基于多重自由設(shè)站在基坑沉降監(jiān)測中的研究

羅伯成　吳?？?/p>

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽　550025)

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基于多重自由設(shè)站在基坑沉降監(jiān)測中的研究

羅伯成吳?？?/p>

(貴州大學(xué)土木工程學(xué)院，貴州 貴陽550025)

介紹了全站儀三角高程測量的原理，并以茅臺4號大橋古藺岸工程為例，對全站儀測量位移和沉降精度進(jìn)行了分析，通過分析結(jié)果，選擇了相應(yīng)的測量儀器，達(dá)到了實時、快速和準(zhǔn)確反映基坑沉降的目的。

復(fù)雜基坑，多重自由設(shè)站，沉降監(jiān)測，監(jiān)測點

0　引言

在多山地區(qū)的基坑監(jiān)測中，基坑周圍工作面較為狹窄、基坑開挖形狀不規(guī)則，采用常規(guī)的監(jiān)測方法往往無法對基坑沉降進(jìn)行實時監(jiān)測。為此，我們可以采用在基坑附近自由設(shè)站的方法進(jìn)行監(jiān)測[1,2]。但以往測量的科研工作者在布置自由設(shè)站點時都只有一個或幾個相互獨立的自由設(shè)站點，由于開挖基坑和施工場地的特殊性，以上自由設(shè)站的方法無法覆蓋整個監(jiān)測網(wǎng)。為了對整個基坑進(jìn)行實時監(jiān)測，在此提出基于多重自由設(shè)站的方法對基坑進(jìn)行沉降監(jiān)測，也就是為了建立能夠?qū)铀斜O(jiān)測點進(jìn)行監(jiān)測，采用多個連續(xù)自由設(shè)站的方法對基坑進(jìn)行監(jiān)測。下面就貴州省茅臺4號大橋古藺岸為例來闡述深基坑監(jiān)測測站點的布置方法的優(yōu)化。

茅臺4號大橋位于貴州省遵義市茅臺鎮(zhèn)茅臺酒廠附近，交通方便，橋位橫跨赤水河。由于該橋為人行懸索，為保護(hù)當(dāng)?shù)氐淖匀画h(huán)境，不允許為了施工和監(jiān)測的需要而大量破壞基坑周圍的自然環(huán)境，這就導(dǎo)致監(jiān)測場地往往較為狹窄。隨著智能型全站儀的應(yīng)用和普及，采用全站儀隨架隨測的多重自由設(shè)站法能有效解決以上監(jiān)測的困難。

1　全站儀自由設(shè)站

1.1全站儀計算坐標(biāo)的原理

全站儀可以測量測站點與監(jiān)測點之間的斜距S以及直接測量出監(jiān)測點相對于測站點的垂直角β，進(jìn)而全站儀自帶的程序?qū)⒆詣佑嬎愠龃郎y點的坐標(biāo)[3]，其高差計算公式為：ΔH=Ssinβ，其計算理論原理如下：

z監(jiān)測點=z測站點+i+Ssinβ-v

(1)

其中，z監(jiān)測點，z測站點分別為監(jiān)測點和測站點的高程坐標(biāo)；i為儀器高；v為棱鏡高。

1.2全站儀多重自由設(shè)站觀測原理

全站儀自由設(shè)站法觀測，它是一種以角度與距離同時測量的極坐標(biāo)法為基礎(chǔ)，應(yīng)用自動化高精度全站儀在基坑附近一方便觀測的位置設(shè)一觀測站，隨意設(shè)置測站點的坐標(biāo)及任一個方向的方位角進(jìn)行定向，將其中一個基準(zhǔn)點作為后視點，利用全站儀的自動監(jiān)測功能采用極坐標(biāo)的方法對每個監(jiān)測點進(jìn)行觀測，這樣實際上就是建立了一個自由坐標(biāo)系，每次都利用其中一個基準(zhǔn)點作為測站點，另一個基準(zhǔn)點作為后視點，對自由設(shè)站的測站點進(jìn)行監(jiān)測，進(jìn)而得到其坐標(biāo)，然后從觀測站上觀測若干個已知基準(zhǔn)點及變形監(jiān)測點的方向和距離。當(dāng)聯(lián)測這幾個基準(zhǔn)點時，基準(zhǔn)點就有了自由坐標(biāo)系和統(tǒng)一坐標(biāo)系中的兩套坐標(biāo)數(shù)據(jù)。全站儀內(nèi)置的自由設(shè)站觀測程序就可以利用這些基準(zhǔn)點將所有點(包括測站點)的自由坐標(biāo)轉(zhuǎn)換為統(tǒng)一坐標(biāo)，通過對各點的周期性觀測，便可得到各變形觀測點的位移變化[4]。

2　全站儀測量位移和沉降精度估算

2.1監(jiān)測點的點位誤差

將式(1)全微分，再根據(jù)誤差傳播定律[5]，可得監(jiān)測點的坐標(biāo)誤差：

(2)

其中,mS，mβ，mi,mv分別為全站儀測量斜距的中誤差、垂直角的中誤差、儀器高中誤差、棱鏡高中誤差。

2.2球氣差：由地球曲率和大氣折光引起的誤差

高程的測量受地球曲率c和大氣折光r的影響，其中：

則有：

(3)

將式(3)全微分，再根據(jù)誤差傳播定律，可得球氣差引起的誤差：

mc-r=

(4)

其中，mK為大氣折光系數(shù)誤差[6]。

根據(jù)已有的實驗證明，當(dāng)S<1 000 m時，大氣折光系數(shù)K在我國約為0.08～0.14，大氣折光系數(shù)誤差mK為±(0.3～0.5)[7]。在橋梁監(jiān)測中，斜距一般不會很大，所以若斜距S≤300 m時，mc-r≈0，所以球氣差的影響可以忽略不計。

2.3儀器對中誤差、監(jiān)測點偏心誤差、儀器高中誤差和棱鏡高中誤差

全站儀對中是采用儀器自帶的激光對中器或光學(xué)對中器，根據(jù)大量的現(xiàn)場實際經(jīng)驗，當(dāng)對中器和照準(zhǔn)部水準(zhǔn)器進(jìn)行嚴(yán)格的檢驗校正后，儀器對中誤差在±1 mm內(nèi)；當(dāng)監(jiān)測點采用三腳架和棱鏡基座安置棱鏡時，其偏心誤差和棱鏡高中誤差在±1 mm內(nèi)，有m儀器對中=m偏心=mv=±1 mm[8]。

當(dāng)建立具有穩(wěn)定的觀測墩和具有強(qiáng)制對中裝置的棱鏡臺，那么儀器對中誤差和監(jiān)測點偏心誤差以及棱鏡高中誤差都很小，可以不予考慮，即m儀器對中=m偏心=mv=0 mm[8]；在儀高測量中，采用游標(biāo)卡尺在基座三個方向量取，使三個方向量取的校差小于0.2 mm，并在測前、測后進(jìn)行兩次量測，使mi=0.2 mm，以此減少儀高測量的誤差[9]。

2.4多重自由設(shè)站時監(jiān)測點沉降的點位中誤差

在應(yīng)用全站儀測量坐標(biāo)時，由于儀器的監(jiān)測點的點位誤差、由地球曲率和大氣折光引起的誤差、儀器對中誤差、監(jiān)測點偏心誤差、儀器高中誤差和棱鏡高中誤差之間相互獨立，因此根據(jù)誤差傳播定律，第一個自由設(shè)站點(自由設(shè)站點1)沉降的點位中誤差為：

(5)

其中，S1，i1，β1，v1，m儀器對中1，m偏心1分別為測量第一個自由設(shè)站時的斜距、儀高、垂直角、棱鏡高、儀器對中誤差、偏心誤差。

同理，根據(jù)誤差傳播定律，第二個自由設(shè)站點(自由設(shè)站點2)沉降的點位中誤差為：

(6)

其中，S2，i2，β2，v2，m儀器對中2，m偏心2分別為測量第二個自由設(shè)站時的斜距、儀高、垂直角、棱鏡高、儀器對中誤差、偏心誤差。

同理，監(jiān)測點沉降的點位中誤差為：

(7)

其中，S3，i3，β3，v3，m儀器對中3，m偏心3分別為測量第三個自由設(shè)站時的斜距、儀高、垂直角、棱鏡高、儀器對中誤差、偏心誤差。

同理可以推導(dǎo)多重自由設(shè)站沉降的點位中誤差公式。

3　復(fù)雜基坑自由設(shè)站點和監(jiān)測點的布置實例分析

3.1基坑自由設(shè)站點和監(jiān)測點布置概況

茅臺4號大橋古藺岸為擴(kuò)大基礎(chǔ)，基坑最大深度達(dá)到22 m。其現(xiàn)場施工圖如圖1所示。

從圖1可以看出，基坑周圍地形起伏很大，且有大量綠化植物。由于在穩(wěn)定區(qū)域無法找到可以通視全部監(jiān)測點的基準(zhǔn)點，所以采用常規(guī)的方法無法對基坑的沉降進(jìn)行監(jiān)測。但在西側(cè)的房屋處有一處相對空曠場地，為此可以在房屋處布置兩個基準(zhǔn)點1和基準(zhǔn)點2，在基坑旁布置自由設(shè)站點1。但即便如此，利用基準(zhǔn)點1也無法監(jiān)測整個基坑，所以在自由設(shè)站點1的基礎(chǔ)上建立自由設(shè)站點2，這樣就建立了二重自由設(shè)站(兩個連續(xù)自由設(shè)站)，其設(shè)站和監(jiān)測點布置圖如圖2所示。

如圖2所示，為了能夠更加清楚的反映基坑的變形，對監(jiān)測點的布置進(jìn)行適當(dāng)?shù)募用?。基?zhǔn)點1，點2布置于穩(wěn)定區(qū)域，由于工程周邊地形的復(fù)雜與特殊性，本次測量只建立了兩個基準(zhǔn)點。但在條件允許的情況下，一般應(yīng)建立3個～4個基準(zhǔn)點，這樣可以檢驗基準(zhǔn)點是否穩(wěn)定。自由設(shè)站點1、點2布置于基坑開挖影響范圍之內(nèi)的場地。由于自由設(shè)站點的坐標(biāo)會隨著基坑的開挖而發(fā)生輕微的變化，所以每次在進(jìn)行測量之前都要對自由設(shè)站1和自由設(shè)站2進(jìn)行校核。

3.2測量精度分析

由于篇幅的限制，這里選擇單一的徠卡TPS1200全站儀進(jìn)行精度分析。根據(jù)儀器的標(biāo)稱精度可知，其測角精度為±1.0 mm，測距精度為±(1.0 mm+1 ppm×S)，經(jīng)過多次驗證統(tǒng)計，在人工照準(zhǔn)目標(biāo)200 m距離內(nèi)，其實際角度測量精度mβ1=mβ2=mβ3=mβ=±0.38″，測距精度mS=±0.4 mm[10,11]。根據(jù)實際測量情況，兩個自由設(shè)站點的位置只會發(fā)生輕微的變動，為了便于分析，可以認(rèn)為S1，S2在整個監(jiān)測周期中保持不變，且有S1≈100 m，S2≈10 m，β1=20°,β2=0°，則mS1=mS2=±0.4 mm；為了提高精度，強(qiáng)制歸心裝置的觀測墩和棱鏡臺采用強(qiáng)制對中裝置，則有m儀器對中1=m儀器對中2=m儀器對中3=m儀器對中=0 mm，mi1=mi2=mi3=mi=±0.2 mm，m偏心1=m偏心2=m偏心3=m偏心=0 mm,mv1=mv2=mv3=mv=0 mm。代入式(5)可求得m1=±0.30 mm；同理代入式(6)可得m2=±0.4 mm。

結(jié)合式(7)，分析對不同斜距S和垂直角β以及在有強(qiáng)制歸心裝置的觀測墩和棱鏡臺采用強(qiáng)制對中裝置的情形下進(jìn)行精度分析，如表1所示。

表1　在二重自由設(shè)站下監(jiān)測點沉降精度分析

從表1中可以得出以下結(jié)論：

1)在斜距不大于300 m時,采用具有強(qiáng)制歸心裝置的觀測墩和具有強(qiáng)制對中裝置的棱鏡臺時，可以滿足基坑沉降三等精度的要求[10]；從表1中數(shù)據(jù)上看，在斜距不大于500 m時，也基本滿足三等精度的要求，但此數(shù)據(jù)是在200 m內(nèi)mS=±0.4 mm，mβ=±0.38″的經(jīng)驗數(shù)據(jù)上求得，所以在斜距為500 m時的精度被提高，不能滿足三等精度的要求。

2)在斜距不大于300 m時，沉降的精度隨著垂直角的增大而減小，大于300 m時，沉降的精度隨著垂直角的增大而增大。

3)以上精度分析數(shù)據(jù)表面，盡量選用低重自由設(shè)站，這樣可以提高測量精度。

4　結(jié)語

1)在基坑開挖形狀和周圍環(huán)境較為特殊，一個或多個獨立自由設(shè)站也無法對整個監(jiān)測網(wǎng)實施監(jiān)測時，可以考慮采用多重自由設(shè)站的方法來建立監(jiān)測網(wǎng)，以對整個基坑進(jìn)行實時監(jiān)測。

2)全站儀基于多重自由設(shè)站的基坑沉降監(jiān)測的方法，能有效解決基坑在特殊的地形和地物條件下，對于穩(wěn)定基準(zhǔn)點與監(jiān)測點之間不能通視的問題。該方法測站擺放靈活，網(wǎng)形多變，能快捷的對整個監(jiān)測網(wǎng)進(jìn)行監(jiān)測。

3)該工程最大斜距約為150 m，沉降監(jiān)測按三等精度要求執(zhí)行。沉降通過對二重自由設(shè)站水平位移監(jiān)測精度的分析，采用徠卡TPS1200全站儀，具有強(qiáng)制歸心裝置的觀測墩和具有強(qiáng)制對中裝置的棱鏡臺，可以滿足沉降監(jiān)測三等精度的要求。

4)為了能夠滿足精度的要求，多重自由設(shè)站的個數(shù)不宜較多，所以一般采用該方法確定1個～2個自由設(shè)站點較為合適。

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Research on the method of multiple free station based settlement monitoring of foundation pit

Luo BochengWu Haike

(CivilEngineeringCollege,GuizhouUniversity,Guiyang550025,China)

Introduced the principle of trigonometric leveling with total station instrument, and taking the Guling’an engineering of Maotai No.4 bridge as an example, analyzed the total station measuration displacement and settlement precision and the corresponding measuring instruments are selected to achieve the purpose of real-time, fast and accurate response of foundation pit.

complex foundation pit, multiple free station, settlement monitoring, monitoring point

1009-6825(2016)23-0066-03

2016-06-07

羅伯成(1989- )，男，在讀碩士；吳海科(1990- )，男，在讀碩士

TU433

A