自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中實用性及可靠性分析

包長泰

中基發(fā)展建設(shè)工程有限責任公司 北京 101300

近年來，深基坑工程數(shù)量明顯增多，由于施工環(huán)境、地質(zhì)條件以及施工中不確定因素的影響，導致基坑出現(xiàn)變形問題，需要采取恰當?shù)幕幼冃伪O(jiān)測手段，確保基坑施工安全進行。在監(jiān)測工作中，可采用自由設(shè)站法的監(jiān)測方式，由于其具有設(shè)站靈活、高效的優(yōu)點，在深基坑變形監(jiān)測項目中取得廣泛應(yīng)用，為基坑施工高質(zhì)量開展提供技術(shù)支持。

1 自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用意義

基坑施工過程中需保證深基坑和相鄰道路、建筑物、地下管道的安全，根據(jù)周邊環(huán)境的不同，基坑的安全等級不同。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對基坑監(jiān)測項目規(guī)定，對于一級、二級、三級基坑，支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測是必測項目。基坑變形監(jiān)測過程中，可以利用極坐標法來測定監(jiān)測點任意方向的水平位移，在深基坑開挖周圍確定監(jiān)測點并在觀測點設(shè)置全站儀，測定不同監(jiān)測點的極坐標，對不同階段的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析，確定不同監(jiān)測點發(fā)生的位移量。

由于受到現(xiàn)場環(huán)境和地質(zhì)條件的限制，不是所有施工現(xiàn)場都可以設(shè)置固定的觀測點，針對這一問題，對水平位移的監(jiān)測方法進行變換，提出了自由設(shè)站法。自由設(shè)站法是監(jiān)測基坑變形程度的重要工具，在基坑水平位移監(jiān)測中體現(xiàn)出較好實用性。如何利用好自由設(shè)站法進行深基坑變形監(jiān)測是目前建筑領(lǐng)域研究重點，通過建立一套有效的自由設(shè)站法應(yīng)用路徑體系，能為基坑施工提供借鑒，解決施工中的產(chǎn)生的變形問題。

本文以某深基坑項目為例，討論該項目中自由設(shè)站法的具體應(yīng)用。

2 自由設(shè)站法應(yīng)用原理

在深基坑施工中采用自由設(shè)站法來監(jiān)測基坑水平位移情況，能進一步規(guī)范施工操作，提高基坑施工有效性及安全性。自由設(shè)站法在工程實踐中取得廣泛應(yīng)用，該方法實質(zhì)是邊角聯(lián)合后交會法，應(yīng)用原理如下：如下圖所示，A/B兩點是已知的位置點，P點是待定點，采取邊角聯(lián)合交會法，分別測量AP、BP間的距離S1、S2并測定兩條線的方向值。采用最小二乘法得出誤差計算公式：V=AX-L。

圖 1 自由設(shè)站法邊角聯(lián)合交會法基坑監(jiān)測示意圖

根據(jù)自由設(shè)站點和已知控制點之間形成的邊長觀測值和方向值，建立兩者的誤差公式，經(jīng)過推導后可確定設(shè)站點的誤差大小，并確定基坑水平位移大小。根據(jù)已有的研究結(jié)果，當已知控制點個數(shù)不斷增加時，則設(shè)站點的監(jiān)測有效性隨之提高，確保自由設(shè)站法在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用效果較好。相關(guān)基坑監(jiān)測規(guī)范中指出：水平位移監(jiān)測設(shè)站點應(yīng)設(shè)置在及基坑開挖深度的三倍范圍外，且不受施工影響的區(qū)域?，F(xiàn)假設(shè)基坑開挖深度是20米，已知控制點之間相隔100米，考慮到基坑變形監(jiān)測規(guī)范要求對中裝置的對中誤差不能超過0.1毫米的規(guī)定，可利用監(jiān)測精度是1.5+2ppm的全站儀進行監(jiān)測。從實踐經(jīng)驗來看，交會角的大小對設(shè)站點精度影響較大，隨著交會角增大，設(shè)站點精度越高；如果自由設(shè)站點與已知控制點連線較為接近時，點位精度較高；基坑邊長測量中的固定誤差會對點位精度產(chǎn)生較大影響，但測距長短對比例誤差影響不大。

3 自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中的具體應(yīng)用過程

自由設(shè)站法監(jiān)測是以同時測量距離和角度的極坐標為基礎(chǔ)，利用高精度的監(jiān)測儀器在基坑開挖深度一定范圍內(nèi)設(shè)置觀測站，選取多個已知控制點，從觀測站上測量已知點和變形監(jiān)測設(shè)站點的距離和方向，采用極坐標法計算基點和變形點的平面坐標，進行坐標轉(zhuǎn)換后確定不同變形監(jiān)測點對于已知控制點的坐標位置，通過進行周期性觀測，確定基坑的水平位移變化量。

（一）建立坐標系統(tǒng)

在深基坑施工影響范圍外的穩(wěn)固區(qū)域或者舊建筑物上，選取兩個基準點，連接成一條平行于深基坑的基準線，基準點的間距利用全站儀通過多次觀測后確定，這一基準線在地面上的水平投影作為坐標系的橫軸方向，和橫軸垂直的方向為縱軸方向。

（二）計算公式

明確坐標系統(tǒng)后，在基坑周圍的某個觀測點位設(shè)置全站儀，測定兩個基準點A、B到設(shè)站點0之間的水平距離，將其表示為SA、SB，并確定全站儀中心點和兩個基準點的夾角，以全站儀為基準點，確定一個平面坐標系，其中橫軸垂直于基坑坐標系的橫軸，并進行觀測點、基準點的極坐標到平面坐標的轉(zhuǎn)換。通過對基坑支護結(jié)構(gòu)位移點的坐標換算和周期性觀測，能完成各個觀測點的坐標轉(zhuǎn)換，由此確定基坑變形程度。

圖 2 全站儀坐標系示意圖

（三）觀測要點

對全站儀的要求：對于基坑變形監(jiān)測中運用的觀測儀器，需要保證經(jīng)緯儀視線軸、測距儀發(fā)射和接收光軸在同一直線上，確保測站點坐標換算的準確性。同時為了滿足水平位移監(jiān)測精度要求，通常要求全站儀測量精度達到±1。全站儀精度在100米內(nèi)要達到±1mm，且分辨率應(yīng)是0.1mm，而對于基坑水平位移監(jiān)測精度來說，利用1-2個測回來監(jiān)測，能達到0.1mm的精度要求。如果使用監(jiān)測精度較低的全站儀，則需要適當增加設(shè)站點，這就會增加基坑變形監(jiān)測時間和工作量。

為了提高自由設(shè)站法在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用性，要求設(shè)站點和基準點間的距離不應(yīng)過大，要保證基準點的合理選擇。通常選擇在穩(wěn)定區(qū)域，和已知控制點的距離在100米左右，并且選擇的基線和基坑軸線大多數(shù)平行的。為了消除儀器監(jiān)測時的固有誤差，每期監(jiān)測時設(shè)置的觀測點位置應(yīng)是大致固定的。

4 自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中應(yīng)用及分析

深基坑施工過程中要進行相應(yīng)的監(jiān)測管理，一般根據(jù)基坑開挖范圍和支護結(jié)構(gòu)的各項參數(shù)確定監(jiān)測方案，對基坑安全等級進行評價，并實施分級控制。支護結(jié)構(gòu)水平位移的監(jiān)測值要按照基坑級別確定，規(guī)定一級基坑的圍護結(jié)構(gòu)最大水平位移的監(jiān)控值為35；二級基坑圍護結(jié)構(gòu)水平監(jiān)控值為60；三級基坑圍護結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測值為80。

以某院某建筑工程為例，其深基坑開挖中，基坑設(shè)計長96米、寬55米，開挖深度16m?；訓|側(cè)約10m為三棟六層樓房、基坑北側(cè)約30m為職工活動中心、西側(cè)約8m為兩棟4層辦公樓，基坑南側(cè)約30m為高層辦公科研樓。因場地為管制區(qū)域，基坑外5～8m設(shè)置圍擋，只在辦公科研樓西側(cè)設(shè)置狹長出入通道，通道長度50m左右?，F(xiàn)場施工場地狹小且周邊環(huán)境復雜，基坑設(shè)計安全等級一級，需要按照一級基坑變形監(jiān)測標準對基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移程度進行監(jiān)控。

圖 3 基坑監(jiān)測點布局示意圖

（一）基坑監(jiān)測方案設(shè)計

上圖中的K1、K2是考慮施工現(xiàn)場環(huán)境條件設(shè)置的兩個基準點，在施工圍擋外側(cè)，為保證通視，審批開門兩扇。并在距離深基坑約50m的位置設(shè)置觀測點，這一點位在基坑開挖影響區(qū)域外，這兩個基準點使用對外觀測墩。在確定基準點和觀測點后，建立和基坑邊相平行的直角坐標系，其中K2坐標位置（500，500），利用全站儀測量兩點的距離，確定K1坐標（500，232）。其中D0-D15是深基坑支護結(jié)構(gòu)的多個水平位移觀測點，判斷不同階段這些觀測點的位移值，可進一步分析基坑變形情況。由于觀測視線受阻，不能從基準點上直接觀察水平位移監(jiān)測點，要想全面掌握各個觀測點的水平位移大小，還需采取自由設(shè)站法結(jié)合極坐標法的監(jiān)測方案，有效測定圍護結(jié)構(gòu)的水平位移值。

（二）精度估算

設(shè)置自由觀測點時，可根據(jù)當時通視情況、靈活設(shè)站。利用Leica TS02 PLUS全站儀來測量觀測站到兩個基準點間的距離和方向值，能保證測量結(jié)果誤差較小，并且可對觀測點的測量精度進行計算。從計算結(jié)果看，觀測點的點位精度和交會角大小之間是正相關(guān)的，交會角超過40°時，點位精度提升較為緩慢。在實際位移監(jiān)測中要避免小角交會。當自由設(shè)站點在兩個基準點之間時，能達到最高精度，但是由于距離和角度不能互相檢驗，導致監(jiān)測結(jié)果準確性較差。因此在保證交會角大的同時，可適當增加后視點，以便增強可靠性。

（三）精度分析

在選定自由設(shè)站點后，將基準點坐標輸入全站儀自由設(shè)站測量程序中，測量自由觀測點到兩個基準點的距離和方向，全站儀會直接計算出觀測點的坐標。之后從基準點出發(fā)選定觀測方向，瞄準監(jiān)測點中軸線用極坐標法得到各點坐標。從監(jiān)測過程中可知水平位移觀測點的誤差主要包括極坐標法計算誤差和觀測點測量誤差兩部分。本次基坑變形監(jiān)測總共進行了30期監(jiān)測，以其中一期為例，自由設(shè)站點的交會角分別是41°和54°，根據(jù)圖形條件，查得極坐標法測定觀測點時的起始誤差為0.68mm。極坐標法測量中，觀測點就是隨時監(jiān)測的自由設(shè)站點，這時不需要考慮監(jiān)測中的對中誤差，最終監(jiān)測結(jié)果的精度只與測距誤差、測角誤差有關(guān)。按照基坑變形監(jiān)測的精度規(guī)定，通常情況下，監(jiān)測過程中的誤差要小于允許基坑變形大小的1/10-1/20。當深基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測按照一級基坑相關(guān)要求進行時，可采取基坑水平位移允許值的1/15為監(jiān)測誤差，要求監(jiān)測點中誤差不超過2mm，確保監(jiān)測結(jié)果準確。通過對上述自由設(shè)站法監(jiān)測誤差的分析可知，選擇Leica TS02 PLUS全站儀，采用極坐標法和自由設(shè)站法，能直接測量基坑支護結(jié)構(gòu)的水平位移大小，進而滿足基坑變形監(jiān)測要求，達到較高的精度標準。當采用自由觀測點坐標法測量觀測已知方向，可采取強制對中螺桿等措施，進而加大監(jiān)測精度。

具體來說，自由設(shè)站法在解決城市基坑施工中的通視問題上有著較好應(yīng)用，能解決由于基坑開挖引起的土體變形問題，避免由于基點不穩(wěn)定造成的監(jiān)測誤差問題。同時自由設(shè)站點方法實施中，觀測點精度和監(jiān)測圖形有關(guān)，要求選擇測距和測角精度相符合的全站儀，從施工現(xiàn)場實際情況入手，控制交會角在40°到120°之間，在條件允許的情況下，可適當增加已知控制點，得到大量的觀測數(shù)據(jù)，以便提高觀測點設(shè)置精度和可靠性，為自由設(shè)站法在基坑變形監(jiān)測中的有效運用提供條件。使用精度等級較高的全站儀，是保證監(jiān)測有效性的關(guān)鍵，當觀測點距基準點距離較小時，可利用自由設(shè)站點和極坐標轉(zhuǎn)換相結(jié)合的方法，當深基坑支護結(jié)構(gòu)水平位移在2mm內(nèi)時，則說明基坑變形程度在可允許范圍內(nèi)。采用上述方法進行深基坑變形情況的監(jiān)測，提高了設(shè)站靈活性和作業(yè)效率，可快速獲取監(jiān)測反饋信息，為深基坑施工作業(yè)順利開展提供參考。

5 結(jié)論

綜上所述，將自由設(shè)站法應(yīng)用在深基坑變形監(jiān)測中，發(fā)揮其操作性強、設(shè)站靈活的優(yōu)點，能為基坑施工提供有效技術(shù)工具，提高現(xiàn)場監(jiān)測質(zhì)量和效率，并避免基坑變形監(jiān)測受外部因素的影響。實踐表明，自由設(shè)站法在基坑施工中體現(xiàn)出較高的應(yīng)用價值，并且監(jiān)測結(jié)果較為準確、客觀。