基坑水平位移監測新方法的探討與應用——固定方位角—視準線法

付翔宇，楊麗坤，李富榮，劉云利

(1. 中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098； 2. 鄭州工業貿易學校，河南 鄭州 450007)

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基坑水平位移監測新方法的探討與應用
——固定方位角—視準線法

付翔宇1，楊麗坤2，李富榮1，劉云利1

(1. 中航勘察設計研究院有限公司，北京 100098； 2. 鄭州工業貿易學校，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：本文在介紹常規監測方法的基礎上，針對其存在的不足，提出一種新的水平位移監測方法，即固定方位角-視準線法，較為合理地解決了工作基站(測站)穩定性得不到保證的難題，且成功應用于實際工程項目中，并起到了良好的效果。

關鍵詞：基坑；水平位移；監測；新方法；固定方位角-視準線法

隨著城市建設的高速發展，高層建筑不斷涌現，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展，并且不規則基坑的形狀也越來越多。基坑開挖會引起周邊土體應力場的變化，不僅對基坑自身圍護結構會有很大影響，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《建筑基坑支護技術規程》及《建筑基坑工程監測技術規范》，基坑水平位移監測已作為各級基坑施工的必要監測項目。基坑水平位移監測的方法較多，選擇既適應作業場地條件又能滿足監測精度的方法，高效提供監測信息，是監測人員應關注并考慮研究的問題。

一、傳統監測方法

基坑水平位移監測的方法主要有：視準線法、小角法、極坐標法、方向線偏移法、邊角交會法、精密導線法、單站改正法和自由設站法等[2]。以上方法在使用上各有其優點，但結合不同的現場監測條件均存在一定的不足，如視準線法，方法簡便、實用、效率高、投資較少等，但需要在現場通過設置測站點、方向點和檢核點建立視準線，各種點的設置受基坑周邊環境影響較大。小角法簡單易行，便于實地操作，精度較高，但對監測環境條件較高，工作基點的改正不方便，基準點的設置不好選擇。極坐標法設站靈活，簡單快速，但監測精度經常會受到限制。根據對各種監測方法的分析比較，視準線法和小角法以簡單、直觀、效率高的特點在工程監測中得到廣泛應用，但對于深基坑而言，往往沒有足夠的空間布設工作基準線及穩定的基準點。因而，采用這些方法監測水平位移時，均將工作基點設置在基坑變形區域內，而在影響區域外設置基準點，定期采用導線法或其他測量方法檢測工作基點的穩定性，該方法工作量較大[3-5]。

二、固定方位角-視準線法

針對以上監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測方法，即固定方位角-視準線法。固定方位角-視準線，即在基坑監測平面坐標系統中，一條通過測站點基本平行基坑邊線且賦予了方位角數值的視準線。該方法是從傳統的視準線方法的基礎上演變而來，主要是采取復合基準的方法將場外基準(設置在變形區外的基準點)點與工作基點(測站點)有機地連接在一起，每次監測時測站都與場外基準點進行聯測，并以場外基準點為起算點對測站位置數據進行動態檢測，給測站的位置數據變化設置一個閾值，進行實時監控。每次監測完成后，及時對測站的位置數據變化進行判斷，即以場外基準點為起算點，以檢測距離和角度為觀測值，歸算測站點的坐標，當坐標變化量超過閾值時，以測站點坐標的改變量作為視準線的偏移量，更新測站點到場外基準點的方位角數值，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，實現對監測成果的實時修正。

固定方位角—視準線法的作業原理如圖1所示。

圖1　固定方位角-視準線法監測示意圖

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

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

L=DAPsinΔα

(1)

式中，Δα=αAP-αAM；αAP=αAO+β；αAM可根據基坑設計文件獲取。

每次監測結束后，根據對測站動態檢測的結果，判斷是否對測站位置數據進行修正。

若經過檢查判定，工作基點(測站點)A位置數據變化量未超過閾值，則監測點P本次偏離初始固定方位角-視準線的值按式(1)計算，相鄰單次變化量為dij=Lj-Li,累計變形值為δ=Lj-L0，式中的下標代表監測期次。

若經過檢查判定，工作基點(測站點)A的位置數據變化量超過了設定的閾值時，則以測站點坐標變化量作為視準線的修正值Δ，以更新后的測站至場外基準點的方位角、本次觀測監測點的角值和距離，按式(1)計算監測點到移動后的固定方位角-視準線的值。然后，根據監測點與固定方位角-視準線的位置關系，將計算值與修正值取代數和，歸算監測點P本次偏離初始固定方位角-視準線的值。相鄰單次變化量為dij=Lj-Li,累計變形值為δ=Lj-L0。

上述計算可以在設計好的表格中完成。

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與常規視準線監測方法相比，固定方位角-視準線法的最大改進是無需在作業現場實際建立一條沿基坑邊平行的視準線，即只設置測站點和任意方向的固定后視點，這給實際應用帶來了極大的便利。

三、工程應用

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)。基坑形狀比較規則，三面臨街，用圍擋隔開，一面與在施項目銜接。場地內基坑邊線到圍擋的間距有限，可供監測作業的空間狹窄。常規的監測方法不易實施，如采用視準線法，則很難在作業現場選擇方向點和檢核點。在充分了解和分析了場地條件后，選擇采用固定方位角-視準線法進行基坑樁頂水平位移監測。實施中，設計了如圖2所示的監測網絡，其中K1為工作基點(測站點)，采用強制對中觀測架，處于基坑變形區域內，其余點為場外基準點，設置于變形區以外穩定的建筑物上。

圖2　基坑監測基準點布置示意圖

根據基坑設計文件，本項目的基坑安全等級為一級。根據監測規范以及基坑設計文件給出的基坑圍護樁水平位移的預警值，確定以基坑水平位移變形量的精度2 mm為估計目標設計監測方案。

在現場安置工作基點(測站點)和監測點時，設計Δα不大于5°。本項目配置的監測設備是1″級徠卡全站儀，測距標稱精度為1 mm+1×10-6D。固定方位角由基坑設計文件中獲取。設計測站位置變化量的閾值為不大于變形值的精度，即2 mm。測站至監測點的距離不超過100 m。根據上述監測方案的輸入條件，進行基坑樁頂水平位移監測方案的設計。

首先根據輸入條件設計匹配測角精度和測距精度。

對式(1)微分得

轉為中誤差式得

顧及Δα=αAP-αAM；αAP=αAB+β；且αAM、αAB為固定值,則上式演變為

(2)

設式(2)中第一項為測距誤差影響，第二項為測角誤差影響。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，而測距誤差的影響是可以忽略不計的。

使用配置的監測儀器是容易達到的。

本工程選用標稱一測回方向中誤差為1″的全站儀進行監測。考慮到監測過程有觀測誤差、儀器誤差、外界環境影響等因素，并且工作基點采用強制對中觀測架，位移監測點采用固定觀測標志，根據統計數據及現場觀測人員熟練程度，估計觀測一測回角度的精度m儀為3″。

根據m儀及mβ，按規范要求可估計出應觀測角度2測回，首期監測時應連續進行兩次獨立觀測，共觀測角度4測回，作為監測對象的初始觀測值，以后各期監測觀測2測回。

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

由于工作基點K1處在基坑變形區域內，受基坑開挖影響，K1點的位置不斷變化，當K1點在垂直于基坑任一邊的方向(與修正前相比)大于2 mm時，及時對K1點的坐標通過周邊穩定的基準點進行修正，同時對后視方位角進行改正，并通過固定方位角-視準線法對監測點的變形值進行更新。在監測期間，K1點在垂直于固定方位角-視準線的方向上累計變化量達到12 mm(與初始位置相比)，對其進行了6次修正，及時、準確地反映了監測點的實際變化量。

由于監測方法得當，內外業的監測工作效率都比較高，根據項目的實際情況設計的監測方案在工程中得以順利實施，及時向委托方提供了監測數據，達到了預期的監測目的。

四、結束語

工作基點的設置應便于對基坑水平變形監測點的監測，根據現場情況，一般工作基點設置在基坑周邊陰角處，但隨著基坑的開挖及現場周邊施工的影響，工作基點位移在所難免，而工作基點位移勢必影響監測數據的準確性。在整個監測期間，需要隨時對工作基點的穩定性進行檢查。本文提出采用固定方位角-視準線法進行水平位移監測，其中對工作基點(測站)穩定性的檢查是將工作基點(測站)統一至場外基準網中，在每次水平位移監測前，觀測工作基點(測站)至基坑影響區域場外基準點的角度、距離，在工作基點(測站)發生位移時可實時對工作基點(測站)進行有效修正，監測成果都是相對于場外基準的，較為合理地解決了工作基站(測站)穩定性得不到保證的難題。

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

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[9]中華人民共和國建設部.建筑變形測量規范：JGJ 8—2007[S].北京:中國建筑工業出版社,2007.

[10]中華人民共和國建設部,中華人民共和國國家質量監督檢驗檢疫總局.工程測量規范：GB 50026—2007[S].北京:中國計劃出版社,2008.

中圖分類號：P258

文獻標識碼：B

文章編號：0494-0911(2016)02-0113-03

作者簡介：付翔宇(1984—)，男，碩士，工程師，主要研究方向為變形監測。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. 基坑水平位移監測新方法的探討與應用——固定方位角-視準線法[J].測繪通報，2016(2)：113-115.DOI:10.13474/j.cnki.11-2246.2016.0064.