Trimle DiNi03水準儀在基坑監測中的應用分析

崔明軍，劉平利

（ 1.河南省有色金屬地質礦產局第七地質大隊，河南 鄭州 450001；2.河南省地質調查院 河南省城市地質工程技術研究中心，河南 鄭州 450001）

隨著城市化進程的不斷推進，各城市工程項目不斷增加，作業難度也不斷增大，建筑物高度越來越高，城市立體化發展工程越來越多，這就要求廣大測繪工作者提供更加優質、高效的測繪保障。電子水準儀具有精度高、使用方便、快速可靠等特點，可廣泛應用于大面積場地測量、樓面水平線標志測量、形變與沉降觀測等領域。本文根據Trimle DiNi03水準儀的特點，總結了工作中的經驗，以期為后續工作提供有益參考。

1 Trimble DiNi03水準儀簡介和工作原理

1.1 Trimble DiNi03水準儀簡介

Trimle DiNi03水準儀是已經過外業驗證的高精度水平測量儀器。其性能卓越、操作方便，使水準測量進入了數字化時代，極大地提高了生產效率；已被廣泛應用于工程測量、結構沉降觀測以及高精度的水準網觀測中，且可提供精確可靠的數據和美觀的原始數據格式。

1.2 Trimle DiNi03水準儀的工作原理

Trimle DiNi03水準儀內部采用數字圖像處理技術，與照相機類似，首先拍攝銦瓦鋼尺上的條碼影像，并通過分光鏡分成兩束，一束傳到分劃板上供人觀測，另一束傳到CCD上[1]；然后在內部通過光敏二極管感應轉化為電信號，電信號再通過經模數轉換輸出為數字信號；最后在主板的控制下，將拍攝的條碼信息與內存中水準尺的條碼信息進行比較和計算[2]，處理后的信號一路存入PC卡，另一路輸出到液晶顯示器，從而完成整個測量過程。工作原理如圖1所示。Trimle DiNi03水準儀采用了目前先進的相關法量算系統，利用中絲上下兩邊各15 cm的間距計算視距和視線高。測量時，作業員將電子水準儀大概整平，對準銦瓦鋼尺條形碼，調節微動螺旋使視線水平，調焦望遠鏡清晰看到條形碼，按下測量鍵就會在顯示器上顯示距離和高差。每站觀測數據被自動記錄在自帶的內存卡上，并根據設置好的限差自動檢校，觀測時地球彎曲差和大氣垂直折光差可設置為自動改正。

圖1 Trimle DiNi03水準儀工作原理圖

1.3 Trimle DiNi03水準儀的優勢

1）讀數客觀。該儀器不存在誤讀、誤記問題，可保存測量數據R-M格式，也可既保存測量數據又保存計算數據RMC格式。

2）精度高。該儀器往返觀測每km的精度可達 0.3 mm。測量時距離和高差都進行了多次讀數取平均，減弱了銦瓦鋼尺分劃誤差的影響，同時削弱了外界條件的影響，使不熟悉測量專業的作業人員也能進行高精度水準測量。

3）可自動進行地球曲率和氣象改正。該儀器的補償精度在 15″，若超過傾斜范圍，則會出現警告信息，屏幕上的氣泡顯示不居中。

4）速度快。外業測量時，儀器整平后望遠鏡對準前后條碼尺自動進行記錄、檢校，無需觀測員再報數、記數和計算，可節省一個人員。該儀器既節省了現場計算的時間，又避免了人為的聽錯記錯數據，提高了外業觀測和搬站的速度[3]。

5）效率高。每個測站都能根據水準路線等級限差，設置自動提醒前后視距差是否超限、測站兩次讀數高差之差是否超限、前后視距累積差是否超限等，外業只需整平，調焦成像清晰后按下測量鍵，儀器即可實現數據的自動記錄、檢核與處理，實現了內外業一體化，減輕了勞動強度。

6）操作方便。該儀器的主界面是寬大的圖形化液晶顯示屏，可方便輸入線路名、點名、點號以及代號信息等，操作方便、容易、直觀。

2 實例應用

東方國際項目位于鄭州市新區，西側為規劃道路新怡路，道路寬約為20 m，基坑邊到新怡路的距離為19.0 m，無重要監測對象；東側、南側為空曠場地；北側為規劃道路站西二路，道路寬為8.5 m，基坑邊到站西二路的距離為13 m，無重要監測對象。該地塊為商業綜合體項目，開發總面積約為15 131 m2，包括 11 898 m2的商業和辦公空間；分為地下3層，基坑開挖面積約為12 748 m2，基坑圍護周長約為484 m，挖深為11.0～13.0 m；地塊四周采用土釘+錨桿復合圍護，建設單位要求按一級基坑監測。

為了保證監測工作的統一性，監測控制網基準點由甲方提供，以保持與設計階段成果的連續性。在基坑深度3倍范圍以外的區域設置3個水準基點，分別為大都路BM1、BM2以及北部BM3。

墻頂監測點布置在圍護墻體的冠梁上，并接近一條直線，布點間距為20 m，基坑陽角處也有布點，墻頂 布置10個監測點。標志采用￠14螺紋鋼置入冠梁， 露出地面10 mm并套絲，觀測時安裝棱鏡。圍護墻上每下降約6 m布設一個監測點，每個斷面布設兩個監測點，共布設2個斷面、12個監測點，具體基坑監測點和水準點位置如圖2所示。

圖2 基坑監測點布置圖

項目采用二等水準觀測方法進行墻頂垂直位移監測，以保證各項限差符合國家二等水準測量中關于數字水準儀的限差要求[4]。具體限差指標如表1所示。

表1 高程控制主要技術指標/mm

水準基準點數量應不少于3個，為避免受施工影響，水準基準點布設在基坑開挖深度3倍范圍以外的區域[5]。項目共布設3個水準、平面共用基準點，采用深埋式，標石形制如圖3所示，頂部釘帽上刻有細十字標志。具體位置為大都路BM1、BM2以及北部BM3。以二等水準等級觀測，采用直接閉合水準路線法測設，采用Trimle DiNi03水準儀配合2M銦瓦鋼尺水準尺，基準點高程采用甲方提供的施工高程引至BM1點，再由BM1點采用閉合水準測量法引至BM2、BM3點。結果表明，測量閉合誤差均小于2 mm。觀測時要求視距≤50 m，前后視距差≤1 m，任一測站上前后視距累積差≤3 m，0.55 m≤視線高≤1.80 m，重復觀測次數≥2次。確認觀測數據符合各項要求后，加入水準標尺長度改正、重力異常改正、環閉合差改正，由兩人分別獨立計算一份，并核對無誤。

圖3 監測基準點剖面圖

墻頂垂直位移根據二等水準技術要求觀測，構成閉合路線。墻體垂直位移采用全站儀一測回，同一點 本次高程減去上次高程，即為本次該點的沉降量； 本次高程減去初始值高程，即為本次該點的累積沉降量（或本次沉降量加上上次的累積量）。

研究區硅質巖的化學成分以SiO2為主，含量為70.02×10-2～93.72×10-2，平均為82.12×10-2，其次為TFe2O3、Al2O3和MgO，含量分別為2.53×10-2～6.89×10-2、1.50×10-2～7.81×10-2和0.30×10-2～5.14×10-2，其余成分含量均很低(表2)。

式中，dhi為本次沉降量；Hi為本次高程；Hi-1為上次高程；Dhi為本次累積沉降量；H為初始值高程；Dhi-1為上次累積沉降量。

項目共布設4個水準、平面共用基準點（BM1、BM2、BM3、BM4），22個基坑圍護墻頂水平位移和垂直位移觀測點（W1、W2、…、W22），采用半球形不銹鋼螺釘嵌入水泥地面，BM點為普通水準標石埋入地下1 m。基準點高程采用甲方提供的施工高程引至BM1點，再由BM1點采用閉合水準測量法引至BM2、BM3、BM4點。這4個點組成閉合水準路線，由BM1點開始沿同一路線進行往返測，由于閉合水準路線起點和終點為同一個點，因此閉合水準路線測得的各段高差總和理論上應等于零。經觀測，閉合差為0.11 mm，滿足規范要求。

每次監測以BM1為起算點，聯測其余3個點以檢查基準點的穩定性。觀測順序按照國家二等水準測量中數字水準儀的觀測要求進行，測段觀測站數為偶數站，返測時，前視尺子與后視尺子交換一下。

各沉降測點最終變化均以向下為主，范圍為0～ -183 mm。各點沉降量隨開挖深度的增加而逐漸變大。在整個監測過程中，個別點出現了上下波動的現象，有些點已超出報警值，其中W7附近在底板形成前，該處正值道路施工，有強烈震動源，導致連續3 d出現報警值。由于及時向甲方和工程部監理報告，采取了卸載本區域土體的措施，因此避免了塌方事故的發生。W7點的具體變化值和變化趨勢如圖4所示。

圖4 W7監測點垂直位移曲線圖

3 儀器使用時的注意事項

1）I角值檢驗。作業第一周要每天檢驗一次 I角，特別是新儀器或在氣溫變化較大時必須進行校正。 I角穩定后，每隔15 d再檢驗一次，這是由于Trimle DiNi03水準儀具有儲存測定視準線誤差并通過自帶軟件進行改正的功能，這將大大提高成果的可靠性和精度。

2）安置儀器時盡量將腳架架得寬一些，以增加儀器的穩定性。若周圍障礙物多不允許腳架架得很寬，則可降低腳架高度以增加穩定性。將儀器放在腳架盤中間位置并擰緊，腳架的螺旋應在中心位置。

3）由于儀器需要時間進行溫度修正，根據經驗，為達到高精度測量要求，溫度修正應在規定時間內調節到新的溫度，避免強光照射。

5）檢查視差。移動目鏡時，應保證目標點和十字絲沒有移動，若移動則必須重新對焦。例如，在視距為40 m時，觀測讀數與標準讀數的最大差值達到了 0.65 mm；在視距為30 m時，最大差值達到了0.4 mm， 這充分說明了調焦的準確性對讀數有明顯影響，且視距越大、調焦誤差越大，所產生的測量誤差可能越大。

6）在一般情況下，陰影干擾對測量結果的影響不大，但當陰影的灰度與標尺上條碼灰度相近時，特別是干涉條紋和編碼尺條碼的灰度相近時，儀器會自動中止測量，并提示“測量錯誤”。因此，在實際工作中，應盡量避免條紋狀陰影投射到標尺上。

7）儀器糾正能力差，當作業地面震動時，雖然可以測量（如基坑中空壓機工作、鉆機工作時），但特別容易造成測站數據超限，因此觀測時最好避開強震動。

8）儀器不能限制同一尺上的兩次中絲讀數差，即光學水準儀中的基輔分化讀數差，因此將數據傳輸到電腦上轉化為規范規定的一、二等水準測量野外記錄手薄格式時應注意檢查這一項。

9）Trimle DiNi03水準儀自帶嚴密的平差功能，對于一條水準路線（或一個閉合環），平差方法主要是按距離定權分配閉合差，平差后的數據將覆蓋原來的數據并保存在PC卡上，因此在需要儀器自帶軟件平差時，應先把測量的原始數據傳輸出來備份一份。

10）電子水準儀雖然會自動記錄觀測數據，但一些其他的觀測條件數據也是必須記錄的，因此觀測員需要準備一個本子，外業測量時隨時記錄觀測的日期、開始時間、天氣情況、儀器型號以及前后尺的編號；測段名、開始點、結束點、對應的儀器內的作業文件名；測量過程中發生的特殊情況以及處理辦法。記錄時應清晰、整潔，最好一頁只記一個測段。