自由测站边角交会法在地铁基坑水平位移变形监测中的应用

2022-08-18何勇

运输经理世界 2022年13期

何勇

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

0 引言

地铁基坑变形监测（简称“基坑监测”）是确保基坑施工安全及邻近周边建筑安全的重要手段，是支护结构方案设计、调整参考依据基础数据的重要来源，而基坑水平位移监测是基坑变形监测的重要内容。基坑水平位移监测通常采用视准线法、极坐标法等方法，而施工期间基坑内空间狭小、通视条件差、施工设备及零星建筑物繁多，导致上述传统的监测方法受到较大限制、效率不高。鉴于此，本文引入高铁轨道控制网（CPIII）建网技术，采用自由测站边角交会法进行基坑水平位移监测。

1 基准网与监测网布设与测量方法

基准点应布设在变形体之外，监测点布设在变形体上。因此，根据现场实际环境条件，基准点布设在远离基坑的周围既有高层建筑物上或在远离变形范围，且通视条件较好的地方建造强制观测墩；监测点采用CPIII 测量标志均匀布设在基坑边缘，其具有平面监测点和沉降监测点共点的优势。

自由测站边角交会法对基准网和监测进行同步观测，即在基坑内部适当的位置架设智能型全站仪，在基准点和监测点上全部规范安装棱镜，采用自动数据采集软件进行自动观测，双测站自由测站边角交会法基坑水平位移监测测量网形如图1所示。

基坑水平位移监测具体步骤如下：

第一，结合工程实际要求，明确基坑变形测量等级及精度。

第二，根据第一步的需要设置全站仪水平方向观测与距离观测精度指标和观测测回数。

第三，采用智能型全站仪自由测站边角交会法进行双测站，即在不同的测站位置采用自由边角交会法对基准网和监测网同步独立观测两个测站。其具体操作为：首先，在基坑内合适的位置Z1 架设全站仪，依次测量各基准点和监测点，按照要求完成第一测站观测；之后，将全站仪挪动到另一个位置Z2 同第一测站观测程序和要求完成第二测站观测，双测站自由测站边角交会法基坑水平位移监测测量网形如图1所示。

图1 双测站自由测站边角交会法基坑水平位移监测测量网形

2 基坑观测数据处理与水平位移变形分析

2.1 数据处理方法

将基准网和监测网的双测站观测数据合并进行网平差数据处理。通过该处理方式可得到棱镜中心的平面坐标及其精度。具体步骤如下：

步骤1，建立工程独立坐标系，即X 轴（纵向）为平行于基坑长边、Y 轴（横向）为垂直与基坑长边，其利于后续基坑水平位移变形数据分析与支护方案的快速调整及决策。

步骤2，将基准网和监测网进行自由网计算平差得到任意平面坐标系下各个平面基准点和监测点的坐标及其精度。

步骤3，以基坑长边上距离最远的两个监测点（分别记为A 点、B 点）为已知点进行约束平差，采用A 点和B 点自由网平差的坐标计算出AB 之间的距离L，进一步以A(0，0)、B（0，L）为已知点进行整网约束平差得到首期各基准点和监测点的平面坐标及其精度。后续各期可以以各基准点（定期需要对基准网进行复测并分析其稳定性）为起算数据，进行观测网平差数据处理。

2.2 水平位移变形分析

以各期监测点的平面坐标为基础数据，可对基坑进行变形分析和安全评估。通常采用平面坐标分量的相对变化量、累积变化量和变形速率来判断当前阶段监测点的变形情况与健康状态，之后以各观测周期所得的三个指标为基础数据进行变形规律分析与趋势预测。

首先，将本周期的监测数据与往期监测数据进行对比，计算各监测点的相对偏移量、累计偏移量和变形速率，其具体描述如下：

式（1）中：设点坐标第期观测结果为()，相对变化量为Δ()、累积变化量为ΣΔ()，相邻周期的时间间隔为Δ，则监测点方向变形情况可描述为（1）所示，方向水平位移同理。

其次，将该期的相对变形量和累计变形量与预警阈值进行比较，若出现变形量超出预警范围的情况应立即进行上报，并采取对应措施。

最后，以各期的相对变形量和累计变形量为基础数据，采用回归分析法建立变形模型进行变形分析和变形预报。当各周期监测结果或根据其预测的变形量达到或接近预警值时需及时上报施工及监理单位，并对监测对象稳定性和安全状态进行研判。

3 工程应用实例

某地铁基坑监测项目，规划总面积约35039m，基坑开挖为深基坑。根据相关设计要求，该工程支护结构形式采用放坡+土钉墙支护+网喷支护结构，土钉墙（网喷支护）基坑安全等级为二级，重要性系数为1.0。根据规范要求需要对基坑施工过程中基坑边缘的水平位移进行监测。该项目共计进行了42 期观测，根据项目设计施工阶段划分的监测周期段为：基坑开挖施工阶段（1～7 期）、底板浇筑施工阶段（8～18期）、基坑回填阶段（19～42 期）。

3.1 基坑监测等级确定及相关要求

根据《建筑地基基础设计规范》（GB 50007—2011）中地基基础设计等级划分，该工程开挖深度小于15m 且地质条件较好，因此地基基础设计为乙级，并根据《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016）设定该基坑的变形监测等级为二等，位移监测的主要精度指标为：位移监测点坐标中误差不超过3mm。根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497—2009），设置预警值和监测频率。

3.2 基准网与监测网布设及测量

结合工程实际情况，布设4 个基准点K1～K4（3个位于既有建筑物上、1 个埋强制观测墩），沿基坑边缘布设36 个三维监测点J01～J36；为利于后续变形分析，基坑监测点与基准点的点位布设情况如图2所示，将K1 定为坐标原点，将平行于基坑长边的K1 与K3 连线定位X 轴（纵向），Y 轴（横向）为垂直于X 轴的测量坐标系。

图2 基坑监测点与基准点的点位布设情况（仅标记部分点名）

使用智能型全站仪进行水平位移监测，根据《建筑变形测量规范》（JGJ 8—2016）要求，监测网平面位移监测等级为二等。

按照上述方法进行基准网和监测网测量，基坑自由测站边角交会法变形观测网如图3所示。首先，在各基准点和监测点上规范安装精密棱镜，并在基坑内合适位置架设全站仪；其次，按照设计的观测精度指标设置配套数据采集软件相关参数指标，并自动按照设置的观测程序对各基准点和监测点进行观测；最后，将双测站观测的数据按照本文2.1 节数据处理方法得到各基准点和监测点的平面坐标及其精度。

图3 基坑自由测站边角交会法变形观测网示意图（图中仅展示部分监测点）

根据所设计的观测方法、仪器、精度和数据处理方法，定期对基坑进行监测即可得到一系列水平位移监测数据。整个观测期间基准网和监测网平差后精度情况如表1所示。

由表1可知，观测期间基准网和监测网平差后精度满足限差要求，且精度较高，表明自由测站边角交会法能满足基坑水平位移监测要求，且精度较高。

表1 观测期间基准网和监测网平差后精度情况

3.3 基坑水平位移变形分析

在得到各基准点和监测点的平面坐标后，根据本文2.2 节变形分析方法得到平面坐标分量各期相对变化量、累计变化量和变形速率。整个观测周期中，基坑纵向和横向相对变化量和累积变化量最值情况统计分析（包含全部监测）如表2所示。表2整个观测周期中相对变化量和累积变化量最值统计

变形速率最大值/（mm/d）-4.9-5.0类别X坐标Y坐标相对变化量最大值/mm-19.2-25.5累计变化量最大值/mm-15.2-31.5

为了更加直观判断基坑纵向和横向位移变形情况，可将各监测点各期累计变化量绘制成周期曲线图，基坑水平位移累积变化量时间曲线图如图4所示（以J01 点为例）。

图4 基坑水平位移累积变化量时间曲线图

由表2可知，整个监测期间，横向和纵向相对变化量、累积变化量和变形速率最大值均小于预警阈值，说明基坑处于健康状态。由图4可知，基坑横向位移比基坑纵向位移变化更显著，即主要向基坑内部变形。在基坑开挖及底板浇筑施工阶段（1～18 期），基坑变形较为明显，故在改阶段需要加强安全防护、支护结构检查等工作；在基坑回填阶段（19～41 期），纵向和横向相对变化量非常小，即基坑水平位移变形逐渐趋于稳定，待满足规范及设计要求后方可停止监测工作。