高精度全站儀在城市建筑基坑變形監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

范兵，李改，易小江，周應(yīng)權(quán)，馮嘉林

（1重慶市江南新城開(kāi)發(fā)建設(shè)（集團(tuán)）有限公司，重慶 401336；2重慶市建筑科學(xué)研究院有限公司，重慶 400016）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的推進(jìn)，各種新型、大型建筑物不斷涌現(xiàn)，建筑基坑開(kāi)挖的深度越來(lái)越大，規(guī)模越來(lái)越復(fù)雜。為了確保支護(hù)結(jié)構(gòu)和相鄰建筑的安全，在施工過(guò)程中要對(duì)基坑的變形情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，從而保證施工過(guò)程中支護(hù)結(jié)構(gòu)及相鄰建筑物的安全、穩(wěn)定[1-3]。

基坑變形監(jiān)測(cè)主要包括水平位移監(jiān)測(cè)和豎向位移監(jiān)測(cè)?；铀轿灰票O(jiān)測(cè)包括測(cè)定特定方向上的水平位移，常用方法有視準(zhǔn)線活動(dòng)覘牌法、視準(zhǔn)線測(cè)小角法、激光準(zhǔn)直法等。這些方法的特點(diǎn)是使用經(jīng)緯儀即可進(jìn)行觀測(cè)，以基坑附近有穩(wěn)定的基準(zhǔn)點(diǎn)為基礎(chǔ)，并保證在監(jiān)測(cè)點(diǎn)通視的條件下才能實(shí)施[4]。同時(shí)，不同邊在水平位移觀測(cè)時(shí)需分別設(shè)站，觀測(cè)時(shí)間較長(zhǎng)，對(duì)于復(fù)雜的監(jiān)測(cè)環(huán)境不太適用?；迂Q向位移監(jiān)測(cè)的傳統(tǒng)方法主要以幾何水準(zhǔn)測(cè)量為主，其測(cè)量精度高，數(shù)據(jù)可靠，能夠有效反應(yīng)基坑的豎向變形。其缺點(diǎn)在于高程傳遞受地形環(huán)境影響因素較大，監(jiān)測(cè)耗時(shí)較長(zhǎng)，在某些特殊基坑或基坑較深時(shí)無(wú)法有效實(shí)施。

相較于上述監(jiān)測(cè)方法，采用全站儀坐標(biāo)法進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)、三角高程測(cè)量法進(jìn)行豎向位移監(jiān)測(cè)都比較簡(jiǎn)便，對(duì)于各種形狀、各種類(lèi)型的基坑通過(guò)一站式監(jiān)測(cè)幾乎都能輕易獲取監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，通過(guò)計(jì)算兩次坐標(biāo)的變化量即可確定位移量[5]。但是由于普通全站儀的標(biāo)稱(chēng)精度較低，其位移觀測(cè)精度（特別是豎向位移精度）不能滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范要求，從而導(dǎo)致全站儀法難以在基坑變形監(jiān)測(cè)中得到很好的應(yīng)用。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，高精度全站儀得以出現(xiàn)。目前，現(xiàn)有的高精度全站儀測(cè)角標(biāo)稱(chēng)精度為0.5″，測(cè)距標(biāo)稱(chēng)精度為0.6mm+1ppm，保證其測(cè)量精度能夠達(dá)到相應(yīng)規(guī)范要求。新版《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》（GB 50497—2019）[6]已將全站儀坐標(biāo)法和三角高程測(cè)量法作為基坑水平位移和豎向位移的常規(guī)監(jiān)測(cè)方法。這表明，當(dāng)全站儀精度得到保證時(shí)，采用全站儀進(jìn)行基坑位移監(jiān)測(cè)是可行且有效的。

1 全站儀水平位移坐標(biāo)點(diǎn)位精度分析

全站儀監(jiān)測(cè)基坑水平位移的方法稱(chēng)之為全站儀坐標(biāo)法，包括極坐標(biāo)法和以極坐標(biāo)法為基礎(chǔ)的自由設(shè)站法。它通過(guò)直接測(cè)定基坑位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，計(jì)算前后兩次坐標(biāo)的變化量即可確定位移量。由于測(cè)量坐標(biāo)的精度受到距離測(cè)量精度和角度測(cè)量精度的雙重影響，不太容易估算，現(xiàn)根據(jù)測(cè)量誤差的理論知識(shí)，對(duì)全站儀坐標(biāo)法的精度進(jìn)行分析。

全站儀坐標(biāo)法測(cè)量精度的影響因素主要來(lái)自于觀測(cè)誤差、全站儀對(duì)中誤差、監(jiān)測(cè)點(diǎn)棱鏡偏心誤差。觀測(cè)誤差由測(cè)距中誤差和測(cè)角中誤差構(gòu)成。其中，測(cè)角中誤差又由水平角和豎直角構(gòu)成。觀測(cè)誤差由全站儀設(shè)備本身的標(biāo)稱(chēng)精度所決定。由于高精度全站儀自身的標(biāo)稱(chēng)精度較高，其觀測(cè)誤差可以得到有效控制。全站儀對(duì)中誤差和監(jiān)測(cè)點(diǎn)偏心誤差是指當(dāng)全站儀或棱鏡采用三腳架對(duì)中時(shí)產(chǎn)生的誤差，一般來(lái)講，其誤差不宜超過(guò)±0.5mm。而當(dāng)全站儀或者棱鏡采用具有強(qiáng)制對(duì)中裝置的觀測(cè)墩或者棱鏡臺(tái)時(shí)，其對(duì)中誤差和偏心誤差很小，幾乎可忽略不計(jì)。

由于觀測(cè)誤差、儀器對(duì)中誤差、偏心誤差是相互獨(dú)立的，根據(jù)誤差傳播定律，可得到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的點(diǎn)位中誤差為：

以瑞士萊卡TS60高精度全站儀為例，對(duì)不同觀測(cè)距離位移觀測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)精度進(jìn)行分析。一般來(lái)講，基坑變形觀測(cè)點(diǎn)位移分布在基坑頂部，且位于同一水平面上，儀器觀測(cè)時(shí)的豎直角較小，因此將豎直角設(shè)置為0。TS60高精度全站儀測(cè)距標(biāo)稱(chēng)精度為0.6mm+1ppm，測(cè)角標(biāo)稱(chēng)精度為0.5″，儀器對(duì)中誤差和偏心誤差均以±0.8mm來(lái)考慮。根據(jù)式（1）、式（2），得到該全站儀在不同測(cè)距時(shí)一個(gè)測(cè)回的測(cè)點(diǎn)中誤差，如表1所示。

《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)》將基坑水平位移監(jiān)測(cè)精度按照水平位移預(yù)警值分為4級(jí)，結(jié)合基坑安全等級(jí)可知，一二級(jí)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)中誤差要求為±1.5mm，三級(jí)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)中誤差要求為±2.0mm。由表1可知，隨著測(cè)距增大，全站儀測(cè)量精度逐步降低，且采用強(qiáng)制對(duì)中方式具有相對(duì)良好的測(cè)量效果?？紤]到基坑監(jiān)測(cè)中測(cè)站點(diǎn)到監(jiān)測(cè)點(diǎn)的距離一般不大于300m，高精度全站儀采用強(qiáng)制對(duì)中方式一測(cè)回即可滿(mǎn)足一二級(jí)基坑的監(jiān)測(cè)精度要求，如采用光學(xué)對(duì)中方式，則需要結(jié)合基坑地形情況和基坑安全等級(jí)適當(dāng)增加測(cè)回，以保證測(cè)量精度滿(mǎn)足規(guī)范要求。

2 全站儀豎向位移高差監(jiān)測(cè)精度分析

全站儀監(jiān)測(cè)基坑豎向位移的方法稱(chēng)之為三角高程測(cè)量法。幾何水準(zhǔn)測(cè)量法作為傳統(tǒng)的高程測(cè)量方法，其儀器、技術(shù)成熟，測(cè)量精度容易保證，但受基坑地形環(huán)境影響，有時(shí)不便于進(jìn)行監(jiān)測(cè)。全站儀三角高程測(cè)量法測(cè)量豎向位移相對(duì)簡(jiǎn)便，能夠適應(yīng)各種地形環(huán)境的基坑，當(dāng)其測(cè)量精度得到保證時(shí)，可作為基坑豎向位移監(jiān)測(cè)的有效方法?，F(xiàn)對(duì)全站儀三角高程測(cè)量法的精度進(jìn)行分析。

全站儀三角高程測(cè)量精度的影響因素主要來(lái)自于觀測(cè)誤差、測(cè)量?jī)x器高和棱鏡高的誤差、大氣折光誤差和地球曲率誤差。觀測(cè)中誤差由測(cè)距中誤差和豎直角中誤差構(gòu)成，由全站儀設(shè)備自身的精度決定。高精度全站儀的標(biāo)稱(chēng)精度如上文所示。大氣折光系數(shù)中誤差與氣壓、溫度梯度有關(guān)。根據(jù)王坤昂等人[7]的研究成果可知，測(cè)距在300m以?xún)?nèi)，大氣折光系數(shù)中誤差較小，一般應(yīng)小于等于0.063mm。同樣，由于觀測(cè)誤差、測(cè)量?jī)x器高和棱鏡高的誤差，大氣折光誤差和地球曲率誤差均是相互獨(dú)立的，根據(jù)誤差傳播定律可得到高差中誤差為：

同樣，以瑞士萊卡TS60高精度全站儀為例，對(duì)不同豎直角、不同觀測(cè)距離時(shí)觀測(cè)點(diǎn)的高程精度進(jìn)行分析。TS60高精度全站儀測(cè)距標(biāo)稱(chēng)精度為0.6mm+1ppm，測(cè)角標(biāo)稱(chēng)精度為0.5″。大氣折光系數(shù)中誤差取±0.05mm，地球平均曲率半徑為6371km。測(cè)量?jī)x器高和棱鏡高的誤差取值為±0.55mm。根據(jù)式（3）—式（5），得到此高精度全站儀在不同測(cè)距、不同豎直角時(shí)一個(gè)測(cè)回的高差中誤差，如表2所示。

表2 高精度全站儀監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差中誤差

《規(guī)范》將基坑豎向位移監(jiān)測(cè)精度按照豎向位移預(yù)警值分為4級(jí)，結(jié)合基坑安全等級(jí)可知，一二級(jí)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差中誤差要求為±0.5mm，三級(jí)基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)高差中誤差要求為±1.0mm。由表2可知，隨著測(cè)距增大，豎直角增大，全站儀測(cè)量精度逐步降低，且采用強(qiáng)制對(duì)中方式，具有相對(duì)良好的測(cè)量效果。當(dāng)采用強(qiáng)制對(duì)中方式時(shí)，豎直角需在20°以?xún)?nèi)，測(cè)距小于200m，一測(cè)回的豎向位移精度能夠滿(mǎn)足相應(yīng)規(guī)范要求，否則應(yīng)增加測(cè)回?cái)?shù)量，以提高測(cè)量精度。采用光學(xué)對(duì)中方式對(duì)安全等級(jí)為一二級(jí)的基坑進(jìn)行測(cè)量時(shí)，必須進(jìn)行多測(cè)回監(jiān)測(cè)，以保證測(cè)量結(jié)果的有效性。

3 應(yīng)用實(shí)例

重慶市南岸區(qū)某建筑基坑項(xiàng)目，擬建場(chǎng)地原為構(gòu)造剝蝕淺丘地貌，現(xiàn)場(chǎng)地已經(jīng)過(guò)場(chǎng)平工作。地形平緩，地形坡角5°～8°。場(chǎng)地最高標(biāo)高約284.00m，最低標(biāo)高約279.00m，高差5m。根據(jù)建筑總平面圖及設(shè)計(jì)平場(chǎng)標(biāo)高，基坑開(kāi)挖后最大土質(zhì)邊坡高度約9.8m，環(huán)長(zhǎng)約426m。其中AB段邊坡中風(fēng)化基巖采用1∶0.35放坡+噴射混凝土護(hù)坡，強(qiáng)風(fēng)化基巖及土層采用1∶1.25放坡+噴射混凝土護(hù)坡；BF段和FG段邊坡采用1∶1.25放坡+噴射混凝土護(hù)坡；GA邊坡采用1∶0.25放坡+錨桿+肋板式擋墻支護(hù)；進(jìn)出基坑臨時(shí)通道以上邊坡全采用1∶1.25放坡+噴射混凝土護(hù)坡?；庸こ贪踩燃?jí)為一級(jí)。結(jié)合規(guī)范和實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，針對(duì)該項(xiàng)目，將預(yù)警值作以下設(shè)置：基坑支護(hù)頂部水平位移累計(jì)值報(bào)警值為40mm，變化速率報(bào)警值為3mm/d?；又ёo(hù)頂部豎向位移累計(jì)值報(bào)警值為30mm，變化速率報(bào)警值為2mm/d。

采用瑞士萊卡TS60高精度全站儀對(duì)該基坑進(jìn)行水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)。水平位移監(jiān)測(cè)方法為全站儀坐標(biāo)法，豎向位移監(jiān)測(cè)方法為三角高程測(cè)量法。觀測(cè)點(diǎn)和控制點(diǎn)均采用特定的觀測(cè)標(biāo)志，且觀測(cè)標(biāo)志均進(jìn)行強(qiáng)制對(duì)中，以消除對(duì)中、偏心、儀高等誤差。由于該項(xiàng)目最大測(cè)距不超過(guò)200m，根據(jù)上述水平位移和豎向位移精度分析可知，當(dāng)采用高精度全站儀強(qiáng)制對(duì)中方式時(shí)，其水平位移和豎向位移的測(cè)量精度滿(mǎn)足一級(jí)基坑的監(jiān)測(cè)精度要求。

通過(guò)該基坑項(xiàng)目38期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析可知，基坑頂部26個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X方向累計(jì)水平位移值在-12.6～0.2mm之間，Y方向累計(jì)水平位移值在-13.7～0.4mm之間，均未超過(guò)報(bào)警值40mm。基坑頂部26個(gè)位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)的累計(jì)豎向位移值在-0.1～-7.4mm之間，均未超過(guò)報(bào)警值30mm。

通過(guò)上述分析可知，利用高精度全站儀，采用全站儀坐標(biāo)法和三角高程測(cè)量法直接一站式測(cè)定基坑頂部水平位移和豎向位移，能夠滿(mǎn)足一二級(jí)基坑的監(jiān)測(cè)精度要求，達(dá)到期望的基坑安全監(jiān)測(cè)效果。

4 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)高精度全站儀水平位移和豎向位移進(jìn)行精度分析，并結(jié)合工程應(yīng)用實(shí)例，發(fā)現(xiàn)采用高精度全站儀對(duì)城市基坑進(jìn)行一站式水平位移和豎向位移監(jiān)測(cè)是可行且有效的。采用強(qiáng)制對(duì)中方式進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)能夠有效提高監(jiān)測(cè)精度，但是需要注意的是，當(dāng)采用光學(xué)對(duì)中方式時(shí)，則要進(jìn)行多測(cè)回測(cè)量。測(cè)量豎向位移時(shí)，應(yīng)盡量采用強(qiáng)制對(duì)中方式，且豎直角和測(cè)距不宜過(guò)大，以保證監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的有效性。