关于修订国家标准《建筑基坑工程监测技术规范》竖向位移监测精度的实验分析

胡园园，刘俊生，陈昌师

(南京市测绘勘察研究院股份有限公司，江苏 南京 210019)

1 引 言

南京市测绘勘察研究院股份有限公司应济南大学邀请参编修订国家标准《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009[1]，为了更好地完成修订工作，确保该标准具有广泛的代表性、良好的适应性和更高的修订水平，本文采取实验分析方法研究竖向位移监测精度，为该规范修订提供依据和数据参考。

本次实验以南京河西某基坑工地为实践场地，由于基坑工程的竖向位移和水平位移监测在专业划分上均属于变形测量的范畴，故本次实验竖向位移监测等级要求参考《建筑物变形测量规范》JGJ8-2016[2]的二等变形测量要求。实验主要分析以下三类参数对测量精度的影响：观测线路、测站数、测量等级。通过对实验参数的自由组合，共设置了12种不同实验工况，每种工况进行5次独立观测，通过对60组实验数据进行测站高差中误差、样本中误差分析，得出了一些有用结论。

2 实验设计

2.1 实验要求

根据《建筑变形测量规范》(JGJ8-2016)表3.2.2建筑变形测量的等级、精度指标及其适用范围，二等变形测量适用于“重要场地的边坡监测、重要的基坑监测”，故本次试验主要参考该规范的二等变形测量要求。

2.2 实验方案

本次竖向位移实验主要分析以下三类参数对测量精度的影响：观测线路、测站数、测量等级。考虑到现场实际情况及基坑工地基准点设置情况，本次竖向位移观测实验均采用闭合线路。

其中观测线路分为两种情况。观测线路一：闭合线路中包含建(构)筑物、基坑等复杂情况(代号X1)；观测线路二：闭合线路中不包含建(构)筑物、基坑等(代号X2)。

测站数分为三种情况。测站数一：线路总测站数10站(代号C1)；测站数二：线路总测站数20站(代号C2)；测站数三：线路总测站数30站(代号C3)。

测量等级分为两种情况。测量等级一：标准二等，即前后视距差、视线长度等参数严格按照JGJ8-2016《建筑变形测量规范》中表4.2.3-1数字水准仪观测要求执行(代号L1)；测量等级二：偏差二等，即可按照现场实际情况进行变通执行(代号L2)。

根据三大类不同参数组合，本次实验共产生了12种不同工况情况，每种工况进行5次独立观测，共进行60次闭合水准线路测量，具体如表1所示：

本次实验时间从2017年3月31日～2017年4月4日结束，实验场地位于南京某工地基坑项目场地。工地施工工况为：二层支撑施工中。

不包含建(构)筑物、基坑的X2工况在基坑北侧金沙江东街道路上设置闭合线路，包含有建(构)筑物、基坑的X1工况则在基坑外侧围墙、基坑中间栈桥上设置闭合线路，具体工况线路图及点位布置图如图1所示。

实验工况安排 表1

图1 工况线路图及点位布置图

2.3 实验器材准备

在水准测量仪器要求方面，根据《建筑变形测量规范》(JGJ8-2016)中表4.2.1水准仪型号和标尺类型规定，测量等级二等可以采用DS05或DS1的水准仪。经过调查发现，在南京地区绝大多数从事基坑监测的企业都已经普遍配备了足够数量的DS05型数字水准仪，DS1和DS2型水准仪大有被淘汰的趋势，故本次实验仪器全部选用DS05型数字水准仪。

仪器：5台天宝DINI03仪器，标称精度 ±0.3 mm/km

人员：5名操作熟练的技术人员，2名辅助人员

条码尺：一副铟瓦尺(保证样本的一致性)

尺垫：2个5 kg尺垫，带辅助杆

脚架：5个木质三角脚架

3 精度分析原理

3.1 一测站高差中误差

根据误差传播定律[3]，计算一测站高差中误差，即：

(1)

其中：m——每测站高差中误差

△——线路高差闭合差

n——测站数

3.2 样本中误差

通过对水准测量的原理、方法、误差来源等进行分析，并针对这些因素改变某些观测条件，采用独立观测实验方法，计算测点高程中误差。

在观测次数N不是无限多时，真值很难确定，而一个接近于真值的量(最或然值)可以通过公式计算得来，N越大，最或然值与真值的差别越小。为了将N为有限个数n时计算的算术平均值与真值相区别，用x表示，即

(2)

这时，因x不等于X，故观测值L与x之差将不是真误差，而是被称为离差的v，在测绘学中称为改正数。计算v的规则如下：

v=x-L或x=L+v

(3)

即观测值加上改正数v后为最或然值。利用改正数v也可以计算中误差，计算式为[3]：

(4)

4 实验数据分析

4.1 闭合差及一测站高差中误差分析

不同工况闭合差(mm) 表2

不同工况一测站高差中误差(mm) 表3

图2 不同工况下闭合差分布

图3 不同工况下一测站高差中误差分布

依据GB50026-2007《工程测量规范》第10.3.5条“DS05级水准仪视准轴与水准管轴的夹角不得大于10″”[4]可知本次实验5台仪器i角均在合格范围内。

另外X1C1L1线路中所有闭合差普遍较大，考虑本次线路测量过程中，工地挖机作业靠近水准线路，导致偶然误差增大。其中组4(仪器i角-9.59″)在此3条线路中均有闭合差超过 1 mm的情况，表明仪器i角大小会对线路闭合差产生一定影响；X1C3L2线路中3组数据闭合差均超过 1 mm，表明在测站数较多、水准线路复杂且测量等级不严格情况下，偶然误差会增大。

结合表3及图3可知：60组一测站高差中误差样本中有4个数据超过 0.3 mm，不满足《建筑基坑工程监测技术规范》表6.3.3的要求，但均小于 0.5 mm(JGJ8-2016《建筑变形测量规范》中表3.2.2建筑变形测量的等级、精度指标及其适用范围规定，二等水准测量测站高差中误差限值为 0.5 mm)。

4.2 相同工况相同点样本中误差分析

注：①测点信息详见表1。②本表中测点中误差均包含5次独立观测值。

由表4可知，本次实验12个工况中共获得了76组样本中误差，有5个工况8组样本存在测点高程中误差超过 0.5 mm的情况。其中工况X1C1L1：测点L01、Q01；工况X1C1L2：测点L01；工况X1C3L2：测点L01、Q01；工况X2C2L1：测点D02；工况X2C3L2：测点D04、D08。测点高程中误差的误差范围为 0.059 mm～0.801 mm。

测点L01、Q01高程中误差在3个不同工况中均大于 0.5 mm，有可能是测量过程中这两个点立尺不稳造成的。除去偶然因素，仅有3点次超过 0.5 mm，占总样本的3.9%。

5 实验结论

经过现场实验及数据分析，得出以下结论：

(1)外业测量过程中，应尽量避免挖机作业等恶劣环境，否则会导致偶然误差增大，数据成果不理想。

(2)在测站数较多(≥30站)的情况下，线路闭合差会大于 1 mm，但并未超过闭合差限值。

(3)仪器i角大小会影响线路闭合差，一般来说i角越大，线路闭合差越大，且这种情况概率会随着测站数n的增加而增大。

(4)一测站高差中误差普遍小于 0.3 mm，但在闭合差未超限的情况下仍然存在测站高差中误差大于 0.3 mm情况。

(5)测量等级的严格与否对线路闭合差没有明显影响。

(6)线路难易程度对线路闭合差影响不大。

(7)测点高程中误差大小与线路闭合差有密切关系，线路闭合差越大，测点高程中误差越大，反之亦然。

6 建 议

《建筑基坑工程监测技术规范》修订稿中竖向位移精度如表5所示：

原规范中竖向位移监测精度要求 表5

注：监测点测站高差中误差系指相应精度与视距的几何水准测量单程一测站的高差中误差。

建议修订参数如表6所示：

建议修订的竖向位移监测精度要求 表6

注：①监测点测站高差中误差系指相应精度与视距的几何水准测量单程一测站的高差中误差。
②表中n为测站数。