自由設站法在深基坑變形監測中實用性及可靠性分析

胡結實 （安徽省建筑工程質量第二監督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著合肥市城市基礎建設的發展，越來越多的高層建筑及超高層建筑拔地而起，讓整個城市邁入高層時代，挖深14m～19米的深基坑也開始屢見不鮮；自2012年合肥市跨入地鐵建設的第一天起，隨著軌道交通1～5號線陸續開工建設及開通，地鐵隧道工程使得合肥市的深基坑工程朝著深度更深、面積更大、區域更廣的趨勢發展，其中大東門站，是合肥軌道交通1號線和2號線的交匯點和換乘樞紐，也是迄今為止國內罕見的復雜地質、超大體量、四周高樓林立的地鐵換乘車站。兩站斜交呈“T”型，其中1號線車站在下，為地下四層三跨箱型框架結構，也是1號線全線地下最深的站點；2號線車站在上，為地下三層三跨箱型框架結構，這個挖深32m的超深基坑，在合肥也是第一次出現。伴隨著高層建筑及地鐵建設的發展過程，隨之而來因深基坑施工而出現的工程事故也因此屢有發生，造成的人身損失和經濟損失也不在少數。

在這種大建設的發展背景下，深基坑施工中的安全問題也愈來被各級行政管理部門重視起來。為了加強對合肥市深基坑工程管理，確保深基坑和相鄰建（構）筑物、道路、地下管線等的安全，合肥市城鄉建設委員會于2016年制定發布了《合肥市深基坑工程管理規定》，加強對深基坑從勘察設計到施工、監理，以及監測、檢測各項的具體管理。

1 自由設站法在深基坑變形監測中的實際意義

深基坑施工過程中必須確保深基坑和相鄰建（構）筑物、道路、地下管線等的安全，對于不同安全等級的基坑，《建筑基坑工程監測技術規范》對監測項目有著明確的規定，作為一級、二級、三級三個安全等級基坑變形監測的必測項目，支護結構頂部水平位移的監測是基坑變形監測中最重要的一個監測項目。全站儀作為監測圍護結構水平位移的重要工具，在深基坑的變形監測中起著至關重要的作用，如何合理的利用好全站儀的強大功能，更好更靈活的服務于基坑變形監測，是今天要探討的問題。

在深基坑變形監測中，水平位移的監測通常采用極坐標法，具體如下：在基坑開挖影響范圍外設置固定監測基點安放全站儀，測得各監測點坐標，各期監測數據進行分析比較得到各測點位移量。因受施工場地所限，不是每個施工現場都有條件布設固定的監測工作點，如何解決這一問題，下面筆者就合肥市某深基坑項目進行具體分析。

2 工程概況

該工程位于合肥市五河路北，東側緊鄰雙崗小學，北側和西側緊鄰現狀6～7F房屋，南側緊鄰五里河路及5F房屋；基坑支護開挖深度10m，基坑支護總體方案為排樁+內支撐體系，支護結構安全等級為一級，結構重要性系數為1.1。基坑開挖邊線距周邊房屋最小距離僅2m，基坑圍護結構破壞后果非常嚴重。本工程地貌單元為南淝河一級階地，土層自上而下為：雜填土、粘土、粉質粘土夾粉土、粉土與中粗砂互層，地下水主要為雜填土中上層滯水和粉土與中粗砂互層中的孔隙水。基坑底位于3層粉質黏土夾粉土。

根據設計要求，本工程的監測項目：①樁頂的水平位移監測；②樁頂的豎向位移；③相鄰建筑、道路沉降監測；④支護結構深層水平位移（測斜）監測；⑤支撐結構內力監測；⑥立柱沉降；⑦圍護樁內力監測；⑧斜撐支座沉降及水平位移。且本項目因為周邊相鄰建筑多，距離基坑開挖距離近，同時進行了部分項目的實時監測：①相鄰建筑的實時傾斜監測；②支護樁深層水平位移的實時監測；③1棟相鄰建筑的實時沉降監測。筆者主要就本工程中圍護結構水平位移監測方法進行分析。

因受施工場地地形和通視條件的限制，測站點只能設置在正在施工中的場地上，該區域屬于不穩定區域，因此，采取全站儀自由設站法對該基坑圍護結構變形進行監測。監測點布置如下圖所示，共布置了3個觀測基準點，50個水平位移監測點。每次觀測時選取的測站點與基準點之間的距離在200m左右，與各監測點之間的距離為100～200m左右。

3 全站儀自由設站可靠性分析

3.1 自由設站工作原理

利用全站儀對多個測點進行坐標測量時，若每次選取的測站點和后視點不相同，則各測點觀測坐標必然不同，但各測點間的相對位置是相同的，全站儀自由設站法就是利用以上原理進行。

具體監測方法：遠離基坑施工影響范圍外（一般在基坑開挖深度3倍距離以外）布置基準點A、B、C，基準點的布設必須穩定可靠，設置為帶有強制對中的固定觀測墩，這樣可以消除基準網的對中誤差。監測過程中根據施工現場實際情況，選擇通視條件好、方便監測的位置自由設立儀器觀測站，然后依次觀測各基準點及監測點，初次觀測數據作為基準數據，基準數據的讀取必須在基準點及監測點布設穩定后，取三次穩定觀測數據的平均值作為整個監測周期的基準數據，形成初始坐標系統，以后每期的監測數據都與基準數據及初始坐標系統進行比對分析。監測周期內的每次監測采取同樣操作，測得每期監測數據，根據最小二乘法原理，將各期監測數據進行轉換，將各期監測數據轉換至初始坐標系中進行數據比較，從而判斷各監測點位移變化情況。

各監測周期實測監測點數據坐標轉換至初始基準坐標的轉換公式為：

式中，n為基準控制網中基準點數量；∑x、∑y中的x、y為基準點的初始坐標數據；∑A、∑B中的A、B為監測周期內各基準點的實測數據（不包括初始數據）；Ai、Bi為監測點第i監測周期的坐標實測值；X、Y為第i期監測點實測坐標轉換到初始基準坐標系中的轉換坐標。

3.2 精度分析

實際監測中，采用全站儀自由設站法，采用極坐標法進行觀測，各監測點的坐標計算公式為：

其中，α為水平角，β為天頂距，S為斜距。

根據誤差傳播定律公式，推算得各監測點水平坐標精度為：

式中，mα為水平角的測角精度，mβ為天頂距的測角精度，ms為測距精度。

具體到本工程，使用儀器為Topcon OS-101型，該儀器標稱精度為測角精度±1",測距精度為±（2mm+2ppm.D），代入以上公式，通過計算可以得到，如果監測點在距離自由設站點200m的范圍內，則監測點在水平位移中誤差為±2.23mm，而相對應的深基坑二級變形測量的精度要求為水平位移中誤差為±3.0mm，所以應用Topcon OS-101型全站儀自由設站法進行該工程的水平位移監測是滿足工程需要的。

4 監測成果與分析

該基坑在施工期間，總計進行了86期監測，監測點累計水平位移量最大為J34、J35點，分別為28mm和29mm。該部位的監測數據在2017年9月1日至4日的監測期內，單次變化量達到7mm，變化速率達到2.33mm/d，累計變化量達到了設計提供的預警值20mm，但在控制值30mm之內。經綜合本工程各監測項目的監測數據分析，該點的水平位移累計值（20mm）與相對應的深層土體位移累計值（18mm）一致，根據施工工況，此時基坑的該部位正在進行鋼格構支撐的拆除，支撐力的消失是導致此次監測數據變化量過大的主要原因，經監測人員及時預警后，設計方調整了拆除方案，分解拆除步驟，延長了拆除支撐的時間，并增加部分土方反壓，在拆除期間進行全天候的監測。這些措施及時控制了險情，確保了基坑安全和正常施工，之后該部位監測點位移變化量逐漸趨于穩定，變化速率穩定在1mm/d之內，直至支撐安全拆除完畢，J34、J35點的累計變化量為28mm，在控制值30mm之內，該施工部位的支撐得以安全拆除，監測工作達到了及時預警險情、實時監測反饋況數據、及時給設計人員提供數據反饋、采取相應措施的目的。

累計豎向位移量最大為13.5mm，超出設計提供的預警值10mm但在控制值15mm之內，施工期間基坑工程支護結構工作正常，周邊建筑無不良現象產生，施工狀況整體安全可靠。結合基坑施工狀況、周邊建筑的監測狀況以及其他監測項目數據綜合分析比較，全站儀自由設站法進行水平位移監測靈活可靠，時效性強，實用性突出，很好的滿足了工程施工中不同工況條件下對于監測工作的要求，滿足本工程水平位移監測的精度要求。

5 結語

利用全站儀自由設站法對深基坑進行變形監測，其作業方式靈活，操作方便，精度指標可靠，克服了施工場地有限，通視條件差等不利因素，提高了現場監測效率以及監測工作的服務范圍，同時減少了采用固定測站點所常遇到的無法通視等問題，具有很好的工程實用價值。