深基坑水平位移監(jiān)測(cè)新方法的研究與應(yīng)用*

沙 磊

(安徽省地質(zhì)實(shí)驗(yàn)研究所(國(guó)土資源部合肥礦產(chǎn)資源監(jiān)督檢測(cè)中心),安徽 合肥 230041)

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，高層建筑不斷涌現(xiàn)，建筑物基坑開挖的深度和規(guī)模也越來越大。為保證深基坑開挖施工的安全，必須對(duì)基坑進(jìn)行變形監(jiān)測(cè)。在基坑監(jiān)測(cè)工作中，一般在基坑外圍埋設(shè)平面基準(zhǔn)點(diǎn)，然后利用導(dǎo)線測(cè)量[1]、前方交會(huì)等方法，計(jì)算在基坑邊緣的工作基點(diǎn)的坐標(biāo)，最后在工作基點(diǎn)上架設(shè)全站儀測(cè)量監(jiān)測(cè)點(diǎn)。當(dāng)基坑場(chǎng)地?zé)o相對(duì)穩(wěn)定的工作基點(diǎn)，隨著深基坑的開挖，就必須對(duì)工作基點(diǎn)定期進(jìn)行檢測(cè)，這樣導(dǎo)致復(fù)測(cè)工作量較大。對(duì)于布設(shè)閉合導(dǎo)線控制網(wǎng)[1]，或布設(shè)相互垂直的兩條視線[2]，對(duì)基坑周邊環(huán)境要求較高，也很難找到合適地方作為控制點(diǎn)。對(duì)一些特殊場(chǎng)地，在兩個(gè)以上工作基點(diǎn)上架設(shè)儀器，才能觀測(cè)到所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)，因此上述方法在造價(jià)以及高效性、實(shí)用性等方面都存在不足。本文采用邊角交會(huì)建立平面控制網(wǎng)，結(jié)合全站儀自由設(shè)站方法[3,5，7-8]，在多個(gè)工作基點(diǎn)上架設(shè)全站儀進(jìn)行觀測(cè)，既提高了工作效率，也能滿足監(jiān)測(cè)精度要求。

1 建立監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)新方法

1.1 導(dǎo)線測(cè)量建立控制網(wǎng)

城市的深基坑在開挖工程中，為了保護(hù)城市環(huán)境，施工場(chǎng)地必須進(jìn)行圍擋施工，場(chǎng)地空間往往非常狹窄，可實(shí)現(xiàn)傳遞的視線通道較少，在僅有一個(gè)視線通道時(shí)，導(dǎo)線測(cè)量就有很大的局限性，城市鬧區(qū)基坑外圍環(huán)境，人車流量都較大，觀測(cè)工作易受影響。選擇在外圍已建建筑物的房頂埋設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，通?，F(xiàn)場(chǎng)環(huán)境要求高，有合適的條件才能滿足。因此通過導(dǎo)線測(cè)量建立控制網(wǎng) ，很難尋找到合適位置布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)。隨著深基坑的開挖，必須對(duì)工作基點(diǎn)定期進(jìn)行檢測(cè)，后期復(fù)測(cè)工作量較大，工作效率也較低。

1.2 邊角交會(huì)建立控制網(wǎng)新方法

1.2.1 新方法基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)

傳統(tǒng)導(dǎo)線測(cè)量的基本思路是，在基坑外圍穩(wěn)定區(qū)域建立基準(zhǔn)點(diǎn)，通過閉合導(dǎo)線測(cè)量估算工作基點(diǎn)坐標(biāo)，這里采用逆向思維方式，以假定工作基點(diǎn)坐標(biāo)反推基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)，通過邊角交會(huì)測(cè)量建立控制網(wǎng)，再結(jié)合自由設(shè)站方法。如圖1所示，選擇3倍坑深影響范圍外，原有建筑物上安裝棱鏡作為基準(zhǔn)點(diǎn)(G1、G2)，在基坑邊緣布設(shè)工作基點(diǎn)(J1、J2)，并能與基準(zhǔn)點(diǎn)通視。在基坑開挖前，不妨設(shè)J1為原點(diǎn)，J2為后視點(diǎn)，分別在J1、J2架設(shè)全站儀，通過高精度全自動(dòng)全站儀觀測(cè)ΔJ1J2G1和ΔJ2J1G2，測(cè)得兩個(gè)三角形的各邊長(zhǎng)度及夾角，在進(jìn)行平差計(jì)算，從而得出基準(zhǔn)點(diǎn)G1、G2的坐標(biāo)。

圖1 監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)

1.2.2 新方法工作基點(diǎn)檢測(cè)

在深基坑開挖及使用過程中，需要對(duì)于工作基點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行檢測(cè)，考慮到深基坑水平位移產(chǎn)生的力學(xué)原理，往往在基坑開挖及周邊載荷增加、大雨過后等關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)時(shí)產(chǎn)生較大位移，因此每次觀測(cè)都進(jìn)行工作基點(diǎn)穩(wěn)定性的檢測(cè)，其觀測(cè)的工作效率較低，特別是基坑變形相對(duì)穩(wěn)定時(shí)段，工作基點(diǎn)產(chǎn)生的變形，相對(duì)基坑監(jiān)測(cè)精度可以忽略不計(jì)時(shí)，工作基點(diǎn)復(fù)測(cè)的意義不大。如何保證基坑觀測(cè)的質(zhì)量，也能提高觀測(cè)工作的效率。這里采用如下方法，給工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離變化設(shè)置一個(gè)閾值[4]，每次監(jiān)測(cè)時(shí)都與基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行照準(zhǔn)觀測(cè)，及時(shí)對(duì)工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的距離變化進(jìn)行判斷。由于工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)距離變化的直觀性，對(duì)工作基點(diǎn)穩(wěn)定性判斷方便快捷，工作效率得到了較大提高。

設(shè)J1G1、J1G2測(cè)距變化值為ΔS，這里對(duì)閾值的設(shè)置取測(cè)距觀測(cè)中誤差mS的2倍。當(dāng)觀測(cè)的距離變化ΔS小于閾值2mS時(shí)，可以采用忽略不計(jì)原則，以工作基點(diǎn)上次坐標(biāo)作測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這樣就減少了基坑變形相對(duì)穩(wěn)定階段復(fù)測(cè)工作量；當(dāng)觀測(cè)的距離變化ΔS大于等于閾值2mS時(shí)，以基準(zhǔn)點(diǎn)反算測(cè)站點(diǎn)新坐標(biāo)，以工作基點(diǎn)新坐標(biāo)作測(cè)站點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，這時(shí)又彌補(bǔ)了基坑變形相對(duì)穩(wěn)定階段，未復(fù)測(cè)工作基點(diǎn)所丟失的變形量。

2 水平位移的精度分析

2.1 自由設(shè)站點(diǎn)精度估算

深基坑在開挖及使用過程中，工作基點(diǎn)會(huì)產(chǎn)生一定的變形，通過測(cè)定位于變形區(qū)影響范圍之外至少兩個(gè)固定已知目標(biāo)，即自由設(shè)站法計(jì)算測(cè)站點(diǎn)坐標(biāo)，文獻(xiàn)[3]給出全站儀自由設(shè)站法的原理及精度估算。

不妨設(shè)mJ為工作基點(diǎn)的位置誤差，方向觀測(cè)值中誤差為m0，則自由設(shè)站點(diǎn)點(diǎn)位中誤差為：

(1)

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)精度

采用極坐標(biāo)法對(duì)每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)，用極坐標(biāo)法估算監(jiān)測(cè)點(diǎn)觀測(cè)中誤差為(不考慮棱鏡的安置誤差)：

(2)

綜上所述，監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差來源于兩個(gè)方面：

(1)自由設(shè)站點(diǎn)點(diǎn)位中誤差mJ；(2)極坐標(biāo)法測(cè)定點(diǎn)位平面坐標(biāo)誤差m測(cè)。

因此監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為：

⑶

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某商業(yè)酒店深基坑位于鬧市區(qū)如圖2所示，該基坑?xùn)|側(cè)是主干道，北側(cè)及西側(cè)是已建商業(yè)酒店，南側(cè)為已建小廣場(chǎng)，考慮到施工安全及已建商場(chǎng)正常營(yíng)業(yè)，在道路一側(cè)留有施工通道及施工生活區(qū)過道，其余三側(cè)已被圍擋封閉，基坑外圍無合適現(xiàn)狀房頂可以布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，基坑開挖深度約14.7 m。

首先采用傳統(tǒng)閉合導(dǎo)線方法建立監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)，在道路東側(cè)埋設(shè)2個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)B1、B2，在基坑周邊布設(shè)2個(gè)工作基點(diǎn)J1、J2，由基準(zhǔn)點(diǎn)與工作基點(diǎn)建立閉合導(dǎo)線控制網(wǎng)，隨著基坑的開挖，需要對(duì)工作基點(diǎn)J1、J2的坐標(biāo)進(jìn)行復(fù)測(cè)，這是一項(xiàng)很復(fù)雜的工作。由于城市主干道人車流量較大，工作基點(diǎn)的復(fù)測(cè)工作易受到影響，測(cè)量工作效率不高。

采用本文提出的新方法，在基坑?xùn)|側(cè)商業(yè)樓側(cè)面安裝2個(gè)棱鏡，作為基準(zhǔn)點(diǎn)G1、G2，如圖2所示。在深基坑開挖前，不妨假設(shè)工作基點(diǎn)J2為原點(diǎn)，J1為北方向，利用徠卡全站儀，測(cè)角精度1″，測(cè)距標(biāo)稱精度為(1.0+1×10-6×D)mm。分別在工作基點(diǎn)J1、J2上架設(shè)全站儀，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)G1、G2進(jìn)行邊角測(cè)量，然后進(jìn)行平差計(jì)算，解算出基準(zhǔn)點(diǎn)G1、G2的坐標(biāo)。

圖2 工程實(shí)例

在基坑開挖及使用過程中，在工作基點(diǎn)J1上架設(shè)全站儀，J1G1的觀測(cè)距離為97.551 8 m，J1G2的觀測(cè)距離為153.859 9 m，即測(cè)距中誤差分別為1.09 mm、1.15 mm?？紤]到監(jiān)測(cè)過程有觀測(cè)誤差、儀器誤差、外界環(huán)境影響等因素，根據(jù)觀測(cè)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)及現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)人員熟練程度，參考實(shí)際經(jīng)驗(yàn)取測(cè)站與基準(zhǔn)點(diǎn)距離變化閾值為2 mm。當(dāng)測(cè)站與基準(zhǔn)點(diǎn)距離變化量不超過2 mm時(shí)，相對(duì)于基坑變形位移精度可忽略不計(jì)，工作基點(diǎn)采用上次原坐標(biāo)值；當(dāng)測(cè)站與基準(zhǔn)點(diǎn)距離變化量超過2 mm時(shí)，重新計(jì)算工作基點(diǎn)坐標(biāo)，工作基點(diǎn)采用新坐標(biāo)值。

在整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，工作基點(diǎn)J1點(diǎn)累計(jì)距離變化量達(dá)到17mm，進(jìn)行了4次坐標(biāo)修正，其余觀測(cè)次數(shù)工作基點(diǎn)坐標(biāo)與上次保持不變，工作效率得到較大提高。每次工作基點(diǎn)的復(fù)測(cè)，又能將未復(fù)測(cè)工作基點(diǎn)時(shí)所丟失的變形量改正過來，從而保證了整個(gè)監(jiān)測(cè)過程的數(shù)據(jù)質(zhì)量。隨著基坑北側(cè)地下室施工的完成，工作基點(diǎn)J1出現(xiàn)了遮擋，這時(shí)選取備用工作基點(diǎn)J2對(duì)南側(cè)剩余監(jiān)測(cè)點(diǎn)的進(jìn)行監(jiān)測(cè)，保證了整個(gè)觀測(cè)過程基準(zhǔn)的統(tǒng)一，順利地完成了后續(xù)監(jiān)測(cè)工作。

4 結(jié) 論

本文以邊角交會(huì)測(cè)量建立平面控制網(wǎng)，在結(jié)合全站儀自由設(shè)站方法的基礎(chǔ)上。通過設(shè)置距離變化閾值方法，檢測(cè)工作基點(diǎn)的穩(wěn)定性，進(jìn)一步減少了內(nèi)外業(yè)工作量。因自由設(shè)站法不用建設(shè)固定觀測(cè)墩，不僅節(jié)約了經(jīng)費(fèi)，也提高了測(cè)量工作效率。在實(shí)際工程中，方案設(shè)計(jì)時(shí)需要進(jìn)行精度估算，確定使用何種精度的全站儀，測(cè)幾個(gè)測(cè)回等。