、超大体量、四周高楼林立的地铁换乘车站。两站斜交呈“T”型，其中1号线车站在下，为地下四层三跨箱型框架结构，也是1号线全线地下最深的站点；2号线车站在上，为地下三层三跨箱型框架结构，这个挖深32m的超深基坑，在合肥也是第一次出现。伴随着高层建筑及地铁建设的发展过程，随之而来因深基坑施工而出现的工程事故也因此屡有发生，造成的人身损失和经济损失也不在少数。

在这种大建设的发展背景下，深基坑施工中的安全问题也愈来被各级行政管理部门重视起来。为了加强对合肥市深基坑工程管理，确保深基坑和相邻建（构）筑物、道路、地下管线等的安全，合肥市城乡建设委员会于2016年制定发布了《合肥市深基坑工程管理规定》，加强对深基坑从勘察设计到施工、监理，以及监测、检测各项的具体管理。

1 自由设站法在深基坑变形监测中的实际意义

深基坑施工过程中必须确保深基坑和相邻建（构）筑物、道路、地下管线等的安全，对于不同安全等级的基坑，《建筑基坑工程监测技术规范》对监测项目有着明确的规定，作为一级、二级、三级三个安全等级基坑变形监测的必测项目，支护结构顶部水平位移的监测是基坑变形监测中最重要的一个监测项目。全站仪作为监测围护结构水平位移的重要工具，在深基坑的变形监测中起着至关重要的作用，如何合理的利用好全站仪的强大功能，更好更灵活的服务于基坑变形监测，是今天要探讨的问题。

在深基坑变形监测中，水平位移的监测通常采用极坐标法，具体如下：在基坑开挖影响范围外设置固定监测基点安放全站仪，测得各监测点坐标，各期监测数据进行分析比较得到各测点位移量。因受施工场地所限，不是每个施工现场都有条件布设固定的监测工作点，如何解决这一问题，下面笔者就合肥市某深基坑项目进行具体分析。

2 工程概况

该工程位于合肥市五河路北，东侧紧邻双岗小学，北侧和西侧紧邻现状6～7F房屋，南侧紧邻五里河路及5F房屋；基坑支护开挖深度10m，基坑支护总体方案为排桩+内支撑体系，支护结构安全等级为一级，结构重要性系数为1.1。基坑开挖边线距周边房屋最小距离仅2m，基坑围护结构破坏后果非常严重。本工程地貌单元为南淝河一级阶地，土层自上而下为：杂填土、粘土、粉质粘土夹粉土、粉土与中粗砂互层，地下水主要为杂填土中上层滞水和粉土与中粗砂互层中的孔隙水。基坑底位于3层粉质黏土夹粉土。

根据设计要求，本工程的监测项目：①桩顶的水平位移监测；②桩顶的竖向位移；③相邻建筑、道路沉降监测；④支护结构深层水平位移（测斜）监测；⑤支撑结构内力监测；⑥立柱沉降；⑦围护桩内力监测；⑧斜撑支座沉降及水平位移。且本项目因为周边相邻建筑多，距离基坑开挖距离近，同时进行了部分项目的实时监测：①相邻建筑的实时倾斜监测；②支护桩深层水平位移的实时监测；③1栋相邻建筑的实时沉降监测。笔者主要就本工程中围护结构水平位移监测方法进行分析。

因受施工场地地形和通视条件的限制，测站点只能设置在正在施工中的场地上，该区域属于不稳定区域，因此，采取全站仪自由设站法对该基坑围护结构变形进行监测。监测点布置如下图所示，共布置了3个观测基准点，50个水平位移监测点。每次观测时选取的测站点与基准点之间的距离在200m左右，与各监测点之间的距离为100～200m左右。

3 全站仪自由设站可靠性分析

3.1 自由设站工作原理

利用全站仪对多个测点进行坐标测量时，若每次选取的测站点和后视点不相同，则各测点观测坐标必然不同，但各测点间的相对位置是相同的，全站仪自由设站法就是利用以上原理进行。

具体监测方法：远离基坑施工影响范围外（一般在基坑开挖深度3倍距离以外）布置基准点A、B、C，基准点的布设必须稳定可靠，设置为带有强制对中的固定观测墩，这样可以消除基准网的对中误差。监测过程中根据施工现场实际情况，选择通视条件好、方便监测的位置自由设立仪器观测站，然后依次观测各基准点及监测点，初次观测数据作为基准数据，基准数据的读取必须在基准点及监测点布设稳定后，取三次稳定观测数据的平均值作为整个监测周期的基准数据，形成初始坐标系统，以后每期的监测数据都与基准数据及初始坐标系统进行比对分析。监测周期内的每次监测采取同样操作，测得每期监测数据，根据最小二乘法原理，将各期监测数据进行转换，将各期监测数据转换至初始坐标系中进行数据比较，从而判断各监测点位移变化情况。

各监测周期实测监测点数据坐标转换至初始基准坐标的转换公式为：

式中，n为基准控制网中基准点数量；∑x、∑y中的x、y为基准点的初始坐标数据；∑A、∑B中的A、B为监测周期内各基准点的实测数据（不包括初始数据）；Ai、Bi为监测点第i监测周期的坐标实测值；X、Y为第i期监测点实测坐标转换到初始基准坐标系中的转换坐标。

3.2 精度分析

实际监测中，采用全站仪自由设站法，采用极坐标法进行观测，各监测点的坐标计算公式为：

其中，α为水平角，β为天顶距，S为斜距。

根据误差传播定律公式，推算得各监测点水平坐标精度为：

式中，mα为水平角的测角精度，mβ为天顶距的测角精度，ms为测距精度。

具体到本工程，使用仪器为Topcon OS-101型，该仪器标称精度为测角精度±1",测距精度为±（2mm+2ppm.D），代入以上公式，通过计算可以得到，如果监测点在距离自由设站点200m的范围内，则监测点在水平位移中误差为±2.23mm，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，所以应用Topcon OS-101型全站仪自由设站法进行该工程的水平位移监测是满足工程需要的。

4 监测成果与分析

该基坑在施工期间，总计进行了86期监测，监测点累计水平位移量最大为J34、J35点，分别为28mm和29mm。该部位的监测数据在2017年9月1日至4日的监测期内，单次变化量达到7mm，变化速率达到2.33mm/d，累计变化量达到了设计提供的预警值20mm，但在控制值30mm之内。经综合本工程各监测项目的监测数据分析，该点的水平位移累计值（20mm）与相对应的深层土体位移累计值（18mm）一致，根据施工工况，此时基坑的该部位正在进行钢格构支撑的拆除，支撑力的消失是导致此次监测数据变化量过大的主要原因，经监测人员及时预警后，设计方调整了拆除方案，分解拆除步骤，延长了拆除支撑的时间，并增加部分土方反压，在拆除期间进行全天候的监测。这些措施及时控制了险情，确保了基坑安全和正常施工，之后该部位监测点位移变化量逐渐趋于稳定，变化速率稳定在1mm/d之内，直至支撑安全拆除完毕，J34、J35点的累计变化量为28mm，在控制值30mm之内，该施工部位的支撑得以安全拆除，监测工作达到了及时预警险情、实时监测反馈况数据、及时给设计人员提供数据反馈、采取相应措施的目的。

累计竖向位移量最大为13.5mm，超出设计提供的预警值10mm但在控制值15mm之内，施工期间基坑工程支护结构工作正常，周边建筑无不良现象产生，施工状况整体安全可靠。结合基坑施工状况、周边建筑的监测状况以及其他监测项目数据综合分析比较，全站仪自由设站法进行水平位移监测灵活可靠，时效性强，实用性突出，很好的满足了工程施工中不同工况条件下对于监测工作的要求，满足本工程水平位移监测的精度要求。