深基坑監(jiān)測技術(shù)探討

郝雨琦 于建文

摘 要：隨著我國經(jīng)濟(jì)建設(shè)的推進(jìn)，越來越多的高大建筑開始向縱向空間發(fā)展，而基坑工程也隨之逐漸擴(kuò)大?；釉陂_挖施工過程中由于受基坑土質(zhì)、開挖深度及尺寸、周圍荷載、支護(hù)系統(tǒng)及施工方法等諸多因素影響，基坑變形將是不可避免的。為了保證基坑工程施工質(zhì)量，保證工程自身穩(wěn)定和周邊環(huán)境的安全，必須要在施工過程中進(jìn)行基坑監(jiān)測來指導(dǎo)下一步的施工。本文詳細(xì)描述了利用全站儀、水準(zhǔn)儀、收斂計(jì)等在三維變形監(jiān)測中的應(yīng)用和方法，最后介紹了結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的在線監(jiān)測和BIM在深基坑監(jiān)測中的應(yīng)用的新技術(shù)。

關(guān)鍵詞：基坑工程；基坑變形；基坑監(jiān)測

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2018.22.088

1 工程概述

馬鞍山鄭蒲港鐵路牛屯河特大橋橋址區(qū)起始端與既有淮南鐵路并行跨牛屯河、X016縣道，合蕪高速公路等，全長16.34km。穿越區(qū)地質(zhì)多為雜填土、黏土、泥巖、泥質(zhì)砂巖。本次基坑監(jiān)測位置為牛屯河特大橋連續(xù)梁主墩43#墩、44#墩，基坑施工為鋼板樁圍堰方法，鋼板樁圍堰為矩形輪廓，長為11.0m，寬為15.5m，基坑深度為9m，鋼板樁嵌入平臺(tái)頂以下14.5m，圍堰內(nèi)部采用三層內(nèi)支撐，見圖1。

2 深基坑監(jiān)測的特點(diǎn)和內(nèi)容

2.1 監(jiān)測特點(diǎn)

（1）時(shí)效性?；颖O(jiān)測通常有鮮明的時(shí)間性。測量結(jié)果是動(dòng)態(tài)變化的，一天以前（甚至幾小時(shí)以前）的測量結(jié)果都會(huì)失去直接的意義，因此深基坑施工中監(jiān)測需隨時(shí)進(jìn)行，在測量對(duì)象變化快的關(guān)鍵時(shí)期，可能每天需進(jìn)行數(shù)次觀測。

（2）高精度。基坑施工中的測量通常采用一些特殊的高精度儀器。

（3）等精度?；邮┕ぶ械谋O(jiān)測通常只要求測得相對(duì)變化值，而不要求測量絕對(duì)值。基坑監(jiān)測要求盡可能做到等精度，使用相同的儀器，在相同的位置上，由同一觀測者按同一方案進(jìn)行監(jiān)測。

2.2 監(jiān)測內(nèi)容

（1）基坑周圍土體沉降。

（2）基坑坑底隆起。

（3）支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移。

（4）基坑周邊收斂。

（5）深層土體差異沉降和水平位移等。

監(jiān)測內(nèi)容取決于工程本身的規(guī)模、施工方法、地質(zhì)條件、環(huán)境條件等。具體施工中應(yīng)根據(jù)設(shè)計(jì)規(guī)范要求，結(jié)合工程實(shí)際情況委托第三方監(jiān)測機(jī)構(gòu)進(jìn)行監(jiān)測。施工前應(yīng)編制好監(jiān)測方案，報(bào)總監(jiān)理工程師審批，監(jiān)測時(shí)按審批的方案進(jìn)行布點(diǎn)，實(shí)施監(jiān)測，并及時(shí)提交監(jiān)測數(shù)據(jù)。

3 深基坑監(jiān)測的方法

監(jiān)測基坑周圍土體沉降和基坑隆起主要采用幾何水準(zhǔn)法，通過高精度的光學(xué)或電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行直接觀測，計(jì)算出變形量。監(jiān)測精度要求不高時(shí)，可直接通過全站儀觀測監(jiān)測點(diǎn)的三維坐標(biāo)，求得基坑沉降和水平位移量。

監(jiān)測深基坑邊坡水平位移，通常要布設(shè)變形監(jiān)測網(wǎng)，然后基于該網(wǎng)，采用交會(huì)法、視準(zhǔn)線法和全站儀三維極坐標(biāo)法等監(jiān)測。下面著重探討下利用全站儀建立無接觸測量三維變形監(jiān)測網(wǎng)及其無接觸測量技術(shù)，如何監(jiān)測基坑的三維變形和基坑的坑壁收斂。

如圖2（a）所示，深基坑開挖前，在基坑周圍穩(wěn)固的構(gòu)建物上粘貼聚酯反射片，如果距離比較遠(yuǎn)可以安裝微型棱鏡代替反射片，然后全站儀在幾個(gè)合適的位置自由設(shè)站，對(duì)反射片進(jìn)行三維觀測，并作三維嚴(yán)密平差，建立無接觸測量三維變形監(jiān)測網(wǎng)。這種類型的三維監(jiān)測網(wǎng)采用獨(dú)立基準(zhǔn)，它的坐標(biāo)軸宜與深基坑軸線平行。進(jìn)行變形監(jiān)測的時(shí)候，用監(jiān)測點(diǎn)上一次的坐標(biāo)減去本次的坐標(biāo)的差來計(jì)算當(dāng)期基坑的變形量，與初始值的坐標(biāo)差計(jì)算累計(jì)的變形量。

無接觸變形監(jiān)測技術(shù)有以下三方面應(yīng)用：

（1）采用自由設(shè)站法測量三維監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)的三維坐標(biāo)。如圖2（b）所示，在監(jiān)測變形的位置粘貼聚酯反射片，在適當(dāng)?shù)奈恢眉芎萌緝x，然后測量一部分或全部三維監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)，并且同步觀測監(jiān)測點(diǎn)，求得網(wǎng)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系中的三維坐標(biāo)。全站儀坐標(biāo)系的原點(diǎn)位于儀器三軸的交點(diǎn)，坐標(biāo)軸方向隨機(jī)為儀器水平度盤和豎直度盤的“0”方向。假定網(wǎng)點(diǎn)在監(jiān)測網(wǎng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（，，），在全站儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（），監(jiān)測點(diǎn)在監(jiān)測網(wǎng)坐標(biāo)系的坐標(biāo)為（，，），監(jiān)測點(diǎn)在全站儀坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為（，，）。（，，）與（，，）有如下轉(zhuǎn)換關(guān)系：

= （1）

式中，，，為坐標(biāo)平移參數(shù)，為尺度因子，R為含三個(gè)獨(dú)立因子的旋轉(zhuǎn)矩陣。所以，要求得（1）式中的平移參數(shù)、尺度因子和旋轉(zhuǎn)矩陣因子，就要同步觀測至少3個(gè)三維監(jiān)測網(wǎng)點(diǎn)。監(jiān)測點(diǎn)在監(jiān)測網(wǎng)中的三維坐標(biāo)按下式計(jì)算：

= （2）

式中平移參數(shù)，，就是全站儀三軸交點(diǎn)在三維監(jiān)測網(wǎng)中的坐標(biāo)分量。對(duì)不同周期的監(jiān)測點(diǎn)坐標(biāo)求差，就可求得監(jiān)測點(diǎn)的變形量。

這種方法可以自由設(shè)站，沒有儀器對(duì)中、量高誤差，用測量機(jī)器人可以全自動(dòng)測量；不需要考慮氣溫、氣壓等因素的影響，因?yàn)闇y量結(jié)果總是轉(zhuǎn)化到固定的三維網(wǎng)，無論變形監(jiān)測期間的尺度因子如何變化，其最終結(jié)果的尺度總是和建網(wǎng)時(shí)的尺度一致。另外，進(jìn)行變形測量時(shí)，儀器的一些系統(tǒng)誤差也可以抵消。在20到50米范圍內(nèi)，精度為正負(fù)2”和1+2PPm的全站儀，變形監(jiān)測精度可達(dá)0.2～0.4mm，即使百米范圍內(nèi)，精度也可達(dá)毫米級(jí)。

（2）監(jiān)測基坑周邊和坑壁的水平位移。基坑坑壁經(jīng)常會(huì)受到施工的干擾，不能直接觀測的位置，可以用全站儀、鉛直儀和小鋼尺配合，監(jiān)測坑壁變形，如圖3所示。

將全站儀架設(shè)在坑壁上方的平臺(tái)上，觀測4到6個(gè)三維監(jiān)測點(diǎn)，然后利用邊、角后方交會(huì)原理，或三維坐標(biāo)轉(zhuǎn)換法，求得全站儀三軸交點(diǎn)的坐標(biāo)；保持全站儀基座位置不動(dòng)，卸下全站儀，然后在基座上安置光學(xué)鉛直儀，這時(shí)候鉛直儀軸線一樣通過全站儀的三軸交點(diǎn)。在監(jiān)測變形的位置平放小鋼尺，等光學(xué)鉛直儀調(diào)好焦距后，可直接在小鋼尺上讀數(shù)，這樣就可以間接求得待測點(diǎn)的水平位移。

（3）監(jiān)測坑壁收斂。如圖4所示，基坑寬度小時(shí)，可以用收斂計(jì)直接測量基坑兩邊同一高度處A、D兩點(diǎn)的相對(duì)收斂情況。盡管收斂計(jì)本身讀數(shù)精度很高，但是會(huì)受到設(shè)備安置等因素的影響，重復(fù)測量精度只能達(dá)到0.3～0.5mm。當(dāng)基坑寬度較大時(shí)，收斂計(jì)就無法測量了，這時(shí)采用全站儀無接觸測量就可以解決這一問題。

在圖4中基坑兩邊同一高度處 A 、D 點(diǎn)處粘貼聚酯反射片，采用全站儀無接觸測量法自由設(shè)站進(jìn)行三維測量，測定A、D兩點(diǎn)的水平方向、，天頂距、及斜距、建立如圖5所示的坐標(biāo)系，原點(diǎn)O為全站儀三軸的交點(diǎn)，X軸平行于AD連線的水平投影。則A 、D點(diǎn)在此坐標(biāo)系中的坐標(biāo)為：

（3）

和

（4）

式中，=-為OA與Y軸的夾角。

由=可得：

于是得：

= （5）

AD長度為：

= （6）

對(duì)上式全微分，可得AD的精度：

= （7）

由式（7）可知，適當(dāng)選擇測站位置，能使A、D點(diǎn)的X 、Z坐標(biāo)達(dá)到較高的精度。在距監(jiān)測斷面50m內(nèi)，AD邊的精度可達(dá)到0.4～0.7mm。

4 監(jiān)測數(shù)據(jù)處理與反饋

（1）所有的觀測數(shù)據(jù)都按基坑監(jiān)測方案要求的各項(xiàng)限差進(jìn)行控制。對(duì)監(jiān)測原始數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)改正、平差計(jì)算， 計(jì)算各點(diǎn)的變形量及累計(jì)變形量，生成監(jiān)測報(bào)表和變形曲線圖。每次測量后對(duì)每個(gè)量測點(diǎn)分別作回歸分析，求出各自精度最高的回歸方程，并進(jìn)行相關(guān)分析和預(yù)測，推算出最終變形規(guī)律，并由此判斷施工方法的合理與安全性。

（2）隨著施工的進(jìn)度，監(jiān)測工作在工程期間應(yīng)穿插進(jìn)行。為了做到監(jiān)控能時(shí)時(shí)指導(dǎo)施工，應(yīng)及時(shí)將處理數(shù)據(jù)制定成報(bào)表反饋給技術(shù)人員。采取預(yù)警控制法結(jié)合變形速率進(jìn)行安全信息反饋，監(jiān)測數(shù)據(jù)超過預(yù)警值或超過累積值時(shí)，監(jiān)測人員應(yīng)在當(dāng)天的報(bào)表中標(biāo)注出來，及時(shí)向技術(shù)主管部門進(jìn)行匯報(bào)。每周進(jìn)行一次報(bào)表匯總，進(jìn)行周報(bào)。

5 結(jié)語

深基坑監(jiān)測直觀而有效的監(jiān)測方法是測量幾何量法。監(jiān)測精度要求不高時(shí)，可直接通過全站儀進(jìn)行監(jiān)測基坑的三維變化；精度要求高時(shí)，可通過幾何水準(zhǔn)法來監(jiān)測基坑的沉降和隆起，通過安裝收斂計(jì)或利用全站儀建立無接觸變形監(jiān)測網(wǎng)來監(jiān)測基坑三維變形和坑壁收斂。通過基坑監(jiān)測減少施工的盲目性，及時(shí)發(fā)現(xiàn)施工過程中的異常并預(yù)警，保證基坑的安全施工，其社會(huì)效益及經(jīng)濟(jì)效益是非常明顯的。

6 展望

（1）目前基坑監(jiān)測以人工監(jiān)測為主，受很多因素影響，存在人為誤差， 各項(xiàng)技術(shù)參數(shù)不能實(shí)時(shí)監(jiān)測，匯總分析滯后，難以及時(shí)掌握存在的問題與風(fēng)險(xiǎn)。結(jié)合云計(jì)算、大數(shù)據(jù)等新技術(shù)的在線監(jiān)測能夠提供不間斷的數(shù)據(jù)。通過傳感器與無線節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，數(shù)據(jù)通過云網(wǎng)關(guān)內(nèi)置的無線傳輸模塊，上傳到云平臺(tái)的控制中心。云平臺(tái)提供實(shí)時(shí)顯示、自動(dòng)報(bào)警和數(shù)據(jù)儲(chǔ)存等功能?？蛻敉ㄟ^手機(jī)或者PC訪問服務(wù)器，獲取短信報(bào)警，數(shù)據(jù)分析等相關(guān)服務(wù)。

（2）BIM技術(shù)應(yīng)用于深基坑監(jiān)測中是通過將基坑的形狀 、支護(hù)結(jié)構(gòu)、 周圍的環(huán)境和各類監(jiān)測點(diǎn)建立三維模型，再將實(shí)時(shí)的數(shù)據(jù)導(dǎo)入模型中，并通過檢測模型的5D動(dòng)畫模擬 （三維模型+時(shí)間軸+變形色譜云圖），就可以直觀的展示出基坑變形的細(xì)微程度，從而分析和預(yù)測重要節(jié)點(diǎn)部位和潛在的問題，排除施工過程中的風(fēng)險(xiǎn)，消除危險(xiǎn)節(jié)點(diǎn)，進(jìn)行不同施工方案的比較分析。

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