異型基坑水平位移監測方法及數據處理

江興林，李利文，李超

(濟南市勘察測繪研究院，山東濟南 250013)

1 引言

基坑監測作為基坑施工過程中的重要方面，其主要意義在于保障基坑施工安全，對基坑將要發生的坍塌事故等提出預警分析，并驗證基坑設計，為基坑設計提供參考。目前來說，對于形狀比較簡單的基坑，水平位移監測的主要方法有測小角法、活動覘標法、交會法、全站儀法及GPS靜態觀測法等，但對于形狀不規則的復雜基坑或者叫異型基坑，全站儀法是比較常用方法。對于后期的數據處理，大部分數據處理軟件都是收費的。通過實踐，筆者認為，在沒有數據處理軟件時，使用Excel軟件，設計各種計算表格，也能方便快捷的實現數據處理功能。

2 全站儀法基坑監測實施

圖1 某基坑監測點布置示意圖

圖1是某基坑監測點布置圖，可以看出基坑的形狀比較復雜，綜合考慮，選擇全站儀法進行外業觀測，并進行相應的數據處理。

2.1 控制網的建立及施測

按照相關規范規定，水平位移觀測需布設基準點和工作基點。本工程基準點布設在基坑影響范圍外的較穩定區域(距離較遠，圖1未顯示)，工作基點布設在基坑周圍相對穩定且便于觀測的地方，為H、I、J、K四個點。基準點及工作基點均采用強制對中標志。

水平位移基準點及工作基點按照相應等級的基坑觀測及限差要求進行觀測，并按照要求，對基準點及工作基點定期進行穩定性檢測，檢測周期一般在一個月左右。

2.2 監測點的布設、施測

由于基坑監測貫穿于整個基坑施工過程，持續時間較長，為保證監測點穩定可靠，所有監測點均做成強制對中標志，以減少對中誤差。監測點附近噴涂醒目顏色的油漆并加強對基坑施工隊伍的宣傳，做好監測點的保護工作。

使用萊卡TCA2003全站儀架設在工作基點上采用測回法進行外業觀測，記錄監測點相對于工作基點的角度和距離。

2.3 數據處理

(1)原始數據處理

根據場地情況，以工作基點H為原點H(XH，YH)，以H到J連線方向為坐標Y軸，垂直Y軸方向為X軸建立獨立坐標系。通過工作基點控制網測量獲得每個工作基點在此坐標系下的坐標值。該坐標系應與當地使用的坐標系統或整個工程使用的工程獨立坐標系統進行聯測，得出坐標系統之間的轉換關系。

監測點的施測和坐標計算有兩種情況:

①當監測點P是以H點為測站點，以J為定向點施測時，設置HJ起始方向為90°就可以通過觀測值直接獲得HP邊的坐標方位角αHP和邊長SHP，由此根據平面直角坐標正算公式，即可求得監測點P的坐標，

②當監測點是從其他工作基點施測時，如以I點為測站點，以H為定向點時，應首先計算邊IH的坐標方位角αIH，外業施測時可以設置IH起始方向為αIH，但會增加外業計算困難，容易出錯，不如在外業施測時設置IH起始方向為0，內業計算時加上這個方位角，然后利用平面直角坐標正算公式計算監測點坐標。

上面兩種情況的監測點坐標計算可在Excel中設計如下樣式的表格實現，如表1所示。

基坑水平位移計算表 表1

表1中改化后角度就是指的不是在H點設站的情況下對原始觀測角的相應變換計算。本例中的1～7號點均是以H點為測站點，以J為定向點施測的，所以角度不需要進行改化;9～12號點是以I點為測站點，以H為定向點施測的，需要加上IH的坐標方位角97°40'17″，得到改化后的角度。

(2)水平位移量計算

通過上述方法就可以計算每個監測點的坐標，將監測點本期計算的坐標和上一期的坐標以及最開始的原始坐標進行比較，得到本期位移量和累計位移量，生成對比表，如表2所示。

基坑水平位移對比表 表2

(3)水平位移量在基坑法線方向的改化

對于基坑監測，我們關注的是在基坑法線方向上的變化情況，由于上述方法計算的位移量只是監測點在工程獨立坐標系下的坐標變化量，通過該坐標變化量還不能直接準確判讀監測點相對于該點處基坑法線方向的變化量，所以需要計算坐標變化量在該點處基坑法線方向的變化量。這一過程可通過以下方式實現:

首先根據設計方提供的基坑邊線的曲線方程和設計坐標以及獨立坐標系與當地坐標系統或工程獨立坐標系統的轉換關系得出基坑邊線在工程獨立坐標系下的新曲線方程y=f(x)。

根據導數的幾何意義并應用直線的點斜式方程，可知曲線 y=f(x)在點M(x0，y0)處的切線斜率為f'(x0)，該點處曲線的法線斜率為，這樣就可以得出該點處基坑的法線方向。

圖2 圓形基坑監測點示意圖

如圖2所示，左圖為基坑監測點示意圖，右圖為左圖的局部放大圖，2為上期監測點位置，2'為本期觀測點位置。該基坑側壁設計為圓形，監測點沿側壁成對布設。通過上述方法計算出2點處的基坑法線方位角。由于監測點的每次位移量相對于基坑半徑是個極小量，可以認為該方位角是個定值，然后計算該連線與坐標Y軸的夾角α，則2'相對于2的變化量22'在O2方向上的投影S可用下式計算:

其余各點也以此方法分別進行計算，這樣形成新的基坑水平位移成果表，格式如表3。

基坑水平位移監測成果表 表3

同理，其他形狀的基坑也可以通過上述方法計算坐標變化量在基坑法線方向的變化量。

利用Excel的制圖功能根據累計位移量繪制水平位移曲線圖，樣式如圖3。

圖3 基坑監測點水平位移曲線圖

這樣就實現了基坑水平位移監測從外業觀測到內業數據處理的全過程。

3 結語

在整個計算過程中，我們要做的主要工作就是將原始數據錄入計算表格，剩余的過程都可以通過設定好各種公式自動計算獲得，進行檢查校核的時候只需檢查觀測角度及距離有沒有輸錯。通過應用表明，該方法具有快速、高效、可靠、準確等優點，在外業觀測完成半小時內即可提交觀測成果，必要時也可實現實時計算功能，完全滿足基坑施工對基坑監測的及時性要求，為基坑施工及時準確地提供基坑變形信息。

［1］李青岳，陳永奇.工程測量學［M］.北京:測繪出版社，2005.

［2］GB 50497－2009.建筑基坑工程監測技術規范［S］.

［3］JGJ 8－2007.建筑變形測量規范［S］.

［4］曹慶磊，田祥，王磊.基于TCA2003全站儀的基坑水平位移監測及其分析［J］，礦山測量，2011(2).

［5］蘇芬.基于TCA2003的邊坡監測技術研究［J］，科技創新導報，2010(21).

［6］伊曉東，李保平.變形監測技術及應用［M］，鄭州:黃河水利出版社，2007.

［7］梅文勝，張正祿，郭際明等.測量機器人變形監測系統軟件研究［J］，武漢大學學報·信息科學版，2002，27(2).