高層寫字樓深基坑監測技術應用研究

孫選科 王海榮 賈兆琰

（中建新疆建工（集團）有限公司西北分公司，陜西 西安 710000）

1 概述

隨著城市規模的擴大和建筑水平的提高，高層建筑越來越多。在高層建筑建設中，深基坑工程將伴隨整個土方開挖和地下部分施工，直至回填完成。在人口密集、建筑物林立的城市中，只有對基坑進行實時、連續地變形觀測，才能保證基坑施工的安全，并保證項目臨建與周邊設施、建筑的安全。

2 高層寫字樓深基坑施工難點及解決方法

2.1 開挖深度深，易受周邊建筑物影響

由于基坑開挖深度深、城市建筑物較多，因此，基坑周邊容易產生沉降和形變。大部分高層寫字樓實際可用場地狹小、基坑面積占比大、基坑深度深，導致基坑容易產生沉降和形變。應加強對基坑及其周邊建筑物的基坑監測頻率，只有對基坑進行實時監測，才能保證基坑的沉降與位移在可控范圍內，避免發生安全事故。

2.2 受天氣因素的影響

由于基坑作業方式為露天開挖，因此，在雨雪季節時，大量降水容易破壞基坑結構，導致土壤的黏結能力下降，造成基坑沉降、位移，嚴重的可能發生滑坡等問題，而且雨水還會堆積在基坑內，給土方開挖帶來麻煩。遇雨雪時，應加強排水措施，在基坑底部修建排水溝，保證基坑內無積水。同時，土方開挖應在地面干燥的情況下進行，防止因土壤潮濕造成土方開挖時塌陷。

2.3 受現場條件限制，監測工作難以開展

高層深基坑場地狹小，基坑周邊可能存在大量物料堆積與周邊大型機械行駛、運輸、吊裝作業等情況，加大了基坑周邊的荷載。同時，由于基坑周圍作業頻繁，可能存在監測點被干擾的情況。因此，應把監測點布設在不易干擾的地方，如基坑冠梁內側，在不通視的情況下新增設控制點，以保證基坑監測的準確性。

3 深基坑監測技術應用分析

由于深基坑監測工作的重要性，現場施工人員在整個土方開挖階段和地下部分施工階段都會對基坑進行變形觀測，并根據觀測誤差情況和工程的實際情況進行控制，主要變形監測技術應用如下：

3.1 水準路線沉降觀測

（1）沉降觀測主要是測定設置的沉降觀測點相對于高程基準點的垂直位移。

（2）建筑物的沉降觀測是根據高程基準點進行的，高程基準點埋設在基坑及基坑周邊建筑物、道路沉降區外的2～3個水準點，并與城市水準點聯測后，獲得統一高程系統的高程，基準點之間的高差應經常復核，以保證基準點的穩定性。

（3）在基坑周邊、毗鄰建筑物沉降區內埋設沉降觀測點，采用水準儀測量沉降觀測點與高程基準點之間的高差，利用水準測量閉合環的高差進行檢驗。

3.2 極坐標法位移觀測

（1）位移觀測主要是測定設置的位移觀測點相對于基準點或線的水平位移。

（2）主要位移觀測方法為視準線法、激光垂直法、位移點邊角觀測法和極坐標法，其中常用方法為極坐標法和位移點邊角觀測法。

極坐標法，即使用全站儀在已知基準點建站，測設未知位移觀測點，使用極坐標法進行方位角轉化實際坐標。通過連續觀測，得到水平方向的坐標增量ΔX、ΔY，ΔX、ΔY便是測設間隔期間基坑位移量。實際計算公式如下：

起始邊方位角：

坐標增量與各個點坐標：

位移點邊角觀測法是以變形觀測的位移點為基站，向基準點觀測邊長和水準角，以計算水平位移，其中兩次觀測角度的差值Δβ與水平位移的關系為：

因此，按水平角差Δβ計算水平位移的計算式為：

3.3 三維激光掃描儀變形觀測

三維激光掃描儀通過高速激光掃描測量的方式，大面積、高精度地快速獲取深基坑表面的三維坐標數據。三維激光掃描儀可以快速、大量地采集空間點位信息，為快速建立深基坑的三維模型提供了一種全新的技術，三維激光掃描儀基于3DM技術所采集的點云數據具有完整的坐標信息。相比于傳統測量，三維激光掃描儀可全面監控深基坑內各部位的沉降情況，如腰梁、錨索、支護樁、冠梁、周邊道路等都可以進行精細化點云數據分析，從而發現深基坑各部位的變形情況，具體技術實施方法如下：

3.3.1 外業數據采集

通過機載激光掃描儀或地面激光掃描儀獲取具有影像真實感的高精度點云數據。點云數據是實際物體真實尺寸的復原，是目前完整、精細和快捷地對物體現狀進行檔案保存的手段。點云數據包括了對象物體的空間尺寸信息和反射率信息，結合高分辨率的外置數碼相機，可以逼真地保留對象物體的紋理色彩信息；結合全站儀、GPS測量儀器，可以將整個掃描數據放置在一定的空間坐標系內。通過Cyclone等軟件可以在點云中實現漫游、瀏覽和對物體尺寸、角度、面積、體積等的量測，直接將對象物體移到電腦中，利用點云在電腦中完成傳統的數據測繪工作。

3.3.2 點云數據配準、拼接

三維激光掃描儀每次掃描只能得到測區局部的數據，為了得到測區完整的三維數據，往往需要從不同的位置進行多次掃描，每次掃描得到的數據都處在以當前測站為原點定義的一個局部坐標系中。因此，需要在掃描區域中設置一些控制標靶，使相鄰的掃描點云圖有3個或3個以上的同名控制標靶，通過同名控制標靶將掃描點云數據統一到同一個坐標系下。然后將多余的點云數據進行刪除與整理，再進行點云數據的拼接，拼接完成后需成為一個整體模型。

3.3.3 等高線生成

三維激光掃描時，為獲得詳細的地面信息一般掃描密度較大，深基坑整體點位太密，且分布不均勻。直接利用掃描點來勾繪三角網追蹤等值線，由于其細節信息過多，會導致等高線紊亂。因此，一般將剔除非地貌因素后的點云數據按地形測繪要求的密度進行抽稀，將數據導入到大比例尺數字測圖軟件中，自動生成等高線。

3.4 數字近景攝影測量技術

隨著攝影測量技術的發展，近景攝影測量技術應運而生。針對小面積、高精度測區，數字近景攝影測量技術可以清晰、準確地測量基坑形變情況，在拍攝的相片中建立相應的坐標系統，確定物體在地面坐標系下的坐標。

3.4.1 模板匹配與特征點匹配

模板匹配就是在整個圖像區域發現與給定圖像匹配的最小區域，利用模板圖像與深基坑監測圖像相匹配，利用模板圖像與監測圖像相同的尺寸進行對比，在監測圖像中按一定方向滑動檢查，確認生成圖像的灰度值。

模板匹配后，通過特征點匹配算法對模板圖像與監測圖像進行比對，用像素比例尺計算出像素點實際位移，一般情況使用角點檢測，利用圖像角點確定檢測窗口內的灰度值，從而判斷特征點位置。若灰度均勻，則說明該區域沒有特征點；若灰度不均勻，則說明該區域存在特征點。

3.4.2 設立標靶

在基坑周邊布設標靶，令標靶靶面向上，保證相機可以完整拍攝標靶，標靶材質一般為鋁合金材質，安裝方便、材質輕盈、穩定性高、不易變形。

3.4.3 拍攝

用無人機對基坑整體進行拍攝，保證標靶在圖片中清晰顯示。通過相機拍攝的監測圖片進行數據處理，計算出相機拍攝中的像素位移。

3.4.4 內業數據整理

根據像素位移量計算標靶位移量，將水平位移與豎向位移量制作成基坑監測表，計算日平均沉降量。

3.5 BIM技術

在BIM技術日益成熟的今天，將BIM技術與基坑監測各項技術相結合，對基坑監測進行實時動態管控。

3.5.1 建立模型

建立基坑支護結構、基坑監測點、周邊建筑物等三維模型，將基坑支護面作為基坑監測基準面。

3.5.2 外業數據采集

采集基坑豎向沉降與水平位移量，計算日平均沉降量，將數據導入三維模型中，觀察形變量。

3.5.3 三維模擬視頻制作

制作基坑形變視頻，將基坑形變量直觀、清晰地展現在動畫中，同時根據測量的外業數據，以動畫的形式進行模擬，起到提前進行基坑預警與排除潛在風險的作用，也可以通過動畫分析基坑監測方案的可實施性，及時更新監測方案。

4 監測點布設要求及監測頻率

基坑監測基準控制點布設要求在永久路面或結構上，排除周邊環境的影響。保證基準控制點的永久性十分重要，完好且不易位移的基準控制點是監測基坑變形的最佳保證。監測控制點應布設在基坑、內部道路、外部市政道路、基坑毗鄰建筑物周邊，并且可串聯成閉合水準路線，閉合水準路線可用于檢查高差閉合差，控制數據誤差。同時，監測控制點也應布設在穩定、牢固、不易遮擋處，若因施工原因導致監測點被覆蓋，應及時在被覆蓋點周邊設立新的監測控制點。

基坑進行土方開挖時，監測頻率應為1～2d/次，并隨著基坑分層分區開挖工作的進行，監測頻率也要相應提高，以保證深基坑開挖時的安全。深基坑開挖完畢且完成底部基礎（筏板及墊層）的澆筑后，監測頻率應為2～3d/次，在肥槽回填且混凝土強度增強后，監測頻率可適當放緩，但若監測結果出現較大波動，應及時增加監測次數。

5 基坑監測技術應用的特點

5.1 連續性

常見的工程測量工作基本屬于單獨短效，而基坑監測具有很強的連續性，監測過程貫穿整個施工階段，持續對基坑形變量進行觀測。并且伴隨著較強的現勢性，只有頻繁更新，提高測量數據的現勢性，基坑監測數據才有意義。

5.2 精確性

基坑監測時，水準測量高差閉合差和水平閉合導線角度閉合差要求小，所以，對儀器的精度要求較高，基坑監測人員測量時應嚴格按照測量規范進行測量，根據基坑深度控制閉合差范圍，閉合差過大時應及時重新測量。由于基坑形變量一般較小，且導線長度較長，所以，計算水平坐標增量時應考慮導線的全長相對閉合差，并計算坐標增量的改正值。

5.3 相對性

基坑形變量是相對于監測點與基準點之間的導線偏移量，只需保證相對方位角的精度，通過方位角與距離一樣可以進行測算，免除了測量儀器的限制。但應在整個監測期間使用同一種儀器，避免因儀器不同而產生機械誤差，導致測量結果超限。

5.4 協調性

相對于傳統監測模式，三維激光掃描技術、近景攝影測量技術、BIM技術等新興技術能夠直觀、完整地記錄基坑整體形變情況，避免了因溝通不及時、不完整而導致的錯誤。也能通過直觀的基坑形變成果影像資料，向相關方進行展示與規劃，對基坑監測方案進行有針對性、可操作性修改。

6 結語

基坑監測是深基坑施工安全的關鍵，影響著整個施工過程。隨著時代的發展，基坑監測技術越來越成熟，保證基坑監測技術的先進性、信息性和經濟性，才能更好地為工程建設服務。