高精度全站仪在城市建筑基坑变形监测中的应用

范兵，李改，易小江，周应权，冯嘉林

（1重庆市江南新城开发建设（集团）有限公司，重庆 401336；2重庆市建筑科学研究院有限公司，重庆 400016）

0 引言

随着我国城市化进程的推进，各种新型、大型建筑物不断涌现，建筑基坑开挖的深度越来越大，规模越来越复杂。为了确保支护结构和相邻建筑的安全，在施工过程中要对基坑的变形情况进行监测，从而保证施工过程中支护结构及相邻建筑物的安全、稳定[1-3]。

基坑变形监测主要包括水平位移监测和竖向位移监测。基坑水平位移监测包括测定特定方向上的水平位移，常用方法有视准线活动觇牌法、视准线测小角法、激光准直法等。这些方法的特点是使用经纬仪即可进行观测，以基坑附近有稳定的基准点为基础，并保证在监测点通视的条件下才能实施[4]。同时，不同边在水平位移观测时需分别设站，观测时间较长，对于复杂的监测环境不太适用。基坑竖向位移监测的传统方法主要以几何水准测量为主，其测量精度高，数据可靠，能够有效反应基坑的竖向变形。其缺点在于高程传递受地形环境影响因素较大，监测耗时较长，在某些特殊基坑或基坑较深时无法有效实施。

相较于上述监测方法，采用全站仪坐标法进行水平位移监测、三角高程测量法进行竖向位移监测都比较简便，对于各种形状、各种类型的基坑通过一站式监测几乎都能轻易获取监测点的坐标，通过计算两次坐标的变化量即可确定位移量[5]。但是由于普通全站仪的标称精度较低，其位移观测精度（特别是竖向位移精度）不能满足相应规范要求，从而导致全站仪法难以在基坑变形监测中得到很好的应用。随着科学技术的不断发展，高精度全站仪得以出现。目前，现有的高精度全站仪测角标称精度为0.5″，测距标称精度为0.6mm+1ppm，保证其测量精度能够达到相应规范要求。新版《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497—2019）[6]已将全站仪坐标法和三角高程测量法作为基坑水平位移和竖向位移的常规监测方法。这表明，当全站仪精度得到保证时，采用全站仪进行基坑位移监测是可行且有效的。

1 全站仪水平位移坐标点位精度分析

全站仪监测基坑水平位移的方法称之为全站仪坐标法，包括极坐标法和以极坐标法为基础的自由设站法。它通过直接测定基坑位移监测点的坐标，计算前后两次坐标的变化量即可确定位移量。由于测量坐标的精度受到距离测量精度和角度测量精度的双重影响，不太容易估算，现根据测量误差的理论知识，对全站仪坐标法的精度进行分析。

全站仪坐标法测量精度的影响因素主要来自于观测误差、全站仪对中误差、监测点棱镜偏心误差。观测误差由测距中误差和测角中误差构成。其中，测角中误差又由水平角和竖直角构成。观测误差由全站仪设备本身的标称精度所决定。由于高精度全站仪自身的标称精度较高，其观测误差可以得到有效控制。全站仪对中误差和监测点偏心误差是指当全站仪或棱镜采用三脚架对中时产生的误差，一般来讲，其误差不宜超过±0.5mm。而当全站仪或者棱镜采用具有强制对中装置的观测墩或者棱镜台时，其对中误差和偏心误差很小，几乎可忽略不计。

由于观测误差、仪器对中误差、偏心误差是相互独立的，根据误差传播定律，可得到监测点的点位中误差为：

以瑞士莱卡TS60高精度全站仪为例，对不同观测距离位移观测点的坐标精度进行分析。一般来讲，基坑变形观测点位移分布在基坑顶部，且位于同一水平面上，仪器观测时的竖直角较小，因此将竖直角设置为0。TS60高精度全站仪测距标称精度为0.6mm+1ppm，测角标称精度为0.5″，仪器对中误差和偏心误差均以±0.8mm来考虑。根据式（1）、式（2），得到该全站仪在不同测距时一个测回的测点中误差，如表1所示。

《建筑基坑工程监测技术标准》将基坑水平位移监测精度按照水平位移预警值分为4级，结合基坑安全等级可知，一二级基坑监测点坐标中误差要求为±1.5mm，三级基坑监测点坐标中误差要求为±2.0mm。由表1可知，随着测距增大，全站仪测量精度逐步降低，且采用强制对中方式具有相对良好的测量效果。考虑到基坑监测中测站点到监测点的距离一般不大于300m，高精度全站仪采用强制对中方式一测回即可满足一二级基坑的监测精度要求，如采用光学对中方式，则需要结合基坑地形情况和基坑安全等级适当增加测回，以保证测量精度满足规范要求。

2 全站仪竖向位移高差监测精度分析

全站仪监测基坑竖向位移的方法称之为三角高程测量法。几何水准测量法作为传统的高程测量方法，其仪器、技术成熟，测量精度容易保证，但受基坑地形环境影响，有时不便于进行监测。全站仪三角高程测量法测量竖向位移相对简便，能够适应各种地形环境的基坑，当其测量精度得到保证时，可作为基坑竖向位移监测的有效方法。现对全站仪三角高程测量法的精度进行分析。

全站仪三角高程测量精度的影响因素主要来自于观测误差、测量仪器高和棱镜高的误差、大气折光误差和地球曲率误差。观测中误差由测距中误差和竖直角中误差构成，由全站仪设备自身的精度决定。高精度全站仪的标称精度如上文所示。大气折光系数中误差与气压、温度梯度有关。根据王坤昂等人[7]的研究成果可知，测距在300m以内，大气折光系数中误差较小，一般应小于等于0.063mm。同样，由于观测误差、测量仪器高和棱镜高的误差，大气折光误差和地球曲率误差均是相互独立的，根据误差传播定律可得到高差中误差为：

同样，以瑞士莱卡TS60高精度全站仪为例，对不同竖直角、不同观测距离时观测点的高程精度进行分析。TS60高精度全站仪测距标称精度为0.6mm+1ppm，测角标称精度为0.5″。大气折光系数中误差取±0.05mm，地球平均曲率半径为6371km。测量仪器高和棱镜高的误差取值为±0.55mm。根据式（3）—式（5），得到此高精度全站仪在不同测距、不同竖直角时一个测回的高差中误差，如表2所示。

表2 高精度全站仪监测点高差中误差

《规范》将基坑竖向位移监测精度按照竖向位移预警值分为4级，结合基坑安全等级可知，一二级基坑监测点高差中误差要求为±0.5mm，三级基坑监测点高差中误差要求为±1.0mm。由表2可知，随着测距增大，竖直角增大，全站仪测量精度逐步降低，且采用强制对中方式，具有相对良好的测量效果。当采用强制对中方式时，竖直角需在20°以内，测距小于200m，一测回的竖向位移精度能够满足相应规范要求，否则应增加测回数量，以提高测量精度。采用光学对中方式对安全等级为一二级的基坑进行测量时，必须进行多测回监测，以保证测量结果的有效性。

3 应用实例

重庆市南岸区某建筑基坑项目，拟建场地原为构造剥蚀浅丘地貌，现场地已经过场平工作。地形平缓，地形坡角5°～8°。场地最高标高约284.00m，最低标高约279.00m，高差5m。根据建筑总平面图及设计平场标高，基坑开挖后最大土质边坡高度约9.8m，环长约426m。其中AB段边坡中风化基岩采用1∶0.35放坡+喷射混凝土护坡，强风化基岩及土层采用1∶1.25放坡+喷射混凝土护坡；BF段和FG段边坡采用1∶1.25放坡+喷射混凝土护坡；GA边坡采用1∶0.25放坡+锚杆+肋板式挡墙支护；进出基坑临时通道以上边坡全采用1∶1.25放坡+喷射混凝土护坡。基坑工程安全等级为一级。结合规范和实际工程经验，针对该项目，将预警值作以下设置：基坑支护顶部水平位移累计值报警值为40mm，变化速率报警值为3mm/d。基坑支护顶部竖向位移累计值报警值为30mm，变化速率报警值为2mm/d。

采用瑞士莱卡TS60高精度全站仪对该基坑进行水平位移和竖向位移监测。水平位移监测方法为全站仪坐标法，竖向位移监测方法为三角高程测量法。观测点和控制点均采用特定的观测标志，且观测标志均进行强制对中，以消除对中、偏心、仪高等误差。由于该项目最大测距不超过200m，根据上述水平位移和竖向位移精度分析可知，当采用高精度全站仪强制对中方式时，其水平位移和竖向位移的测量精度满足一级基坑的监测精度要求。

通过该基坑项目38期监测数据分析可知，基坑顶部26个位移监测点的X方向累计水平位移值在-12.6～0.2mm之间，Y方向累计水平位移值在-13.7～0.4mm之间，均未超过报警值40mm。基坑顶部26个位移监测点的累计竖向位移值在-0.1～-7.4mm之间，均未超过报警值30mm。

通过上述分析可知，利用高精度全站仪，采用全站仪坐标法和三角高程测量法直接一站式测定基坑顶部水平位移和竖向位移，能够满足一二级基坑的监测精度要求，达到期望的基坑安全监测效果。

4 结语

本文通过对高精度全站仪水平位移和竖向位移进行精度分析，并结合工程应用实例，发现采用高精度全站仪对城市基坑进行一站式水平位移和竖向位移监测是可行且有效的。采用强制对中方式进行水平位移监测能够有效提高监测精度，但是需要注意的是，当采用光学对中方式时，则要进行多测回测量。测量竖向位移时，应尽量采用强制对中方式，且竖直角和测距不宜过大，以保证监测数据的有效性。