自由測站邊角交會法在地鐵基坑水平位移變形監測中的應用

何勇

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

0 引言

地鐵基坑變形監測（簡稱“基坑監測”）是確保基坑施工安全及鄰近周邊建筑安全的重要手段，是支護結構方案設計、調整參考依據基礎數據的重要來源，而基坑水平位移監測是基坑變形監測的重要內容。基坑水平位移監測通常采用視準線法、極坐標法等方法，而施工期間基坑內空間狹小、通視條件差、施工設備及零星建筑物繁多，導致上述傳統的監測方法受到較大限制、效率不高。鑒于此，本文引入高鐵軌道控制網（CPIII）建網技術，采用自由測站邊角交會法進行基坑水平位移監測。

1 基準網與監測網布設與測量方法

基準點應布設在變形體之外，監測點布設在變形體上。因此，根據現場實際環境條件，基準點布設在遠離基坑的周圍既有高層建筑物上或在遠離變形范圍，且通視條件較好的地方建造強制觀測墩；監測點采用CPIII 測量標志均勻布設在基坑邊緣，其具有平面監測點和沉降監測點共點的優勢。

自由測站邊角交會法對基準網和監測進行同步觀測，即在基坑內部適當的位置架設智能型全站儀，在基準點和監測點上全部規范安裝棱鏡，采用自動數據采集軟件進行自動觀測，雙測站自由測站邊角交會法基坑水平位移監測測量網形如圖1所示。

基坑水平位移監測具體步驟如下：

第一，結合工程實際要求，明確基坑變形測量等級及精度。

第二，根據第一步的需要設置全站儀水平方向觀測與距離觀測精度指標和觀測測回數。

第三，采用智能型全站儀自由測站邊角交會法進行雙測站，即在不同的測站位置采用自由邊角交會法對基準網和監測網同步獨立觀測兩個測站。其具體操作為：首先，在基坑內合適的位置Z1 架設全站儀，依次測量各基準點和監測點，按照要求完成第一測站觀測；之后，將全站儀挪動到另一個位置Z2 同第一測站觀測程序和要求完成第二測站觀測，雙測站自由測站邊角交會法基坑水平位移監測測量網形如圖1所示。

圖1 雙測站自由測站邊角交會法基坑水平位移監測測量網形

2 基坑觀測數據處理與水平位移變形分析

2.1 數據處理方法

將基準網和監測網的雙測站觀測數據合并進行網平差數據處理。通過該處理方式可得到棱鏡中心的平面坐標及其精度。具體步驟如下：

步驟1，建立工程獨立坐標系，即X 軸（縱向）為平行于基坑長邊、Y 軸（橫向）為垂直與基坑長邊，其利于后續基坑水平位移變形數據分析與支護方案的快速調整及決策。

步驟2，將基準網和監測網進行自由網計算平差得到任意平面坐標系下各個平面基準點和監測點的坐標及其精度。

步驟3，以基坑長邊上距離最遠的兩個監測點（分別記為A 點、B 點）為已知點進行約束平差，采用A 點和B 點自由網平差的坐標計算出AB 之間的距離L，進一步以A(0，0)、B（0，L）為已知點進行整網約束平差得到首期各基準點和監測點的平面坐標及其精度。后續各期可以以各基準點（定期需要對基準網進行復測并分析其穩定性）為起算數據，進行觀測網平差數據處理。

2.2 水平位移變形分析

以各期監測點的平面坐標為基礎數據，可對基坑進行變形分析和安全評估。通常采用平面坐標分量的相對變化量、累積變化量和變形速率來判斷當前階段監測點的變形情況與健康狀態，之后以各觀測周期所得的三個指標為基礎數據進行變形規律分析與趨勢預測。

首先，將本周期的監測數據與往期監測數據進行對比，計算各監測點的相對偏移量、累計偏移量和變形速率，其具體描述如下：

式（1）中：設點坐標第期觀測結果為()，相對變化量為Δ()、累積變化量為ΣΔ()，相鄰周期的時間間隔為Δ，則監測點方向變形情況可描述為（1）所示，方向水平位移同理。

其次，將該期的相對變形量和累計變形量與預警閾值進行比較，若出現變形量超出預警范圍的情況應立即進行上報，并采取對應措施。

最后，以各期的相對變形量和累計變形量為基礎數據，采用回歸分析法建立變形模型進行變形分析和變形預報。當各周期監測結果或根據其預測的變形量達到或接近預警值時需及時上報施工及監理單位，并對監測對象穩定性和安全狀態進行研判。

3 工程應用實例

某地鐵基坑監測項目，規劃總面積約35039m，基坑開挖為深基坑。根據相關設計要求，該工程支護結構形式采用放坡+土釘墻支護+網噴支護結構，土釘墻（網噴支護）基坑安全等級為二級，重要性系數為1.0。根據規范要求需要對基坑施工過程中基坑邊緣的水平位移進行監測。該項目共計進行了42 期觀測，根據項目設計施工階段劃分的監測周期段為：基坑開挖施工階段（1～7 期）、底板澆筑施工階段（8～18期）、基坑回填階段（19～42 期）。

3.1 基坑監測等級確定及相關要求

根據《建筑地基基礎設計規范》（GB 50007—2011）中地基基礎設計等級劃分，該工程開挖深度小于15m 且地質條件較好，因此地基基礎設計為乙級，并根據《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2016）設定該基坑的變形監測等級為二等，位移監測的主要精度指標為：位移監測點坐標中誤差不超過3mm。根據《建筑基坑工程監測技術規范》（GB 50497—2009），設置預警值和監測頻率。

3.2 基準網與監測網布設及測量

結合工程實際情況，布設4 個基準點K1～K4（3個位于既有建筑物上、1 個埋強制觀測墩），沿基坑邊緣布設36 個三維監測點J01～J36；為利于后續變形分析，基坑監測點與基準點的點位布設情況如圖2所示，將K1 定為坐標原點，將平行于基坑長邊的K1 與K3 連線定位X 軸（縱向），Y 軸（橫向）為垂直于X 軸的測量坐標系。

圖2 基坑監測點與基準點的點位布設情況（僅標記部分點名）

使用智能型全站儀進行水平位移監測，根據《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2016）要求，監測網平面位移監測等級為二等。

按照上述方法進行基準網和監測網測量，基坑自由測站邊角交會法變形觀測網如圖3所示。首先，在各基準點和監測點上規范安裝精密棱鏡，并在基坑內合適位置架設全站儀；其次，按照設計的觀測精度指標設置配套數據采集軟件相關參數指標，并自動按照設置的觀測程序對各基準點和監測點進行觀測；最后，將雙測站觀測的數據按照本文2.1 節數據處理方法得到各基準點和監測點的平面坐標及其精度。

圖3 基坑自由測站邊角交會法變形觀測網示意圖（圖中僅展示部分監測點）

根據所設計的觀測方法、儀器、精度和數據處理方法，定期對基坑進行監測即可得到一系列水平位移監測數據。整個觀測期間基準網和監測網平差后精度情況如表1所示。

由表1可知，觀測期間基準網和監測網平差后精度滿足限差要求，且精度較高，表明自由測站邊角交會法能滿足基坑水平位移監測要求，且精度較高。

表1 觀測期間基準網和監測網平差后精度情況

3.3 基坑水平位移變形分析

在得到各基準點和監測點的平面坐標后，根據本文2.2 節變形分析方法得到平面坐標分量各期相對變化量、累計變化量和變形速率。整個觀測周期中，基坑縱向和橫向相對變化量和累積變化量最值情況統計分析（包含全部監測）如表2所示。表2整個觀測周期中相對變化量和累積變化量最值統計

變形速率最大值/（mm/d）-4.9-5.0類別X坐標Y坐標相對變化量最大值/mm-19.2-25.5累計變化量最大值/mm-15.2-31.5

為了更加直觀判斷基坑縱向和橫向位移變形情況，可將各監測點各期累計變化量繪制成周期曲線圖，基坑水平位移累積變化量時間曲線圖如圖4所示（以J01 點為例）。

圖4 基坑水平位移累積變化量時間曲線圖

由表2可知，整個監測期間，橫向和縱向相對變化量、累積變化量和變形速率最大值均小于預警閾值，說明基坑處于健康狀態。由圖4可知，基坑橫向位移比基坑縱向位移變化更顯著，即主要向基坑內部變形。在基坑開挖及底板澆筑施工階段（1～18 期），基坑變形較為明顯，故在改階段需要加強安全防護、支護結構檢查等工作；在基坑回填階段（19～41 期），縱向和橫向相對變化量非常小，即基坑水平位移變形逐漸趨于穩定，待滿足規范及設計要求后方可停止監測工作。

4 結論

一是在地鐵基坑水平位移監測中，基準點與監測點采用CPIII 測量標志布設，誤差小、效率高。

二是采用自由測站邊角交會法測量的基準網和監測網平差后精度滿足能基坑水平位移監測要求，能解決因基坑內通視條件差而難以高效進行外業觀測的問題，且精度高、效果好。

三是結合基坑施工階段，對各監測點縱向和橫向進行相對變化量、累計變化量和變化速率統計分析，能判斷基坑的健康狀況和預測基坑的整體變形趨勢，為基坑的支護方案調整和安全巡查提供可靠依據。