付翔宇，楊麗坤，李富榮，劉云利

(1. 中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098； 2. 鄭州工業(yè)貿(mào)易學(xué)校，河南 鄭州 450007)

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基坑水平位移監(jiān)測新方法的探討與應(yīng)用
——固定方位角—視準(zhǔn)線法

付翔宇1，楊麗坤2，李富榮1，劉云利1

(1. 中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098； 2. 鄭州工業(yè)貿(mào)易學(xué)校，河南 鄭州 450007)

Discussion and Application of a New Method to Monitor Horizontal Displacement of Foundation Pit——Fixed Azimuth-Collimation Line Method

FU Xiangyu，YANG Likun，LI Furong，LIU Yunli

摘要：本文在介紹常規(guī)監(jiān)測方法的基礎(chǔ)上，針對(duì)其存在的不足，提出一種新的水平位移監(jiān)測方法，即固定方位角-視準(zhǔn)線法，較為合理地解決了工作基站(測站)穩(wěn)定性得不到保證的難題，且成功應(yīng)用于實(shí)際工程項(xiàng)目中，并起到了良好的效果。

關(guān)鍵詞：基坑；水平位移；監(jiān)測；新方法；固定方位角-視準(zhǔn)線法

隨著城市建設(shè)的高速發(fā)展，高層建筑不斷涌現(xiàn)，城市地下空間的利用需求也急劇增加，地下基坑的開挖面積和深度也向大而深的方向發(fā)展，并且不規(guī)則基坑的形狀也越來越多?；娱_挖會(huì)引起周邊土體應(yīng)力場的變化，不僅對(duì)基坑自身圍護(hù)結(jié)構(gòu)會(huì)有很大影響，而且影響周邊建筑物的安全[1]。為保證周邊建筑物及基坑施工安全，根據(jù)《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》及《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》，基坑水平位移監(jiān)測已作為各級(jí)基坑施工的必要監(jiān)測項(xiàng)目?；铀轿灰票O(jiān)測的方法較多，選擇既適應(yīng)作業(yè)場地條件又能滿足監(jiān)測精度的方法，高效提供監(jiān)測信息，是監(jiān)測人員應(yīng)關(guān)注并考慮研究的問題。

一、傳統(tǒng)監(jiān)測方法

基坑水平位移監(jiān)測的方法主要有：視準(zhǔn)線法、小角法、極坐標(biāo)法、方向線偏移法、邊角交會(huì)法、精密導(dǎo)線法、單站改正法和自由設(shè)站法等[2]。以上方法在使用上各有其優(yōu)點(diǎn)，但結(jié)合不同的現(xiàn)場監(jiān)測條件均存在一定的不足，如視準(zhǔn)線法，方法簡便、實(shí)用、效率高、投資較少等，但需要在現(xiàn)場通過設(shè)置測站點(diǎn)、方向點(diǎn)和檢核點(diǎn)建立視準(zhǔn)線，各種點(diǎn)的設(shè)置受基坑周邊環(huán)境影響較大。小角法簡單易行，便于實(shí)地操作，精度較高，但對(duì)監(jiān)測環(huán)境條件較高，工作基點(diǎn)的改正不方便，基準(zhǔn)點(diǎn)的設(shè)置不好選擇。極坐標(biāo)法設(shè)站靈活，簡單快速，但監(jiān)測精度經(jīng)常會(huì)受到限制。根據(jù)對(duì)各種監(jiān)測方法的分析比較，視準(zhǔn)線法和小角法以簡單、直觀、效率高的特點(diǎn)在工程監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用，但對(duì)于深基坑而言，往往沒有足夠的空間布設(shè)工作基準(zhǔn)線及穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)。因而，采用這些方法監(jiān)測水平位移時(shí)，均將工作基點(diǎn)設(shè)置在基坑變形區(qū)域內(nèi)，而在影響區(qū)域外設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，定期采用導(dǎo)線法或其他測量方法檢測工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，該方法工作量較大[3-5]。

二、固定方位角-視準(zhǔn)線法

針對(duì)以上監(jiān)測方法存在的使用上的不足，本文提出一種新的基坑水平位移監(jiān)測方法，即固定方位角-視準(zhǔn)線法。固定方位角-視準(zhǔn)線，即在基坑監(jiān)測平面坐標(biāo)系統(tǒng)中，一條通過測站點(diǎn)基本平行基坑邊線且賦予了方位角數(shù)值的視準(zhǔn)線。該方法是從傳統(tǒng)的視準(zhǔn)線方法的基礎(chǔ)上演變而來，主要是采取復(fù)合基準(zhǔn)的方法將場外基準(zhǔn)(設(shè)置在變形區(qū)外的基準(zhǔn)點(diǎn))點(diǎn)與工作基點(diǎn)(測站點(diǎn))有機(jī)地連接在一起，每次監(jiān)測時(shí)測站都與場外基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測，并以場外基準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)對(duì)測站位置數(shù)據(jù)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測，給測站的位置數(shù)據(jù)變化設(shè)置一個(gè)閾值，進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。每次監(jiān)測完成后，及時(shí)對(duì)測站的位置數(shù)據(jù)變化進(jìn)行判斷，即以場外基準(zhǔn)點(diǎn)為起算點(diǎn)，以檢測距離和角度為觀測值，歸算測站點(diǎn)的坐標(biāo)，當(dāng)坐標(biāo)變化量超過閾值時(shí)，以測站點(diǎn)坐標(biāo)的改變量作為視準(zhǔn)線的偏移量，更新測站點(diǎn)到場外基準(zhǔn)點(diǎn)的方位角數(shù)值，即觀測起始方向的方位角。通過測站位置和觀測起始方向的歸算，實(shí)現(xiàn)對(duì)監(jiān)測成果的實(shí)時(shí)修正。

固定方位角—視準(zhǔn)線法的作業(yè)原理如圖1所示。

圖1　固定方位角-視準(zhǔn)線法監(jiān)測示意圖

如圖1所示，點(diǎn)A為初始工作基點(diǎn)(測站點(diǎn))，點(diǎn)A′為位移后的工作基點(diǎn)(測站點(diǎn))，點(diǎn)P為監(jiān)測點(diǎn)初始位置，點(diǎn)P′為變形位移后的監(jiān)測點(diǎn)，AM為與基坑邊平行的初始固定方位角-視準(zhǔn)線，A′M′為工作基點(diǎn)位移后的固定方位角-視準(zhǔn)線，在監(jiān)測周期內(nèi)，測站點(diǎn)位始終固定在一個(gè)位置，A′M′始終平行AM且數(shù)值不變；L0為監(jiān)測點(diǎn)P偏離初始固定方位角-視準(zhǔn)線AM的初始值，L1為位移后的監(jiān)測點(diǎn)P′至初始固定方位角-視準(zhǔn)線AM的偏離值，L2為位移后的監(jiān)測點(diǎn)P′至位移后固定方位角-視準(zhǔn)線A′M′的偏離值，視準(zhǔn)線的修正值Δ為位移后固定方位角-視準(zhǔn)線A′M′距初始固定方位角-視準(zhǔn)線AM的變化量。

令測站點(diǎn)到監(jiān)測點(diǎn)的方位角為αAP，固定方位角為αAM,測站點(diǎn)到監(jiān)測點(diǎn)的距離為DAP,測站點(diǎn)A后視方向點(diǎn)O觀測監(jiān)測點(diǎn)P的角度值為β，則監(jiān)測點(diǎn)P至固定方位角-視準(zhǔn)線的偏離值L為

L=DAPsinΔα

(1)

式中，Δα=αAP-αAM；αAP=αAO+β；αAM可根據(jù)基坑設(shè)計(jì)文件獲取。

每次監(jiān)測結(jié)束后，根據(jù)對(duì)測站動(dòng)態(tài)檢測的結(jié)果，判斷是否對(duì)測站位置數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。

若經(jīng)過檢查判定，工作基點(diǎn)(測站點(diǎn))A位置數(shù)據(jù)變化量未超過閾值，則監(jiān)測點(diǎn)P本次偏離初始固定方位角-視準(zhǔn)線的值按式(1)計(jì)算，相鄰單次變化量為dij=Lj-Li,累計(jì)變形值為δ=Lj-L0，式中的下標(biāo)代表監(jiān)測期次。

若經(jīng)過檢查判定，工作基點(diǎn)(測站點(diǎn))A的位置數(shù)據(jù)變化量超過了設(shè)定的閾值時(shí)，則以測站點(diǎn)坐標(biāo)變化量作為視準(zhǔn)線的修正值Δ，以更新后的測站至場外基準(zhǔn)點(diǎn)的方位角、本次觀測監(jiān)測點(diǎn)的角值和距離，按式(1)計(jì)算監(jiān)測點(diǎn)到移動(dòng)后的固定方位角-視準(zhǔn)線的值。然后，根據(jù)監(jiān)測點(diǎn)與固定方位角-視準(zhǔn)線的位置關(guān)系，將計(jì)算值與修正值取代數(shù)和，歸算監(jiān)測點(diǎn)P本次偏離初始固定方位角-視準(zhǔn)線的值。相鄰單次變化量為dij=Lj-Li,累計(jì)變形值為δ=Lj-L0。

上述計(jì)算可以在設(shè)計(jì)好的表格中完成。

中國高技術(shù)制造業(yè)增加值影響因素的面板數(shù)據(jù)模型分析 ……………………………………… 劉 碩 胡澤文 智 晨（4/17）

與常規(guī)視準(zhǔn)線監(jiān)測方法相比，固定方位角-視準(zhǔn)線法的最大改進(jìn)是無需在作業(yè)現(xiàn)場實(shí)際建立一條沿基坑邊平行的視準(zhǔn)線，即只設(shè)置測站點(diǎn)和任意方向的固定后視點(diǎn)，這給實(shí)際應(yīng)用帶來了極大的便利。

三、工程應(yīng)用

以北京市某深基坑為例，該基坑總用地面積約42 000 m2，東西長約208 m，南北寬約115 m，開挖深度約28 m，呈半品字形(如圖2所示)?；有螤畋容^規(guī)則，三面臨街，用圍擋隔開，一面與在施項(xiàng)目銜接。場地內(nèi)基坑邊線到圍擋的間距有限，可供監(jiān)測作業(yè)的空間狹窄。常規(guī)的監(jiān)測方法不易實(shí)施，如采用視準(zhǔn)線法，則很難在作業(yè)現(xiàn)場選擇方向點(diǎn)和檢核點(diǎn)。在充分了解和分析了場地條件后，選擇采用固定方位角-視準(zhǔn)線法進(jìn)行基坑樁頂水平位移監(jiān)測。實(shí)施中，設(shè)計(jì)了如圖2所示的監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)，其中K1為工作基點(diǎn)(測站點(diǎn))，采用強(qiáng)制對(duì)中觀測架，處于基坑變形區(qū)域內(nèi)，其余點(diǎn)為場外基準(zhǔn)點(diǎn)，設(shè)置于變形區(qū)以外穩(wěn)定的建筑物上。

圖2　基坑監(jiān)測基準(zhǔn)點(diǎn)布置示意圖

根據(jù)基坑設(shè)計(jì)文件，本項(xiàng)目的基坑安全等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)監(jiān)測規(guī)范以及基坑設(shè)計(jì)文件給出的基坑圍護(hù)樁水平位移的預(yù)警值，確定以基坑水平位移變形量的精度2 mm為估計(jì)目標(biāo)設(shè)計(jì)監(jiān)測方案。

在現(xiàn)場安置工作基點(diǎn)(測站點(diǎn))和監(jiān)測點(diǎn)時(shí)，設(shè)計(jì)Δα不大于5°。本項(xiàng)目配置的監(jiān)測設(shè)備是1″級(jí)徠卡全站儀，測距標(biāo)稱精度為1 mm+1×10-6D。固定方位角由基坑設(shè)計(jì)文件中獲取。設(shè)計(jì)測站位置變化量的閾值為不大于變形值的精度，即2 mm。測站至監(jiān)測點(diǎn)的距離不超過100 m。根據(jù)上述監(jiān)測方案的輸入條件，進(jìn)行基坑樁頂水平位移監(jiān)測方案的設(shè)計(jì)。

首先根據(jù)輸入條件設(shè)計(jì)匹配測角精度和測距精度。

對(duì)式(1)微分得

轉(zhuǎn)為中誤差式得

顧及Δα=αAP-αAM；αAP=αAB+β；且αAM、αAB為固定值,則上式演變?yōu)?/p>

(2)

設(shè)式(2)中第一項(xiàng)為測距誤差影響，第二項(xiàng)為測角誤差影響。令測距誤差影響值為偏離值測定精度的1/6，則測角誤差影響為

也就是說，測角誤差影響占偏離值測定精度的98.6%，是偏離值測定精度的主項(xiàng)，而測距誤差的影響是可以忽略不計(jì)的。

使用配置的監(jiān)測儀器是容易達(dá)到的。

本工程選用標(biāo)稱一測回方向中誤差為1″的全站儀進(jìn)行監(jiān)測。考慮到監(jiān)測過程有觀測誤差、儀器誤差、外界環(huán)境影響等因素，并且工作基點(diǎn)采用強(qiáng)制對(duì)中觀測架，位移監(jiān)測點(diǎn)采用固定觀測標(biāo)志，根據(jù)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場觀測人員熟練程度，估計(jì)觀測一測回角度的精度m儀為3″。

根據(jù)m儀及mβ，按規(guī)范要求可估計(jì)出應(yīng)觀測角度2測回，首期監(jiān)測時(shí)應(yīng)連續(xù)進(jìn)行兩次獨(dú)立觀測，共觀測角度4測回，作為監(jiān)測對(duì)象的初始觀測值，以后各期監(jiān)測觀測2測回。

考慮測邊方向與基坑水平位移方向近似正交的關(guān)系，在角度不變的前提下，當(dāng)距離變化量不超過5 mm時(shí)，對(duì)L的影響為亞毫米級(jí)，不足mL的1/10。因此距離D可一次測定，當(dāng)其變化量超過5 mm時(shí)，使用新值重新計(jì)算L。

由于工作基點(diǎn)K1處在基坑變形區(qū)域內(nèi)，受基坑開挖影響，K1點(diǎn)的位置不斷變化，當(dāng)K1點(diǎn)在垂直于基坑任一邊的方向(與修正前相比)大于2 mm時(shí)，及時(shí)對(duì)K1點(diǎn)的坐標(biāo)通過周邊穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行修正，同時(shí)對(duì)后視方位角進(jìn)行改正，并通過固定方位角-視準(zhǔn)線法對(duì)監(jiān)測點(diǎn)的變形值進(jìn)行更新。在監(jiān)測期間，K1點(diǎn)在垂直于固定方位角-視準(zhǔn)線的方向上累計(jì)變化量達(dá)到12 mm(與初始位置相比)，對(duì)其進(jìn)行了6次修正，及時(shí)、準(zhǔn)確地反映了監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際變化量。

由于監(jiān)測方法得當(dāng)，內(nèi)外業(yè)的監(jiān)測工作效率都比較高，根據(jù)項(xiàng)目的實(shí)際情況設(shè)計(jì)的監(jiān)測方案在工程中得以順利實(shí)施，及時(shí)向委托方提供了監(jiān)測數(shù)據(jù)，達(dá)到了預(yù)期的監(jiān)測目的。

四、結(jié)束語

工作基點(diǎn)的設(shè)置應(yīng)便于對(duì)基坑水平變形監(jiān)測點(diǎn)的監(jiān)測，根據(jù)現(xiàn)場情況，一般工作基點(diǎn)設(shè)置在基坑周邊陰角處，但隨著基坑的開挖及現(xiàn)場周邊施工的影響，工作基點(diǎn)位移在所難免，而工作基點(diǎn)位移勢必影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。在整個(gè)監(jiān)測期間，需要隨時(shí)對(duì)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性進(jìn)行檢查。本文提出采用固定方位角-視準(zhǔn)線法進(jìn)行水平位移監(jiān)測，其中對(duì)工作基點(diǎn)(測站)穩(wěn)定性的檢查是將工作基點(diǎn)(測站)統(tǒng)一至場外基準(zhǔn)網(wǎng)中，在每次水平位移監(jiān)測前，觀測工作基點(diǎn)(測站)至基坑影響區(qū)域場外基準(zhǔn)點(diǎn)的角度、距離，在工作基點(diǎn)(測站)發(fā)生位移時(shí)可實(shí)時(shí)對(duì)工作基點(diǎn)(測站)進(jìn)行有效修正，監(jiān)測成果都是相對(duì)于場外基準(zhǔn)的，較為合理地解決了工作基站(測站)穩(wěn)定性得不到保證的難題。

實(shí)踐結(jié)果表明，當(dāng)基坑周邊測量作業(yè)場地狹窄，建立視準(zhǔn)線困難時(shí)(無法設(shè)置另一端方向點(diǎn)及檢核點(diǎn))，可采用固定方位角-視準(zhǔn)線法。采用這種方法既客觀真實(shí)地反映了基坑樁頂水平位移的變化情況，也提高了監(jiān)測的工作效率。

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中圖分類號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：0494-0911(2016)02-0113-03

作者簡介：付翔宇(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)樽冃伪O(jiān)測。E-mail: fuxiangyu.2002@163.com

收稿日期：2015-09-07

引文格式： 付翔宇，楊麗坤，李富榮,等. 基坑水平位移監(jiān)測新方法的探討與應(yīng)用——固定方位角-視準(zhǔn)線法[J].測繪通報(bào)，2016(2)：113-115.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0064.