Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀在基坑監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用分析

崔明軍，劉平利

（ 1.河南省有色金屬地質(zhì)礦產(chǎn)局第七地質(zhì)大隊(duì)，河南 鄭州 450001；2.河南省地質(zhì)調(diào)查院 河南省城市地質(zhì)工程技術(shù)研究中心，河南 鄭州 450001）

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，各城市工程項(xiàng)目不斷增加，作業(yè)難度也不斷增大，建筑物高度越來(lái)越高，城市立體化發(fā)展工程越來(lái)越多，這就要求廣大測(cè)繪工作者提供更加優(yōu)質(zhì)、高效的測(cè)繪保障。電子水準(zhǔn)儀具有精度高、使用方便、快速可靠等特點(diǎn)，可廣泛應(yīng)用于大面積場(chǎng)地測(cè)量、樓面水平線標(biāo)志測(cè)量、形變與沉降觀測(cè)等領(lǐng)域。本文根據(jù)Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀的特點(diǎn)，總結(jié)了工作中的經(jīng)驗(yàn)，以期為后續(xù)工作提供有益參考。

1 Trimble DiNi03水準(zhǔn)儀簡(jiǎn)介和工作原理

1.1 Trimble DiNi03水準(zhǔn)儀簡(jiǎn)介

Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀是已經(jīng)過(guò)外業(yè)驗(yàn)證的高精度水平測(cè)量?jī)x器。其性能卓越、操作方便，使水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)入了數(shù)字化時(shí)代，極大地提高了生產(chǎn)效率；已被廣泛應(yīng)用于工程測(cè)量、結(jié)構(gòu)沉降觀測(cè)以及高精度的水準(zhǔn)網(wǎng)觀測(cè)中，且可提供精確可靠的數(shù)據(jù)和美觀的原始數(shù)據(jù)格式。

1.2 Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀的工作原理

Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀內(nèi)部采用數(shù)字圖像處理技術(shù)，與照相機(jī)類似，首先拍攝銦瓦鋼尺上的條碼影像，并通過(guò)分光鏡分成兩束，一束傳到分劃板上供人觀測(cè)，另一束傳到CCD上[1]；然后在內(nèi)部通過(guò)光敏二極管感應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，電信號(hào)再通過(guò)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸出為數(shù)字信號(hào)；最后在主板的控制下，將拍攝的條碼信息與內(nèi)存中水準(zhǔn)尺的條碼信息進(jìn)行比較和計(jì)算[2]，處理后的信號(hào)一路存入PC卡，另一路輸出到液晶顯示器，從而完成整個(gè)測(cè)量過(guò)程。工作原理如圖1所示。Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀采用了目前先進(jìn)的相關(guān)法量算系統(tǒng)，利用中絲上下兩邊各15 cm的間距計(jì)算視距和視線高。測(cè)量時(shí)，作業(yè)員將電子水準(zhǔn)儀大概整平，對(duì)準(zhǔn)銦瓦鋼尺條形碼，調(diào)節(jié)微動(dòng)螺旋使視線水平，調(diào)焦望遠(yuǎn)鏡清晰看到條形碼，按下測(cè)量鍵就會(huì)在顯示器上顯示距離和高差。每站觀測(cè)數(shù)據(jù)被自動(dòng)記錄在自帶的內(nèi)存卡上，并根據(jù)設(shè)置好的限差自動(dòng)檢校，觀測(cè)時(shí)地球彎曲差和大氣垂直折光差可設(shè)置為自動(dòng)改正。

圖1 Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀工作原理圖

1.3 Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀的優(yōu)勢(shì)

1）讀數(shù)客觀。該儀器不存在誤讀、誤記問(wèn)題，可保存測(cè)量數(shù)據(jù)R-M格式，也可既保存測(cè)量數(shù)據(jù)又保存計(jì)算數(shù)據(jù)RMC格式。

2）精度高。該儀器往返觀測(cè)每km的精度可達(dá) 0.3 mm。測(cè)量時(shí)距離和高差都進(jìn)行了多次讀數(shù)取平均，減弱了銦瓦鋼尺分劃誤差的影響，同時(shí)削弱了外界條件的影響，使不熟悉測(cè)量專業(yè)的作業(yè)人員也能進(jìn)行高精度水準(zhǔn)測(cè)量。

3）可自動(dòng)進(jìn)行地球曲率和氣象改正。該儀器的補(bǔ)償精度在 15″，若超過(guò)傾斜范圍，則會(huì)出現(xiàn)警告信息，屏幕上的氣泡顯示不居中。

4）速度快。外業(yè)測(cè)量時(shí)，儀器整平后望遠(yuǎn)鏡對(duì)準(zhǔn)前后條碼尺自動(dòng)進(jìn)行記錄、檢校，無(wú)需觀測(cè)員再報(bào)數(shù)、記數(shù)和計(jì)算，可節(jié)省一個(gè)人員。該儀器既節(jié)省了現(xiàn)場(chǎng)計(jì)算的時(shí)間，又避免了人為的聽(tīng)錯(cuò)記錯(cuò)數(shù)據(jù)，提高了外業(yè)觀測(cè)和搬站的速度[3]。

5）效率高。每個(gè)測(cè)站都能根據(jù)水準(zhǔn)路線等級(jí)限差，設(shè)置自動(dòng)提醒前后視距差是否超限、測(cè)站兩次讀數(shù)高差之差是否超限、前后視距累積差是否超限等，外業(yè)只需整平，調(diào)焦成像清晰后按下測(cè)量鍵，儀器即可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)記錄、檢核與處理，實(shí)現(xiàn)了內(nèi)外業(yè)一體化，減輕了勞動(dòng)強(qiáng)度。

6）操作方便。該儀器的主界面是寬大的圖形化液晶顯示屏，可方便輸入線路名、點(diǎn)名、點(diǎn)號(hào)以及代號(hào)信息等，操作方便、容易、直觀。

2 實(shí)例應(yīng)用

東方國(guó)際項(xiàng)目位于鄭州市新區(qū)，西側(cè)為規(guī)劃道路新怡路，道路寬約為20 m，基坑邊到新怡路的距離為19.0 m，無(wú)重要監(jiān)測(cè)對(duì)象；東側(cè)、南側(cè)為空曠場(chǎng)地；北側(cè)為規(guī)劃道路站西二路，道路寬為8.5 m，基坑邊到站西二路的距離為13 m，無(wú)重要監(jiān)測(cè)對(duì)象。該地塊為商業(yè)綜合體項(xiàng)目，開(kāi)發(fā)總面積約為15 131 m2，包括 11 898 m2的商業(yè)和辦公空間；分為地下3層，基坑開(kāi)挖面積約為12 748 m2，基坑圍護(hù)周長(zhǎng)約為484 m，挖深為11.0～13.0 m；地塊四周采用土釘+錨桿復(fù)合圍護(hù)，建設(shè)單位要求按一級(jí)基坑監(jiān)測(cè)。

為了保證監(jiān)測(cè)工作的統(tǒng)一性，監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)基準(zhǔn)點(diǎn)由甲方提供，以保持與設(shè)計(jì)階段成果的連續(xù)性。在基坑深度3倍范圍以外的區(qū)域設(shè)置3個(gè)水準(zhǔn)基點(diǎn)，分別為大都路BM1、BM2以及北部BM3。

墻頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置在圍護(hù)墻體的冠梁上，并接近一條直線，布點(diǎn)間距為20 m，基坑陽(yáng)角處也有布點(diǎn)，墻頂 布置10個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。標(biāo)志采用￠14螺紋鋼置入冠梁， 露出地面10 mm并套絲，觀測(cè)時(shí)安裝棱鏡。圍護(hù)墻上每下降約6 m布設(shè)一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每個(gè)斷面布設(shè)兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共布設(shè)2個(gè)斷面、12個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，具體基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)和水準(zhǔn)點(diǎn)位置如圖2所示。

圖2 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖

項(xiàng)目采用二等水準(zhǔn)觀測(cè)方法進(jìn)行墻頂垂直位移監(jiān)測(cè)，以保證各項(xiàng)限差符合國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量中關(guān)于數(shù)字水準(zhǔn)儀的限差要求[4]。具體限差指標(biāo)如表1所示。

表1 高程控制主要技術(shù)指標(biāo)/mm

水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)數(shù)量應(yīng)不少于3個(gè)，為避免受施工影響，水準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在基坑開(kāi)挖深度3倍范圍以外的區(qū)域[5]。項(xiàng)目共布設(shè)3個(gè)水準(zhǔn)、平面共用基準(zhǔn)點(diǎn)，采用深埋式，標(biāo)石形制如圖3所示，頂部釘帽上刻有細(xì)十字標(biāo)志。具體位置為大都路BM1、BM2以及北部BM3。以二等水準(zhǔn)等級(jí)觀測(cè)，采用直接閉合水準(zhǔn)路線法測(cè)設(shè)，采用Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀配合2M銦瓦鋼尺水準(zhǔn)尺，基準(zhǔn)點(diǎn)高程采用甲方提供的施工高程引至BM1點(diǎn)，再由BM1點(diǎn)采用閉合水準(zhǔn)測(cè)量法引至BM2、BM3點(diǎn)。結(jié)果表明，測(cè)量閉合誤差均小于2 mm。觀測(cè)時(shí)要求視距≤50 m，前后視距差≤1 m，任一測(cè)站上前后視距累積差≤3 m，0.55 m≤視線高≤1.80 m，重復(fù)觀測(cè)次數(shù)≥2次。確認(rèn)觀測(cè)數(shù)據(jù)符合各項(xiàng)要求后，加入水準(zhǔn)標(biāo)尺長(zhǎng)度改正、重力異常改正、環(huán)閉合差改正，由兩人分別獨(dú)立計(jì)算一份，并核對(duì)無(wú)誤。

圖3 監(jiān)測(cè)基準(zhǔn)點(diǎn)剖面圖

墻頂垂直位移根據(jù)二等水準(zhǔn)技術(shù)要求觀測(cè)，構(gòu)成閉合路線。墻體垂直位移采用全站儀一測(cè)回，同一點(diǎn) 本次高程減去上次高程，即為本次該點(diǎn)的沉降量； 本次高程減去初始值高程，即為本次該點(diǎn)的累積沉降量（或本次沉降量加上上次的累積量）。

研究區(qū)硅質(zhì)巖的化學(xué)成分以SiO2為主，含量為70.02×10-2～93.72×10-2，平均為82.12×10-2，其次為TFe2O3、Al2O3和MgO，含量分別為2.53×10-2～6.89×10-2、1.50×10-2～7.81×10-2和0.30×10-2～5.14×10-2，其余成分含量均很低(表2)。

式中，dhi為本次沉降量；Hi為本次高程；Hi-1為上次高程；Dhi為本次累積沉降量；H為初始值高程；Dhi-1為上次累積沉降量。

項(xiàng)目共布設(shè)4個(gè)水準(zhǔn)、平面共用基準(zhǔn)點(diǎn)（BM1、BM2、BM3、BM4），22個(gè)基坑圍護(hù)墻頂水平位移和垂直位移觀測(cè)點(diǎn)（W1、W2、…、W22），采用半球形不銹鋼螺釘嵌入水泥地面，BM點(diǎn)為普通水準(zhǔn)標(biāo)石埋入地下1 m?；鶞?zhǔn)點(diǎn)高程采用甲方提供的施工高程引至BM1點(diǎn)，再由BM1點(diǎn)采用閉合水準(zhǔn)測(cè)量法引至BM2、BM3、BM4點(diǎn)。這4個(gè)點(diǎn)組成閉合水準(zhǔn)路線，由BM1點(diǎn)開(kāi)始沿同一路線進(jìn)行往返測(cè)，由于閉合水準(zhǔn)路線起點(diǎn)和終點(diǎn)為同一個(gè)點(diǎn)，因此閉合水準(zhǔn)路線測(cè)得的各段高差總和理論上應(yīng)等于零。經(jīng)觀測(cè)，閉合差為0.11 mm，滿足規(guī)范要求。

每次監(jiān)測(cè)以BM1為起算點(diǎn)，聯(lián)測(cè)其余3個(gè)點(diǎn)以檢查基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。觀測(cè)順序按照國(guó)家二等水準(zhǔn)測(cè)量中數(shù)字水準(zhǔn)儀的觀測(cè)要求進(jìn)行，測(cè)段觀測(cè)站數(shù)為偶數(shù)站，返測(cè)時(shí)，前視尺子與后視尺子交換一下。

各沉降測(cè)點(diǎn)最終變化均以向下為主，范圍為0～ -183 mm。各點(diǎn)沉降量隨開(kāi)挖深度的增加而逐漸變大。在整個(gè)監(jiān)測(cè)過(guò)程中，個(gè)別點(diǎn)出現(xiàn)了上下波動(dòng)的現(xiàn)象，有些點(diǎn)已超出報(bào)警值，其中W7附近在底板形成前，該處正值道路施工，有強(qiáng)烈震動(dòng)源，導(dǎo)致連續(xù)3 d出現(xiàn)報(bào)警值。由于及時(shí)向甲方和工程部監(jiān)理報(bào)告，采取了卸載本區(qū)域土體的措施，因此避免了塌方事故的發(fā)生。W7點(diǎn)的具體變化值和變化趨勢(shì)如圖4所示。

圖4 W7監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直位移曲線圖

3 儀器使用時(shí)的注意事項(xiàng)

1）I角值檢驗(yàn)。作業(yè)第一周要每天檢驗(yàn)一次 I角，特別是新儀器或在氣溫變化較大時(shí)必須進(jìn)行校正。 I角穩(wěn)定后，每隔15 d再檢驗(yàn)一次，這是由于Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀具有儲(chǔ)存測(cè)定視準(zhǔn)線誤差并通過(guò)自帶軟件進(jìn)行改正的功能，這將大大提高成果的可靠性和精度。

2）安置儀器時(shí)盡量將腳架架得寬一些，以增加儀器的穩(wěn)定性。若周圍障礙物多不允許腳架架得很寬，則可降低腳架高度以增加穩(wěn)定性。將儀器放在腳架盤(pán)中間位置并擰緊，腳架的螺旋應(yīng)在中心位置。

3）由于儀器需要時(shí)間進(jìn)行溫度修正，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，為達(dá)到高精度測(cè)量要求，溫度修正應(yīng)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)調(diào)節(jié)到新的溫度，避免強(qiáng)光照射。

5）檢查視差。移動(dòng)目鏡時(shí)，應(yīng)保證目標(biāo)點(diǎn)和十字絲沒(méi)有移動(dòng)，若移動(dòng)則必須重新對(duì)焦。例如，在視距為40 m時(shí)，觀測(cè)讀數(shù)與標(biāo)準(zhǔn)讀數(shù)的最大差值達(dá)到了 0.65 mm；在視距為30 m時(shí)，最大差值達(dá)到了0.4 mm， 這充分說(shuō)明了調(diào)焦的準(zhǔn)確性對(duì)讀數(shù)有明顯影響，且視距越大、調(diào)焦誤差越大，所產(chǎn)生的測(cè)量誤差可能越大。

6）在一般情況下，陰影干擾對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響不大，但當(dāng)陰影的灰度與標(biāo)尺上條碼灰度相近時(shí)，特別是干涉條紋和編碼尺條碼的灰度相近時(shí)，儀器會(huì)自動(dòng)中止測(cè)量，并提示“測(cè)量錯(cuò)誤”。因此，在實(shí)際工作中，應(yīng)盡量避免條紋狀陰影投射到標(biāo)尺上。

7）儀器糾正能力差，當(dāng)作業(yè)地面震動(dòng)時(shí)，雖然可以測(cè)量（如基坑中空壓機(jī)工作、鉆機(jī)工作時(shí)），但特別容易造成測(cè)站數(shù)據(jù)超限，因此觀測(cè)時(shí)最好避開(kāi)強(qiáng)震動(dòng)。

8）儀器不能限制同一尺上的兩次中絲讀數(shù)差，即光學(xué)水準(zhǔn)儀中的基輔分化讀數(shù)差，因此將數(shù)據(jù)傳輸?shù)诫娔X上轉(zhuǎn)化為規(guī)范規(guī)定的一、二等水準(zhǔn)測(cè)量野外記錄手薄格式時(shí)應(yīng)注意檢查這一項(xiàng)。

9）Trimle DiNi03水準(zhǔn)儀自帶嚴(yán)密的平差功能，對(duì)于一條水準(zhǔn)路線（或一個(gè)閉合環(huán)），平差方法主要是按距離定權(quán)分配閉合差，平差后的數(shù)據(jù)將覆蓋原來(lái)的數(shù)據(jù)并保存在PC卡上，因此在需要儀器自帶軟件平差時(shí)，應(yīng)先把測(cè)量的原始數(shù)據(jù)傳輸出來(lái)備份一份。

10）電子水準(zhǔn)儀雖然會(huì)自動(dòng)記錄觀測(cè)數(shù)據(jù)，但一些其他的觀測(cè)條件數(shù)據(jù)也是必須記錄的，因此觀測(cè)員需要準(zhǔn)備一個(gè)本子，外業(yè)測(cè)量時(shí)隨時(shí)記錄觀測(cè)的日期、開(kāi)始時(shí)間、天氣情況、儀器型號(hào)以及前后尺的編號(hào)；測(cè)段名、開(kāi)始點(diǎn)、結(jié)束點(diǎn)、對(duì)應(yīng)的儀器內(nèi)的作業(yè)文件名；測(cè)量過(guò)程中發(fā)生的特殊情況以及處理辦法。記錄時(shí)應(yīng)清晰、整潔，最好一頁(yè)只記一個(gè)測(cè)段。