深基坑監測技術探討

郝雨琦 于建文

摘 要：隨著我國經濟建設的推進，越來越多的高大建筑開始向縱向空間發展，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，保證工程自身穩定和周邊環境的安全，必須要在施工過程中進行基坑監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測中的應用和方法，最后介紹了結合云計算、大數據等新技術的在線監測和BIM在深基坑監測中的應用的新技術。

關鍵詞：基坑工程；基坑變形；基坑監測

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。穿越區地質多為雜填土、黏土、泥巖、泥質砂巖。本次基坑監測位置為牛屯河特大橋連續梁主墩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 深基坑監測的特點和內容

2.1 監測特點

（1）時效性。基坑監測通常有鮮明的時間性。測量結果是動態變化的，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，可能每天需進行數次觀測。

（2）高精度。基坑施工中的測量通常采用一些特殊的高精度儀器。

（3）等精度。基坑施工中的監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測。

2.2 監測內容

（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。

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

3 深基坑監測的方法

監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。監測精度要求不高時，可直接通過全站儀觀測監測點的三維坐標，求得基坑沉降和水平位移量。

監測深基坑邊坡水平位移，通常要布設變形監測網，然后基于該網，采用交會法、視準線法和全站儀三維極坐標法等監測。下面著重探討下利用全站儀建立無接觸測量三維變形監測網及其無接觸測量技術，如何監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測網。這種類型的三維監測網采用獨立基準，它的坐標軸宜與深基坑軸線平行。進行變形監測的時候，用監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。

無接觸變形監測技術有以下三方面應用：

（1）采用自由設站法測量三維監測網點的三維坐標。如圖2（b）所示，在監測變形的位置粘貼聚酯反射片，在適當的位置架好全站儀，然后測量一部分或全部三維監測網點，并且同步觀測監測點，求得網點和監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。假定網點在監測網坐標系的坐標為（，，），在全站儀坐標系中的坐標為（），監測點在監測網坐標系的坐標為（，，），監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，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、尺度因子和旋轉矩陣因子，就要同步觀測至少3個三維監測網點。監測點在監測網中的三維坐標按下式計算：

= （2）

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

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，無論變形監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時的尺度一致。另外，進行變形測量時，儀器的一些系統誤差也可以抵消。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）監測基坑周邊和坑壁的水平位移。基坑坑壁經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，這樣就可以間接求得待測點的水平位移。

（3）監測坑壁收斂。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。在距監測斷面50m內，AD邊的精度可達到0.4～0.7mm。

4 監測數據處理與反饋

（1）所有的觀測數據都按基坑監測方案要求的各項限差進行控制。對監測原始數據進行數據改正、平差計算， 計算各點的變形量及累計變形量，生成監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，監測工作在工程期間應穿插進行。為了做到監控能時時指導施工，應及時將處理數據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，監測數據超過預警值或超過累積值時，監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

深基坑監測直觀而有效的監測方法是測量幾何量法。監測精度要求不高時，可直接通過全站儀進行監測基坑的三維變化；精度要求高時，可通過幾何水準法來監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測網來監測基坑三維變形和坑壁收斂。通過基坑監測減少施工的盲目性，及時發現施工過程中的異常并預警，保證基坑的安全施工，其社會效益及經濟效益是非常明顯的。

6 展望

（1）目前基坑監測以人工監測為主，受很多因素影響，存在人為誤差， 各項技術參數不能實時監測，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、大數據等新技術的在線監測能夠提供不間斷的數據。通過傳感器與無線節點進行連接，數據通過云網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、自動報警和數據儲存等功能。客戶通過手機或者PC訪問服務器，獲取短信報警，數據分析等相關服務。

（2）BIM技術應用于深基坑監測中是通過將基坑的形狀 、支護結構、 周圍的環境和各類監測點建立三維模型，再將實時的數據導入模型中，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點部位和潛在的問題，排除施工過程中的風險，消除危險節點，進行不同施工方案的比較分析。

參考文獻：

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