深基坑監(jiān)測技術探討

郝雨琦 于建文

摘 要：隨著我國經(jīng)濟建設的推進，越來越多的高大建筑開始向縱向空間發(fā)展，而基坑工程也隨之逐漸擴大。基坑在開挖施工過程中由于受基坑土質、開挖深度及尺寸、周圍荷載、支護系統(tǒng)及施工方法等諸多因素影響，基坑變形將是不可避免的。為了保證基坑工程施工質量，保證工程自身穩(wěn)定和周邊環(huán)境的安全，必須要在施工過程中進行基坑監(jiān)測來指導下一步的施工。本文詳細描述了利用全站儀、水準儀、收斂計等在三維變形監(jiān)測中的應用和方法，最后介紹了結合云計算、大數(shù)據(jù)等新技術的在線監(jiān)測和BIM在深基坑監(jiān)測中的應用的新技術。

關鍵詞：基坑工程；基坑變形；基坑監(jiān)測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.088

1 工程概述

馬鞍山鄭蒲港鐵路牛屯河特大橋橋址區(qū)起始端與既有淮南鐵路并行跨牛屯河、X016縣道，合蕪高速公路等，全長16.34km。穿越區(qū)地質多為雜填土、黏土、泥巖、泥質砂巖。本次基坑監(jiān)測位置為牛屯河特大橋連續(xù)梁主墩43#墩、44#墩，基坑施工為鋼板樁圍堰方法，鋼板樁圍堰為矩形輪廓，長為11.0m，寬為15.5m，基坑深度為9m，鋼板樁嵌入平臺頂以下14.5m，圍堰內部采用三層內支撐，見圖1。

2 深基坑監(jiān)測的特點和內容

2.1 監(jiān)測特點

（1）時效性。基坑監(jiān)測通常有鮮明的時間性。測量結果是動態(tài)變化的，一天以前（甚至幾小時以前）的測量結果都會失去直接的意義，因此深基坑施工中監(jiān)測需隨時進行，在測量對象變化快的關鍵時期，可能每天需進行數(shù)次觀測。

（2）高精度?；邮┕ぶ械臏y量通常采用一些特殊的高精度儀器。

（3）等精度?；邮┕ぶ械谋O(jiān)測通常只要求測得相對變化值，而不要求測量絕對值。基坑監(jiān)測要求盡可能做到等精度，使用相同的儀器，在相同的位置上，由同一觀測者按同一方案進行監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測內容

（1）基坑周圍土體沉降。

（2）基坑坑底隆起。

（3）支護結構水平位移。

（4）基坑周邊收斂。

（5）深層土體差異沉降和水平位移等。

監(jiān)測內容取決于工程本身的規(guī)模、施工方法、地質條件、環(huán)境條件等。具體施工中應根據(jù)設計規(guī)范要求，結合工程實際情況委托第三方監(jiān)測機構進行監(jiān)測。施工前應編制好監(jiān)測方案，報總監(jiān)理工程師審批，監(jiān)測時按審批的方案進行布點，實施監(jiān)測，并及時提交監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 深基坑監(jiān)測的方法

監(jiān)測基坑周圍土體沉降和基坑隆起主要采用幾何水準法，通過高精度的光學或電子水準儀進行直接觀測，計算出變形量。監(jiān)測精度要求不高時，可直接通過全站儀觀測監(jiān)測點的三維坐標，求得基坑沉降和水平位移量。

監(jiān)測深基坑邊坡水平位移，通常要布設變形監(jiān)測網(wǎng)，然后基于該網(wǎng)，采用交會法、視準線法和全站儀三維極坐標法等監(jiān)測。下面著重探討下利用全站儀建立無接觸測量三維變形監(jiān)測網(wǎng)及其無接觸測量技術，如何監(jiān)測基坑的三維變形和基坑的坑壁收斂。

如圖2（a）所示，深基坑開挖前，在基坑周圍穩(wěn)固的構建物上粘貼聚酯反射片，如果距離比較遠可以安裝微型棱鏡代替反射片，然后全站儀在幾個合適的位置自由設站，對反射片進行三維觀測，并作三維嚴密平差，建立無接觸測量三維變形監(jiān)測網(wǎng)。這種類型的三維監(jiān)測網(wǎng)采用獨立基準，它的坐標軸宜與深基坑軸線平行。進行變形監(jiān)測的時候，用監(jiān)測點上一次的坐標減去本次的坐標的差來計算當期基坑的變形量，與初始值的坐標差計算累計的變形量。

無接觸變形監(jiān)測技術有以下三方面應用：

（1）采用自由設站法測量三維監(jiān)測網(wǎng)點的三維坐標。如圖2（b）所示，在監(jiān)測變形的位置粘貼聚酯反射片，在適當?shù)奈恢眉芎萌緝x，然后測量一部分或全部三維監(jiān)測網(wǎng)點，并且同步觀測監(jiān)測點，求得網(wǎng)點和監(jiān)測點在全站儀坐標系中的三維坐標。全站儀坐標系的原點位于儀器三軸的交點，坐標軸方向隨機為儀器水平度盤和豎直度盤的“0”方向。假定網(wǎng)點在監(jiān)測網(wǎng)坐標系的坐標為（，，），在全站儀坐標系中的坐標為（），監(jiān)測點在監(jiān)測網(wǎng)坐標系的坐標為（，，），監(jiān)測點在全站儀坐標系中的坐標為（，，）。（，，）與（，，）有如下轉換關系：

= （1）

式中，，，為坐標平移參數(shù)，為尺度因子，R為含三個獨立因子的旋轉矩陣。所以，要求得（1）式中的平移參數(shù)、尺度因子和旋轉矩陣因子，就要同步觀測至少3個三維監(jiān)測網(wǎng)點。監(jiān)測點在監(jiān)測網(wǎng)中的三維坐標按下式計算：

= （2）

式中平移參數(shù)，，就是全站儀三軸交點在三維監(jiān)測網(wǎng)中的坐標分量。對不同周期的監(jiān)測點坐標求差，就可求得監(jiān)測點的變形量。

這種方法可以自由設站，沒有儀器對中、量高誤差，用測量機器人可以全自動測量；不需要考慮氣溫、氣壓等因素的影響，因為測量結果總是轉化到固定的三維網(wǎng)，無論變形監(jiān)測期間的尺度因子如何變化，其最終結果的尺度總是和建網(wǎng)時的尺度一致。另外，進行變形測量時，儀器的一些系統(tǒng)誤差也可以抵消。在20到50米范圍內，精度為正負2”和1+2PPm的全站儀，變形監(jiān)測精度可達0.2～0.4mm，即使百米范圍內，精度也可達毫米級。

（2）監(jiān)測基坑周邊和坑壁的水平位移。基坑坑壁經(jīng)常會受到施工的干擾，不能直接觀測的位置，可以用全站儀、鉛直儀和小鋼尺配合，監(jiān)測坑壁變形，如圖3所示。

將全站儀架設在坑壁上方的平臺上，觀測4到6個三維監(jiān)測點，然后利用邊、角后方交會原理，或三維坐標轉換法，求得全站儀三軸交點的坐標；保持全站儀基座位置不動，卸下全站儀，然后在基座上安置光學鉛直儀，這時候鉛直儀軸線一樣通過全站儀的三軸交點。在監(jiān)測變形的位置平放小鋼尺，等光學鉛直儀調好焦距后，可直接在小鋼尺上讀數(shù)，這樣就可以間接求得待測點的水平位移。

（3）監(jiān)測坑壁收斂。如圖4所示，基坑寬度小時，可以用收斂計直接測量基坑兩邊同一高度處A、D兩點的相對收斂情況。盡管收斂計本身讀數(shù)精度很高，但是會受到設備安置等因素的影響，重復測量精度只能達到0.3～0.5mm。當基坑寬度較大時，收斂計就無法測量了，這時采用全站儀無接觸測量就可以解決這一問題。

在圖4中基坑兩邊同一高度處 A 、D 點處粘貼聚酯反射片，采用全站儀無接觸測量法自由設站進行三維測量，測定A、D兩點的水平方向、，天頂距、及斜距、建立如圖5所示的坐標系，原點O為全站儀三軸的交點，X軸平行于AD連線的水平投影。則A 、D點在此坐標系中的坐標為：

（3）

和

（4）

式中，=-為OA與Y軸的夾角。

由=可得：

于是得：

= （5）

AD長度為：

= （6）

對上式全微分，可得AD的精度：

= （7）

由式（7）可知，適當選擇測站位置，能使A、D點的X 、Z坐標達到較高的精度。在距監(jiān)測斷面50m內，AD邊的精度可達到0.4～0.7mm。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與反饋

（1）所有的觀測數(shù)據(jù)都按基坑監(jiān)測方案要求的各項限差進行控制。對監(jiān)測原始數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)改正、平差計算， 計算各點的變形量及累計變形量，生成監(jiān)測報表和變形曲線圖。每次測量后對每個量測點分別作回歸分析，求出各自精度最高的回歸方程，并進行相關分析和預測，推算出最終變形規(guī)律，并由此判斷施工方法的合理與安全性。

（2）隨著施工的進度，監(jiān)測工作在工程期間應穿插進行。為了做到監(jiān)控能時時指導施工，應及時將處理數(shù)據(jù)制定成報表反饋給技術人員。采取預警控制法結合變形速率進行安全信息反饋，監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預警值或超過累積值時，監(jiān)測人員應在當天的報表中標注出來，及時向技術主管部門進行匯報。每周進行一次報表匯總，進行周報。

5 結語

深基坑監(jiān)測直觀而有效的監(jiān)測方法是測量幾何量法。監(jiān)測精度要求不高時，可直接通過全站儀進行監(jiān)測基坑的三維變化；精度要求高時，可通過幾何水準法來監(jiān)測基坑的沉降和隆起，通過安裝收斂計或利用全站儀建立無接觸變形監(jiān)測網(wǎng)來監(jiān)測基坑三維變形和坑壁收斂。通過基坑監(jiān)測減少施工的盲目性，及時發(fā)現(xiàn)施工過程中的異常并預警，保證基坑的安全施工，其社會效益及經(jīng)濟效益是非常明顯的。

6 展望

（1）目前基坑監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，受很多因素影響，存在人為誤差， 各項技術參數(shù)不能實時監(jiān)測，匯總分析滯后，難以及時掌握存在的問題與風險。結合云計算、大數(shù)據(jù)等新技術的在線監(jiān)測能夠提供不間斷的數(shù)據(jù)。通過傳感器與無線節(jié)點進行連接，數(shù)據(jù)通過云網(wǎng)關內置的無線傳輸模塊，上傳到云平臺的控制中心。云平臺提供實時顯示、自動報警和數(shù)據(jù)儲存等功能?？蛻敉ㄟ^手機或者PC訪問服務器，獲取短信報警，數(shù)據(jù)分析等相關服務。

（2）BIM技術應用于深基坑監(jiān)測中是通過將基坑的形狀 、支護結構、 周圍的環(huán)境和各類監(jiān)測點建立三維模型，再將實時的數(shù)據(jù)導入模型中，并通過檢測模型的5D動畫模擬 （三維模型+時間軸+變形色譜云圖），就可以直觀的展示出基坑變形的細微程度，從而分析和預測重要節(jié)點部位和潛在的問題，排除施工過程中的風險，消除危險節(jié)點，進行不同施工方案的比較分析。

參考文獻：

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