智能全站儀和電子水準儀進行基坑位移監測及結果分析

朱曉江

(新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院，新疆 昌吉 831100)

智能全站儀和電子水準儀進行基坑位移監測及結果分析

朱曉江*

(新疆水利水電勘測設計研究院測繪工程院，新疆 昌吉 831100)

基坑監測是保障基坑施工安全的必要有效的技術環節，以某基坑工程為例，介紹了基坑工程概況和監測技術要求，給出了基坑監測技術方案，對智能全站儀使用極坐標法進行基坑水平位移監測和電子水準儀使用水準測量進行基坑豎向位移監測的精度進行了分析。闡述了基坑監測的實施情況，并對監測結果進行了簡單分析，從而對該方法運用于基坑監測進行總結評價。

基坑監測；智能全站儀；電子水準儀；監測方法；結果分析

1 引 言

隨著城市建設的高速發展和地下空間的開發利用，基坑工程越來越多。在基坑開挖施工過程中，基坑內外的土體將由原來的靜止土壓力狀態向被動和主動土壓力狀態轉變，應力狀態的改變引起圍護結構承受荷載，并將導致圍護結構和土體變形。一旦變形的量值超過容許范圍，將導致基坑失穩破壞，對周邊環境造成不利影響。因此基坑監測的目的在于[3]：①監測基坑工程的變化，確保基坑支護結構和相鄰建筑物的安全。②檢驗設計參數和各種假設的正確性，指導基坑開挖和支護結構施工。為此，本文以新疆某人防地下車庫的基坑開挖工程為例，闡述了對該基坑工程監測項目和監測方法，并對監測結果進行了分析，確保了工程施工安全。

2 基坑位移監測方法與精度分析

2.1 工程概況及監測技術要求

該基坑為烏魯木齊市區內某地下車庫基坑，該場地屬于流侵蝕堆積高慢灘地貌，勘探深度 30 m內未見地下水。基坑開挖區域南北長約 80 m左右，東西寬約 25 m左右，且基坑邊坡頂部都進行了噴漿保護，南側為已完工區域，北側距高層樓房較遠，西側緊鄰7層多層樓約 5 m，東側鄰近6層樓房約 9 m，如圖1所示。

根據設計要求及施工區段的地質、支護結構的特點和所處的周邊環境條件，新疆某人防地下車庫的基坑開挖工程安全等級為Ⅱ級，監測項目有圍護結構變形監測(包括水平位移監測和垂直位移監測)和臨近基坑建筑物沉降監測。其監測技術要求(《基坑支護總說明》)主要有：基坑變形監測的報警值為最大變形值達到 30 mm、沉降速率 3 mm/d；并根據報警值 30 mm參照《建筑基坑工程監測技術規范》GB50497-2009中表6.2.3和6.3.3，要求水平位移監測點坐標中誤差 ≤1.0 mm，豎向位移監測點測站高差中誤差 ≤0.3 mm。

圖1 基坑監測點點位分布圖

文獻[1]中水平位移監測精度要求、豎向位移監測精度要求如表1、表2所示。

水平位移監測精度要求 表1

豎向位移監測精度要求 表2

2.2 測點布設

為了進行基坑位移監測，在基坑外圍布設了3個水平位移監測基準點和3個垂直位移監測基準點。在基坑里面基坑頂部布設了若干水平位移監測點和豎向位移監測點，基坑半坡布設了若干三維監測點，其點位分布如圖1所示。

2.3 監測方法及精度分析

基坑頂部水平位移監測點與基坑半坡三維監測點的水平位移使用智能全站儀極坐標法監測；半坡三維監測點的豎向位移使用全站儀三角高程方法監測；頂部豎向位移監測點和建筑物沉降監測點的豎向位移使用電子水準儀幾何水準方法監測。

(1)監測點水平位移精度分析

全站儀極坐標法的原理是：對于某監測點i，若設站與J1點，J3為定向點，使用NET05(測角精度0.5″，測距精度：0.8 mm+1 ppm)全站儀測定監測點與定向點間的水平角β、測站點與監測點的距離S，則i點平面直角坐標(x，y)為[4]：

(1)

式中，α為J1-J2的方位角。

當忽略起算點誤差，對式(1)求微分得：

(2)

根據誤差傳播定律，將式(2)轉為中誤差：

(3)

監測點i的中誤差：

(4)

(2)監測點豎向位移精度分析

綜上，使用NET05智能全站儀采用極坐標法進行二等邊角測量觀測水平位移，監測精度據計算小于 1.0 mm；使用Trimble DiNi03電子水準儀采用二等水準測量觀測豎向位移，測站高差中誤差小于 0.3 mm，水平位移觀測和豎向位移觀測均能滿足GB50497-2009《建筑基坑工程監測技術規范》中水平位移監測和豎向位移監測的精度要求。

3 基坑監測的實施與結果分析

3.1 基坑監測的實施

該基坑開挖深度為8 m，基坑類別為二級，水平位移與豎向位移監測等級均為二等，使用NET05智能全站儀按二等邊角測量技術要求觀測以及使用電子水準儀進行二等水準測量。基坑監測時間為5月底～8月初，觀測頻率為1次/d。

(1)基準網測量

在對監測點進行監測前，先進行基準網測量，以獲得基準點的平面坐標與高程。對3個水平位移基準點使用NET05智能全站儀按二等邊角網測量技術要求觀測，平面坐標系為假定坐標系，給J1設定一假定坐標，由于J1-J2的方位大致接近東西方向，為便于監測點位移計算分析，假定J1-J2的坐標方位角為270°，因此可得J1-J3的坐標方位角，使用J1作為已知點，J1-J3為已知方向，進行平差計算，從而得到各基準點的坐標成果。

豎向位移監測基準點使用電子水準儀按二等水準技術要求將3個基準點施測1條閉合水準路線，假定S1的高程，從而求得其他基準點的高程。

(2)水平位移監測

水平位移監測等級采用極坐標法邊角測量，在已知點上設站，將另外的2個水平位移監測基準點和所有的水平位移監測點按全圓觀測方法進行水平角觀測，觀測6測回；垂直角也觀測6測回。距離觀測4測回，對所有的頂部、半坡水平位移監測點進行觀測，觀測結果按式(1)進行計算，從而得到監測點的坐標。

(3)豎向位移監測

豎向位移監測由基準點起測，將基坑頂部的豎向位移監測點和建筑物沉降監測點一起，施測一閉合水準路線，觀測等級二等。觀測結果使用水準平差軟件平差計算得到監測點的高程。

半坡監測點的高程使用NET05智能全站儀進行三角高程測量，從而計算得到高程，所得結果作為參考，半坡監測點以水平位移監測為主。

3.2 數據處理與結果分析

水平位移和三角高程計算，測距邊經過氣象、加常數、乘常數改后的斜距[2]，使用垂直角，由于測區范圍小，最長測距邊 82 m，可不進行測區高程面的化平或參考橢球面的化平，直接使用改正后的斜距用垂直角化平，結合水平角、垂直角，采用極坐標法和三角高程計算公式本別計算得到各監測點的坐標和高程。

豎向位移監測的水準觀測數據通過《科傻CODAPS》或《水準平差軟件》平差計算，由于測區范圍小，只加入標尺長度誤差改正和閉合差改正。

水平位移符號向基坑內為正，向外為負；豎向位移符號，沉降為正，抬升為負，如圖2所示。

圖2 東側水平位移過程線圖

E2、E4隨著地下車庫墻體施工遮擋于6月14觀測不到，其余點6月28日由于基準點更換位置，E3棱鏡調制方向導致有 5 mm左右的變化量，但隨后變化穩定；E5、E7、E9是隨著工期的進行在7月1日新增加的監測點，E5由于施工的原因導致需經常拆卸棱鏡，從而導致其有輕微的波動，其最大的累計變化量最大為 9.5 mm。8月1日因施工單位夜間施工，由施工單位人員拆卸棱鏡造成E5、E7、E9三個點，位移量整體上升，隨后監測點變化量均保持平穩。東側監測點總體位移方向指向坑內，但位移量較小，整體變化平穩緩慢，如圖3所示。

W1、W2、W4隨著地下車庫墻體施工遮擋于6月14觀測不到，其余點6月28日后由于基準點更換位置，W3、W5棱鏡調制方向影響導致變化量偏大，但后期變化值穩定，7月23日施工單位對W5拆卸棱鏡又導致累計變化量增大至 15.4 mm，隨后變化值沒有發生很大變化，其他點變化量均比較穩定，變化基本都在 ±4 mm范圍內。

圖4、圖5顯示基坑坡頂和建筑物監測點的豎向位移很小，均在 1 mm左右變化，基本無豎向位移。

圖3 西側水平位移過程線圖

圖4 豎向位移過程線圖

圖5 建筑物沉降監測點豎向位移過程線圖

4 總 結

通過對基坑的位移監測，使用NET05智能全站儀和電子水準分別觀測水平和豎向位移監測點，監測結果均沒有達到報警值，說明基坑和鄰近建筑物是安全穩定的。從監測結果看，基坑位移監測設計方案得到了成功的應用，同時也反映了基坑觀測方法的合理性。為了今后能更好地組織和實施，總結如下經驗：

(1)基坑監測方案設計應根據基坑工程概況(如地質情況、開挖深度等特性)和基坑周邊環境(包括建筑物、地下管廊、道路等要素)制定總體監測方案。即進行監測基準點和監測點的布設；結合設計單位基坑監測總體要求和監測規范依據制定監測方法和觀測等級，并對觀測方法做精度估算，對監測方法進行精度論證。

(2)監測工作的準備和實施過程依據工程現場現有條件，一定要確保其穩定性和實用性，本次監測點的安裝就沒有考慮儀器架設基準點更換的問題，棱鏡焊接安裝工藝較差，棱鏡方向的調整差異造成數據的偏離。

(3)智能全站儀人工只做目標照準一次測量后，智能機器便能自動尋找目標監測點照準測量，對于監測點多的基坑工程，可以提高工作效率，為監測工作帶來便利。

(4)豎向位移觀測方法的改進，本次基準點距監測點都比較近，可固定1根尺子觀測，采用單站法多測回直接測點得到高差，可以大大提高觀測效率和精度。

基坑工程監測是確保基坑施工安全和穩定，對基坑、緊鄰建筑物的有效保護，是施工過程中必不可缺少的組成部分，應重視基坑的變形監測，加大其資金的投入，避免因基坑變形失穩可能造成的損失。

[1] GB50497-2009. 建筑基坑工程監測技術規范[S].

[2] GB50026-2007. 工程測量規范[S].

[3] 李青岳，陳永奇. 工程測量學[M]. 北京：測繪出版社，2008.

[4] 周斌麟，江金霞，譚夢輝. TS30全站儀在基坑監測中的應用[J]. 交通科技與經濟，2015，17(2)：110～113.

[5] 包民先，殷忠. DiNi12數字水準儀進行基坑監測的技術指標探討及應用[J]. 測繪工程，2011，20(6)：57～60.

Monitoring and Analysis of Displacement of Foundation Pit with Intelligent Total Station and Electronic Level

Zhu Xiaojiang

(Surveying Department of Xinjiang Hydroelectricity Institute of Surveying and Design，Changji 831100，Xinjiang)

To ensure the safety of construction of foundation pit excavation monitoring is necessary and effective technical aspects，in a pit project as an example，firstly introduces the requirements of the foundation pit engineering and monitoring technology，followed by the program，given the technology method of foundation pit excavation monitoring，horizontal displacement monitoring and electronic theodolite vertical displacement monitoring of foundation pit using leveling using polar coordinates of intelligence the accuracy of total station is analyzed，finally，describes the implementation of foundation pit monitoring，and the monitoring results are analyzed briefly，and the application of this method to summarize and evaluate the foundation pit monitoring.

foundation pit monitoring；intelligent total station instrument；electronic level；monitoring method；result analysis

1672-8262(2017)04-152-05

P258

B

2016—11—22

朱曉江(1987—)，男，碩士，工程師，主要從事水利水電工程測量等技術工作。