高精度全站儀在城市建筑基坑變形監測中的應用

范兵，李改，易小江，周應權，馮嘉林

（1重慶市江南新城開發建設（集團）有限公司，重慶 401336；2重慶市建筑科學研究院有限公司，重慶 400016）

0 引言

隨著我國城市化進程的推進，各種新型、大型建筑物不斷涌現，建筑基坑開挖的深度越來越大，規模越來越復雜。為了確保支護結構和相鄰建筑的安全，在施工過程中要對基坑的變形情況進行監測，從而保證施工過程中支護結構及相鄰建筑物的安全、穩定[1-3]。

基坑變形監測主要包括水平位移監測和豎向位移監測。基坑水平位移監測包括測定特定方向上的水平位移，常用方法有視準線活動覘牌法、視準線測小角法、激光準直法等。這些方法的特點是使用經緯儀即可進行觀測，以基坑附近有穩定的基準點為基礎，并保證在監測點通視的條件下才能實施[4]。同時，不同邊在水平位移觀測時需分別設站，觀測時間較長，對于復雜的監測環境不太適用。基坑豎向位移監測的傳統方法主要以幾何水準測量為主，其測量精度高，數據可靠，能夠有效反應基坑的豎向變形。其缺點在于高程傳遞受地形環境影響因素較大，監測耗時較長，在某些特殊基坑或基坑較深時無法有效實施。

相較于上述監測方法，采用全站儀坐標法進行水平位移監測、三角高程測量法進行豎向位移監測都比較簡便，對于各種形狀、各種類型的基坑通過一站式監測幾乎都能輕易獲取監測點的坐標，通過計算兩次坐標的變化量即可確定位移量[5]。但是由于普通全站儀的標稱精度較低，其位移觀測精度（特別是豎向位移精度）不能滿足相應規范要求，從而導致全站儀法難以在基坑變形監測中得到很好的應用。隨著科學技術的不斷發展，高精度全站儀得以出現。目前，現有的高精度全站儀測角標稱精度為0.5″，測距標稱精度為0.6mm+1ppm，保證其測量精度能夠達到相應規范要求。新版《建筑基坑工程監測技術標準》（GB 50497—2019）[6]已將全站儀坐標法和三角高程測量法作為基坑水平位移和豎向位移的常規監測方法。這表明，當全站儀精度得到保證時，采用全站儀進行基坑位移監測是可行且有效的。

1 全站儀水平位移坐標點位精度分析

全站儀監測基坑水平位移的方法稱之為全站儀坐標法，包括極坐標法和以極坐標法為基礎的自由設站法。它通過直接測定基坑位移監測點的坐標，計算前后兩次坐標的變化量即可確定位移量。由于測量坐標的精度受到距離測量精度和角度測量精度的雙重影響，不太容易估算，現根據測量誤差的理論知識，對全站儀坐標法的精度進行分析。

全站儀坐標法測量精度的影響因素主要來自于觀測誤差、全站儀對中誤差、監測點棱鏡偏心誤差。觀測誤差由測距中誤差和測角中誤差構成。其中，測角中誤差又由水平角和豎直角構成。觀測誤差由全站儀設備本身的標稱精度所決定。由于高精度全站儀自身的標稱精度較高，其觀測誤差可以得到有效控制。全站儀對中誤差和監測點偏心誤差是指當全站儀或棱鏡采用三腳架對中時產生的誤差，一般來講，其誤差不宜超過±0.5mm。而當全站儀或者棱鏡采用具有強制對中裝置的觀測墩或者棱鏡臺時，其對中誤差和偏心誤差很小，幾乎可忽略不計。

由于觀測誤差、儀器對中誤差、偏心誤差是相互獨立的，根據誤差傳播定律，可得到監測點的點位中誤差為：

以瑞士萊卡TS60高精度全站儀為例，對不同觀測距離位移觀測點的坐標精度進行分析。一般來講，基坑變形觀測點位移分布在基坑頂部，且位于同一水平面上，儀器觀測時的豎直角較小，因此將豎直角設置為0。TS60高精度全站儀測距標稱精度為0.6mm+1ppm，測角標稱精度為0.5″，儀器對中誤差和偏心誤差均以±0.8mm來考慮。根據式（1）、式（2），得到該全站儀在不同測距時一個測回的測點中誤差，如表1所示。

《建筑基坑工程監測技術標準》將基坑水平位移監測精度按照水平位移預警值分為4級，結合基坑安全等級可知，一二級基坑監測點坐標中誤差要求為±1.5mm，三級基坑監測點坐標中誤差要求為±2.0mm。由表1可知，隨著測距增大，全站儀測量精度逐步降低，且采用強制對中方式具有相對良好的測量效果。考慮到基坑監測中測站點到監測點的距離一般不大于300m，高精度全站儀采用強制對中方式一測回即可滿足一二級基坑的監測精度要求，如采用光學對中方式，則需要結合基坑地形情況和基坑安全等級適當增加測回，以保證測量精度滿足規范要求。

2 全站儀豎向位移高差監測精度分析

全站儀監測基坑豎向位移的方法稱之為三角高程測量法。幾何水準測量法作為傳統的高程測量方法，其儀器、技術成熟，測量精度容易保證，但受基坑地形環境影響，有時不便于進行監測。全站儀三角高程測量法測量豎向位移相對簡便，能夠適應各種地形環境的基坑，當其測量精度得到保證時，可作為基坑豎向位移監測的有效方法。現對全站儀三角高程測量法的精度進行分析。

全站儀三角高程測量精度的影響因素主要來自于觀測誤差、測量儀器高和棱鏡高的誤差、大氣折光誤差和地球曲率誤差。觀測中誤差由測距中誤差和豎直角中誤差構成，由全站儀設備自身的精度決定。高精度全站儀的標稱精度如上文所示。大氣折光系數中誤差與氣壓、溫度梯度有關。根據王坤昂等人[7]的研究成果可知，測距在300m以內，大氣折光系數中誤差較小，一般應小于等于0.063mm。同樣，由于觀測誤差、測量儀器高和棱鏡高的誤差，大氣折光誤差和地球曲率誤差均是相互獨立的，根據誤差傳播定律可得到高差中誤差為：

同樣，以瑞士萊卡TS60高精度全站儀為例，對不同豎直角、不同觀測距離時觀測點的高程精度進行分析。TS60高精度全站儀測距標稱精度為0.6mm+1ppm，測角標稱精度為0.5″。大氣折光系數中誤差取±0.05mm，地球平均曲率半徑為6371km。測量儀器高和棱鏡高的誤差取值為±0.55mm。根據式（3）—式（5），得到此高精度全站儀在不同測距、不同豎直角時一個測回的高差中誤差，如表2所示。

表2 高精度全站儀監測點高差中誤差

《規范》將基坑豎向位移監測精度按照豎向位移預警值分為4級，結合基坑安全等級可知，一二級基坑監測點高差中誤差要求為±0.5mm，三級基坑監測點高差中誤差要求為±1.0mm。由表2可知，隨著測距增大，豎直角增大，全站儀測量精度逐步降低，且采用強制對中方式，具有相對良好的測量效果。當采用強制對中方式時，豎直角需在20°以內，測距小于200m，一測回的豎向位移精度能夠滿足相應規范要求，否則應增加測回數量，以提高測量精度。采用光學對中方式對安全等級為一二級的基坑進行測量時，必須進行多測回監測，以保證測量結果的有效性。

3 應用實例

重慶市南岸區某建筑基坑項目，擬建場地原為構造剝蝕淺丘地貌，現場地已經過場平工作。地形平緩，地形坡角5°～8°。場地最高標高約284.00m，最低標高約279.00m，高差5m。根據建筑總平面圖及設計平場標高，基坑開挖后最大土質邊坡高度約9.8m，環長約426m。其中AB段邊坡中風化基巖采用1∶0.35放坡+噴射混凝土護坡，強風化基巖及土層采用1∶1.25放坡+噴射混凝土護坡；BF段和FG段邊坡采用1∶1.25放坡+噴射混凝土護坡；GA邊坡采用1∶0.25放坡+錨桿+肋板式擋墻支護；進出基坑臨時通道以上邊坡全采用1∶1.25放坡+噴射混凝土護坡。基坑工程安全等級為一級。結合規范和實際工程經驗，針對該項目，將預警值作以下設置：基坑支護頂部水平位移累計值報警值為40mm，變化速率報警值為3mm/d。基坑支護頂部豎向位移累計值報警值為30mm，變化速率報警值為2mm/d。

采用瑞士萊卡TS60高精度全站儀對該基坑進行水平位移和豎向位移監測。水平位移監測方法為全站儀坐標法，豎向位移監測方法為三角高程測量法。觀測點和控制點均采用特定的觀測標志，且觀測標志均進行強制對中，以消除對中、偏心、儀高等誤差。由于該項目最大測距不超過200m，根據上述水平位移和豎向位移精度分析可知，當采用高精度全站儀強制對中方式時，其水平位移和豎向位移的測量精度滿足一級基坑的監測精度要求。

通過該基坑項目38期監測數據分析可知，基坑頂部26個位移監測點的X方向累計水平位移值在-12.6～0.2mm之間，Y方向累計水平位移值在-13.7～0.4mm之間，均未超過報警值40mm。基坑頂部26個位移監測點的累計豎向位移值在-0.1～-7.4mm之間，均未超過報警值30mm。

通過上述分析可知，利用高精度全站儀，采用全站儀坐標法和三角高程測量法直接一站式測定基坑頂部水平位移和豎向位移，能夠滿足一二級基坑的監測精度要求，達到期望的基坑安全監測效果。

4 結語

本文通過對高精度全站儀水平位移和豎向位移進行精度分析，并結合工程應用實例，發現采用高精度全站儀對城市基坑進行一站式水平位移和豎向位移監測是可行且有效的。采用強制對中方式進行水平位移監測能夠有效提高監測精度，但是需要注意的是，當采用光學對中方式時，則要進行多測回測量。測量豎向位移時，應盡量采用強制對中方式，且豎直角和測距不宜過大，以保證監測數據的有效性。