測繪技術在工程變形監測中的應用

［關鍵詞］測繪技術；變形監測

交通的發展是一個地方經濟快速進步的前提條件。對于黃山市這個多山的旅游城市而言，修建高鐵及高鐵站對拉動旅游業具有重要作用，對促進當地經濟發展也具有重要作用。而高鐵修建期間基坑和周邊道路變形的監測顯得尤為重要。對基坑和周邊道路變形監測的準確性和科學性離不開科學技術和精密的儀器[1-2]。本文以黃山市高鐵站基坑監測為例，采用拓普康ES-52型全站儀和徠卡LS15數字水準儀對基坑水平位移進行監測，對基坑和周邊道路沉降進行監測，探討這兩種精密儀器在高鐵站基坑監測方面的可行性，分析基坑在整個工程建設過程中的變形情況和道路變形情況，為工程的安全順利進行提供數據支撐。

1. 研究區概況

研究區位于黃山市經濟開發區，所處位置為安徽省最南端，介于東經117°02'～118°55'和北緯29°24'～30°24'。西南毗鄰江西省浮梁縣、婺源縣，東南毗鄰浙江省開化縣、淳安縣以及臨安區，東北毗鄰安徽省宣城市績溪縣、旌德縣、涇縣，西北毗鄰青陽縣、石臺縣。黃山地處皖南山區和北亞熱帶，屬亞熱帶季風濕潤氣候，年平均氣溫15.5～16.4℃，降水集中于5～8月，年平均降水量在1395～1702mm之間。黃山的中低山地大部分為黃壤，山地黃棕壤，土層較厚，石礫含量較高，透水透氣性良好；丘陵地帶多為紅壤和紫色土，質地黏重；山麓盆地和平原谷地多砂壤土。研究區內以高鐵站施工基坑為研究對象，基坑地下室東側與北側為已建區間道路和施工空地，該道路最高處標高為160.00 m，距離最外側樁基礎最短約2.08 m，地下無管網管線。基坑南側為梅林大道和施工空地，梅林大道距離主樓最外側樁基礎最短為30.80 m，梅林大道人行道下有管網管線，紅線內施工空地無管網管線。靠基坑西南拐角處回填土較深，最大深度約7.3 m。基坑西側為已規劃的潛口路和施工空地，潛口路目前未建，地下無管網管線。

2. 現代測繪儀器在基坑監測中的應用

2.1 徠卡LS15數字水準儀的應用

徠卡LS15數字水準儀，標稱精度±0.3 mm/km。使用配套條碼水準尺。水準儀的i角在作業前、中、后分別檢查，值均小于±152。對于基坑和周邊道路監測采用二等水準測量。通過聯測外圍二等水準基點，傳遞高程到基坑外圍穩定點。二等水準觀測須滿足以下要求[3]：

（1）觀測順序

往測時，奇數站觀測順序為后-前-前-后，偶數站觀測順序為前-后-后-前。

返測時，奇數站觀測順序為前-后-后-前，偶數站觀測順序為后-前-前-后。

（2）觀測過程

選擇地面堅固的地方并踩實尺墊，水準尺用尺撐支撐穩定并使上下兩個氣泡居中。每一測段的往測和返測一般分別安排在上午和下午，個別測段夜間觀測。

（3）觀測注意事項

每天觀測前，儀器置于陰影之下，讓儀器與空氣溫度趨于一致，對水準儀進行預熱，使儀器進行不少于20次的測量。

前后視距均在50 m以內，前后視距差小于1 m，累計視距差不超過3 m。

在基坑邊緣進行二等水準觀測，選擇架設儀器的地點非常小心，先仔細觀察地面是否穩固，是否容易受行人和施工干擾。除了遇到路線拐彎處，每一站儀器與標尺應盡量保持一條直線，在水準路線前進途中，在安置儀器的三腳架時，應盡量使其中兩個腳與路線方向平行，另一腳在路線的左側或右側。

2.2 拓普康ES-52型全站儀的應用

（1）拓普康ES-52型全站儀標稱精度

測角精度±2″、測距精度2 mm+2 ppm。

（2）測量方法

根據變形觀測的精度要求，以及基坑的形狀和環境影響因素，采用極坐標法對監測點進行變形觀測。極坐標法是先通過后視已知基準點確定測站點坐標和零方向，然后在極坐標系里量測監測點與零方向的極角和其到基準點距離確定監測點的平面位置，極角和極半徑是確定一個點的兩個重要元素。根據每次觀測的監測點的平面坐標，進行比較即可得到監測點變形值[4-5]。

3. 工程應用與結果分析

3.1技術路線

3.2監測點布置與監測方法

監測點布設需遵循能及時發現險情且要本著技術、經濟可行性原則[3-4]。根據規范的規定，本工程監測點的布設遵循以下原則：1）各種監測網及時有效地反饋基坑及周邊環境狀況；2）突出重點，照顧一般；3）大部分監測點要求在基坑開挖前就應該布設完成且測出各監測點的初始數據[5-6]。根據以上原則和現場實際觀測需求以及考慮監測點穩固性，布設了水平位移監測點、沉降監測點以及深層表土層測斜監測點。

3.3沉降監測點的監測

（1）沉降觀測點埋設

在地表用沖擊鉆鉆孔，在鉆孔內放入長20～30 cm，直徑25 mm的圓鋼筋，用水泥砂漿填實[6]，如圖2所示。

（2）測量方法

坡頂、樁頂沉降觀測采用徠卡LS15電子水準儀，監測精度按二等水準測量要求執行。通過相鄰兩次觀測所得高程差計算該點的沉降量。

3.4平面基準網的建立

研究區已有可符合測繪精度的測繪網，本工程基準點是通過項目區已有的測繪網進行放樣[9]。首先選擇已有測繪網中的兩個已知控制點對已有測繪網進行精度驗證，而監測基準點則是通過三角放樣的方法進行確定[7]。基準點選在距基坑邊緣3～5倍的基坑深度范圍內[8-9]。

3.5監測頻率與預警值

在監測過程中，遇到數據變化較大或異常情況時，應提高監測頻率[10-11]。根據本基坑巖土條件、安全等級、周邊環境及規范對變形的報警值提出如下建議：1）坡頂水平位移值達到30 mm，或位移速度達5 mm/d，連續3d；2）周邊建筑、道路地面沉降值達到30 mm，或沉降速度達5 mm/d，連續3 d；3）土體深層水平位移值達到45 mm，或位移速度達3 mm/d，連續3 d；4）坡頂建筑物傾斜不大于《建筑地基基礎設計規范》（GB50007-2011）規定允許值的80%，傾斜2/1000，變化速度0.1H/1000。

3.6平面監測點的監測

根據已有的設計文件結合規范的要求，在護坡硬化地面頂部或圍護樁體冠梁布點時應每隔25m用布設測量專用鋼釘，噴涂紅色油漆并對其編號[12-13]，保證安裝牢固并便于后期觀測。

根據基坑工程對變形的精度要求，考慮基坑的形狀和外部環境影響條件，本工程采用極坐標測量法對各監測點進行變形觀測[7，12-14]。

3.7結果分析

（1）基坑邊坡與邊坡頂水平位移分析

在施工期間共實施水平位移觀測24次，通過對采集的水平位移數據進行整理繪制水平位移曲線，如圖3所示。在觀測過程中，經統計基坑監測點水平方向的位移量8.2～11.5 mm，平均9.2 mm；水平方向的位移變化速度0.02～0.68 m/d，平均4.21 m/d。水平位移監測點中60#監測點的位移變化最大，其累計水平位移量為11.5 mm；65#監測點的變化速度最大，為0.68 mm/d（圖3）

（2）基坑邊坡與邊坡頂數值位移分析

在施工期間對基坑觀測24次沉降，通過對采集的沉降觀測數據進行整理繪制水平位移曲線，如圖4所示。在觀測過程中，經統計基坑監測點豎向方向的位移量1.8～4.9 mm，平均2.8 mm；豎向方向的位移變化速度0.00～0.50 m/d，平均0.32 m/d。豎向位移監測點中69#監測點的位移變化最大，其累計豎向位移量為4.9 mm；62#監測點的變化速度最大，為0.50 mm/d。基坑周圍沉降監測點的累計沉降量呈現不同時間的初始下沉與基坑開挖的逐步推進在時間上是符合的（圖4）。

（3）深層位移監測結果分析

在高鐵站基坑施工期間選取8個深層位移觀測點觀測24次，基坑內各點水平位移變化情況統計如表1所示。

以上數據“+”表示位移變化方向朝基坑內部發生位移，“-”表示位移變化方向朝基坑外部發生位移。從以上數據可以看出，在2019年7月16日～12月24日的觀測過程中，累計位移最大的點是01X，位移量15.37 mm；累計位移最小的點是01Y，位移量4.26 mm。且最大位移量發生在淺層，從表中可以看出：各測斜孔的累計位移量較小，未超過設計要求的位移控制值（45 mm）。

（4）基坑邊坡、坡頂及深層表土位移分析

在整個監測過程中，位移量和沉降量突增的時間點為2019年8月16日，2019年9月12日和2019年10月7日，在2019年8月16日突增最大點位位于14#和15#監測點，達到了3 mm 左右，在2019 年8 月16 日，突增峰值下降到2 mm，豎向位移在這個時間點附近時間范圍內斜率明顯增大的點位有52#、55#、62#；在2019年9月19日突增最大點位位于14#監測點，達到了7.8 mm，在2019年9月26日峰值下降到6.2 mm，在9月19日豎向位移斜率增加明顯的點位為54#點；2019年10月7日突增最大點位位于12#監測點，達到了5.6 mm，在2019 年10 月12 日峰值下降到3.8 mm，豎向位移斜率明顯增加的為60#監測點。根據記錄這些時間點的天氣晴朗或多云，處于良好狀態，考慮到水平位移突增和相鄰位置點位豎向位移斜率明顯增加，是施工期間從基坑開挖取出的土壤堆積增加了基坑周邊荷載引起了基坑邊坡與坡頂的局部水平移動和豎向移動，而隨后幾天內水平位移峰值開始下降到正常累計變形水平，豎向位移斜率也恢復到平穩狀態，與土堆的清理、邊坡與坡頂局部荷載下降有關。測斜孔得到的淺層位移與表面監測點得到的位移量整體在數值上保持了一致性，但是除01X監測點累計位移量達到了15.37 mm外，其他測斜孔監測位移均略低于表面監測點位移量，體現了位移的產生是由于表面荷載堆積，由于荷載的傳導隨著土層深度的增加存在削弱作用，在0.5 m深度位置的淺層位移比表土層監測點位移略小一點。

通過基坑監測點沉降和水平位移觀測數據的分析可知，施工期間基坑在垂直方向和水平方向變形均是穩定的，基坑的支護設計和施工是滿足要求的。建議在以后施工過程中，加快施工速度減少對周邊環境的影響。基坑周邊1.2 m范圍內不得堆載，3 m以內限制堆載，坑邊嚴禁重型車輛通行，堆載荷載不得達15 KN/m。

4. 結論

基坑監測具有時間持續性、精度要求高、實時性、預警性等特征。使用精密測繪儀器結合測繪技術進行基坑的水平位移和沉降監測，可以為高鐵站基坑施工提供實時、精確、科學的數據，同時也保證了數據精度，及時提供變形預警，保證基坑施工的安全穩定，可以為類似的基坑監測工程現場監測人員提供一種可行的監測方法參考。