基于空間基準(zhǔn)線的水平位移監(jiān)測(cè)方法探討

李富榮，劉云利，付翔宇，緱向陽

（中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100098）

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基于空間基準(zhǔn)線的水平位移監(jiān)測(cè)方法探討

李富榮，劉云利，付翔宇，緱向陽

（中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京100098）

摘 要：常規(guī)水平位移監(jiān)測(cè)方法，如視準(zhǔn)線法、小角度法、極坐標(biāo)法等受場(chǎng)地條件限制較大，應(yīng)用中受到一些限制。文中提出一種新的水平位移監(jiān)測(cè)方法——空間基準(zhǔn)線法，此方法受場(chǎng)地限制小，設(shè)站靈活，并能保證監(jiān)測(cè)的精度和可靠性，已在工程實(shí)踐中取得良好的效果。

關(guān)鍵詞：基坑水平位移監(jiān)測(cè)；空間基線法；監(jiān)測(cè)精度

隨著我國經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人類對(duì)空間的需求日益增加，城市用地價(jià)格一路飚升，為提高土地的空間利用率，增加人類活動(dòng)的空間，各地紛紛爭相開發(fā)地下空間，基坑工程的重要性逐漸被人們所認(rèn)識(shí)?！督ㄖ庸こ瘫O(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497－2009）中強(qiáng)制規(guī)定：“開挖深度大于等于5m或開挖深度小于5m，但現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和周圍環(huán)境較復(fù)雜的基坑工程以及其他需要監(jiān)測(cè)的基坑工程應(yīng)實(shí)施基坑工程監(jiān)測(cè)”。利用常規(guī)方法如視準(zhǔn)線法、小角度法、極坐標(biāo)法等對(duì)基坑水平位移監(jiān)測(cè)時(shí)，需在基坑變形影響區(qū)域外具有架設(shè)儀器條件的場(chǎng)地設(shè)置基準(zhǔn)點(diǎn)，且基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間需具備通視條件。

隨著現(xiàn)代施工設(shè)備及施工工藝的發(fā)展，地下基坑開挖深度不斷增加，基坑開挖邊線距周邊建（構(gòu)）筑物的間距逐漸減小，甚至零距離開挖，常規(guī)方法在此類基坑水平位移監(jiān)測(cè)中難以實(shí)施?？臻g基準(zhǔn)線法對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)的要求相對(duì)簡單，基準(zhǔn)點(diǎn)可設(shè)置在基坑四周開闊的場(chǎng)地，亦可設(shè)置在穩(wěn)定的建（構(gòu)）筑物上，而且進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，儀器無需要架設(shè)在基準(zhǔn)點(diǎn)上，基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)之間亦無需通視，可以彌補(bǔ)常規(guī)監(jiān)測(cè)法在此類基坑監(jiān)測(cè)中的不足。

1　監(jiān)測(cè)方法

在施工場(chǎng)地建立一條空間基準(zhǔn)線，空間基準(zhǔn)線近似平行于基坑邊線?；鶞?zhǔn)線的兩端由遠(yuǎn)離基坑的基準(zhǔn)點(diǎn)確定，基準(zhǔn)點(diǎn)為固定標(biāo)志，可設(shè)置在開闊的場(chǎng)地，亦可設(shè)置在穩(wěn)定的建（構(gòu)）筑物上。空間基準(zhǔn)線在水平面上的投影為直線AB（如圖1），外業(yè)監(jiān)測(cè)時(shí)，在基準(zhǔn)線的概略中部設(shè)站，測(cè)量基準(zhǔn)點(diǎn)A，B和監(jiān)測(cè)點(diǎn)J的角度β3、β4和距離S1，S2，S3，即可解析計(jì)算出各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)到直線AB基線的水平距離，周期性監(jiān)測(cè)就可獲得基坑的水平位移值。監(jiān)測(cè)方法如圖1所示。

圖1　空間基準(zhǔn)線法基坑水平位移監(jiān)測(cè)示意圖

2　監(jiān)測(cè)精度估算

假設(shè)兩點(diǎn)連線在水平面上的投影AB為基準(zhǔn)線，監(jiān)測(cè)點(diǎn)J到AB的距離為d＝H1＋H2

在β1、β2為小角度的情況下式（1）可轉(zhuǎn)換為

令180°－β3＝Δβ

則

式（6）為監(jiān)測(cè)點(diǎn)到直線AB距離的計(jì)算式。

下面進(jìn)行精度估算：

設(shè)S1，S2，S3為同精度觀測(cè)，β3，β4也為同精度觀測(cè)，假設(shè)S1近似等于S2等于S

則有：

式（6）可改寫為

式（7）全微分得

轉(zhuǎn)化為中誤差方程式后

以md達(dá)到±1mm為估計(jì)目標(biāo)，Δβ＝1°，β4＝60°，S＝50m，S3＝30m，mS＝1．1mm可估得角度觀測(cè)中誤差應(yīng)該為2．5″。

一般情況下，水平角觀測(cè)的誤差包括了儀器誤差、測(cè)站對(duì)中誤差、目標(biāo)對(duì)中誤差、照準(zhǔn)誤差、外界影響等。按本方案實(shí)施，可不計(jì)儀器對(duì)中誤差和目標(biāo)對(duì)中誤差，但仍有儀器殘存誤差、照準(zhǔn)誤差、外界影響等需要考慮。按等影響進(jìn)行估計(jì)，角度觀測(cè)誤差為＝1．44″，以1″全站儀為例，取儀器標(biāo)稱精度mβ＝1″，可知水平角觀測(cè)1測(cè)回即可。考慮到觀測(cè)數(shù)據(jù)的時(shí)效性及不可逆性，以及從提高數(shù)據(jù)的可靠性出發(fā)，可增加多余觀測(cè)量，水平角以觀測(cè)2測(cè)回為宜。

3　工程應(yīng)用

劉海胡同33號(hào)四合院重建工程位于北京市西城區(qū)德勝門內(nèi)大街，設(shè)計(jì)地下建筑2層，地上建筑1層（局部2層）。為了確保劉海胡同33號(hào)四合院重建工程在基礎(chǔ)施工中的安全，減少和避免損失，同時(shí)進(jìn)行施工方案優(yōu)化設(shè)計(jì)，使設(shè)計(jì)達(dá)到優(yōu)質(zhì)安全、經(jīng)濟(jì)合理、施工快捷的目的，受建設(shè)方（北京湘財(cái)福地投資有限公司）的委托，由中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司承擔(dān)對(duì)劉海胡同33號(hào)四合院重建工程基坑第三方監(jiān)測(cè)項(xiàng)目。

開挖的基坑形狀近似為長方形，南北長約為50m，東西寬約為30m，基坑開挖深度為10m（局部13m），圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用微型樁加預(yù)應(yīng)力錨桿混合支護(hù)模式?；拥臇|、西、北側(cè)分布有平房、圍墻或棚房，南側(cè)臨街，上口線與周邊建筑物距離較小，最大間距不足0．8m，常規(guī)基準(zhǔn)網(wǎng)難以布設(shè)。

本工程使用空間基線法對(duì)此基坑圍護(hù)樁頂水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在基坑南北方向適當(dāng)距離處的3層建筑上安放了一對(duì)觀測(cè)標(biāo)志（見圖2），這對(duì)標(biāo)志構(gòu)成一條空間基準(zhǔn)線，在空間基準(zhǔn)線延長方向上設(shè)置了一個(gè)觀測(cè)標(biāo)志，用于空間基準(zhǔn)線穩(wěn)定性檢查，在東西方向屋頂上也設(shè)置了一條空間基準(zhǔn)線和相應(yīng)的檢查點(diǎn)。監(jiān)測(cè)方法同第一部分，在此不再贅述。

圖2　基準(zhǔn)點(diǎn)觀測(cè)標(biāo)志規(guī)格圖

整個(gè)監(jiān)測(cè)過程歷時(shí)10個(gè)月，共監(jiān)測(cè)30次，期間經(jīng)過了冬天的凍脹和春天的解凍。根據(jù)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)信息及時(shí)對(duì)施工措施、施工順序、施工步驟進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，保障了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊建筑物以及環(huán)境的安全。本工程水平位移監(jiān)測(cè)部分期次的監(jiān)測(cè)結(jié)果見表1所示。

表1　水平位移監(jiān)測(cè)結(jié)果

為了直觀地反映基坑水平位移的變形過程，分別以基坑?xùn)|、南、西、北四側(cè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期次位移量的均值和對(duì)應(yīng)的監(jiān)測(cè)時(shí)刻作為縱橫軸，繪制了時(shí)間－位移量示意圖，見圖3。

結(jié)合監(jiān)測(cè)成果和時(shí)間－位移示意圖可以看出，水平位移的最大位移量均發(fā)生在基坑西側(cè)；在進(jìn)行第24次觀測(cè)時(shí)，水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)J1的累積位移變化量達(dá)到了－30．22mm，及時(shí)上報(bào)了監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)警并分析了原因。經(jīng)分析，導(dǎo)致變形過大的原因有4種：①距基坑南端西側(cè)不足0．5m的四合院下水道堵塞，生活污水排放通過地表下滲；②基坑設(shè)計(jì)肥槽較小，基坑西側(cè)南端圍護(hù)樁略有傾斜，造成部分圍護(hù)樁吃槽；為了不影響主體結(jié)構(gòu)的施工，施工方將吃槽樁進(jìn)行切除；③施工場(chǎng)地過小，大型挖掘機(jī)對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)有過強(qiáng)度較大的撞擊；④基坑西側(cè)南端處于陰面，冬天長期沒有太陽照射，凍脹對(duì)變形有一定的影響。上述4種不利因素的疊加造成圍護(hù)樁頂水平位移量和周邊建筑物沉降量較大。經(jīng)過專家反復(fù)研究、論證，施工方在基坑西南角安裝了3道角撐并加了預(yù)應(yīng)力。在角撐與天氣轉(zhuǎn)暖土體解凍的共同作用下，到2011年3月17日第26次觀測(cè)時(shí)，水平位移累積位移變化量有一定的減少，累積位移變化量回復(fù)到－20．87mm。直到2011年6月29日進(jìn)行最后一次監(jiān)測(cè)，累計(jì)位移變化量沒有較大的變化，維持在－22mm左右。

從土方施工開始到順利完成主體建筑一層底板澆筑為止，基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)抵御了周邊各種不利因素的考驗(yàn)。在建設(shè)方、施工方、監(jiān)理方的配合下，時(shí)刻以信息化監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為依據(jù)，及時(shí)對(duì)施工措施、施工順序、施工步驟進(jìn)行動(dòng)態(tài)優(yōu)化調(diào)整，保障了基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)和周邊建筑物以及環(huán)境的安全。實(shí)施效果表明，基坑監(jiān)測(cè)從方案設(shè)計(jì)到實(shí)施都是成功的，監(jiān)測(cè)工作真正起到了指導(dǎo)施工的作用，監(jiān)測(cè)結(jié)果達(dá)到了委托方的預(yù)期目的。

4　結(jié) 語

規(guī)范要求，在基坑施工過程中，開挖深度大于等于5m或開挖深度小于5m，但現(xiàn)場(chǎng)地質(zhì)情況和周圍環(huán)境較復(fù)雜的基坑工程以及其他需要監(jiān)測(cè)的基坑工程應(yīng)實(shí)施基坑工程監(jiān)測(cè)，而基坑圍護(hù)墻（邊坡）頂部水平位移監(jiān)測(cè)是各級(jí)基坑的必測(cè)項(xiàng)目。由精度估算的推導(dǎo)公式和工程實(shí)際應(yīng)用表明，使用空間基準(zhǔn)線法進(jìn)行基坑水平位移監(jiān)測(cè)能滿足目前基坑監(jiān)測(cè)的精度要求，且受基坑施工場(chǎng)地和現(xiàn)場(chǎng)作業(yè)的影響較少，在進(jìn)行周邊條件復(fù)雜的基坑水平位移監(jiān)測(cè)方案設(shè)計(jì)時(shí)，此方法是一種不錯(cuò)的選擇。

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［責(zé)任編輯：王文福］

Discussion of the horizontal displacement monitoring method based on space baseline method

LI Furong，LIU Yunli，F(xiàn)U Xiangyu，GOU Xiangyang

（AVIC Institute of Geotechnical Engineering Co．，Ltd．，Beijing 100098，China）

Abstract：Conventional horizontal displacement monitoring methods，such as collimation line method，smallangle method，polar coordinate method，are impacted by site conditions．This paper presents a new pit horizontal displacement monitoring method－space baseline method．This method is not restricted in the space which can set flexible stations，ensure the accuracy and reliability monitoring，and achieve good results in engineering practice．

Key words：pit horizontal displacement monitoring；spatial baseline method；monitoring accuracy

作者簡介：李富榮（1984－），男，工程師．

收稿日期：2014－10－15；修回日期：2014－12－31

中圖分類號(hào)：P258

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

文章編號(hào)：1006－7949（2016）01－0055－04