高層寫字樓深基坑監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用研究

孫選科 王海榮 賈兆琰

（中建新疆建工（集團(tuán)）有限公司西北分公司，陜西 西安 710000）

1 概述

隨著城市規(guī)模的擴(kuò)大和建筑水平的提高，高層建筑越來越多。在高層建筑建設(shè)中，深基坑工程將伴隨整個(gè)土方開挖和地下部分施工，直至回填完成。在人口密集、建筑物林立的城市中，只有對基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)地變形觀測，才能保證基坑施工的安全，并保證項(xiàng)目臨建與周邊設(shè)施、建筑的安全。

2 高層寫字樓深基坑施工難點(diǎn)及解決方法

2.1 開挖深度深，易受周邊建筑物影響

由于基坑開挖深度深、城市建筑物較多，因此，基坑周邊容易產(chǎn)生沉降和形變。大部分高層寫字樓實(shí)際可用場地狹小、基坑面積占比大、基坑深度深，導(dǎo)致基坑容易產(chǎn)生沉降和形變。應(yīng)加強(qiáng)對基坑及其周邊建筑物的基坑監(jiān)測頻率，只有對基坑進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測，才能保證基坑的沉降與位移在可控范圍內(nèi)，避免發(fā)生安全事故。

2.2 受天氣因素的影響

由于基坑作業(yè)方式為露天開挖，因此，在雨雪季節(jié)時(shí)，大量降水容易破壞基坑結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致土壤的黏結(jié)能力下降，造成基坑沉降、位移，嚴(yán)重的可能發(fā)生滑坡等問題，而且雨水還會(huì)堆積在基坑內(nèi)，給土方開挖帶來麻煩。遇雨雪時(shí)，應(yīng)加強(qiáng)排水措施，在基坑底部修建排水溝，保證基坑內(nèi)無積水。同時(shí)，土方開挖應(yīng)在地面干燥的情況下進(jìn)行，防止因土壤潮濕造成土方開挖時(shí)塌陷。

2.3 受現(xiàn)場條件限制，監(jiān)測工作難以開展

高層深基坑場地狹小，基坑周邊可能存在大量物料堆積與周邊大型機(jī)械行駛、運(yùn)輸、吊裝作業(yè)等情況，加大了基坑周邊的荷載。同時(shí)，由于基坑周圍作業(yè)頻繁，可能存在監(jiān)測點(diǎn)被干擾的情況。因此，應(yīng)把監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)在不易干擾的地方，如基坑冠梁內(nèi)側(cè)，在不通視的情況下新增設(shè)控制點(diǎn)，以保證基坑監(jiān)測的準(zhǔn)確性。

3 深基坑監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用分析

由于深基坑監(jiān)測工作的重要性，現(xiàn)場施工人員在整個(gè)土方開挖階段和地下部分施工階段都會(huì)對基坑進(jìn)行變形觀測，并根據(jù)觀測誤差情況和工程的實(shí)際情況進(jìn)行控制，主要變形監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用如下：

3.1 水準(zhǔn)路線沉降觀測

（1）沉降觀測主要是測定設(shè)置的沉降觀測點(diǎn)相對于高程基準(zhǔn)點(diǎn)的垂直位移。

（2）建筑物的沉降觀測是根據(jù)高程基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行的，高程基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在基坑及基坑周邊建筑物、道路沉降區(qū)外的2～3個(gè)水準(zhǔn)點(diǎn)，并與城市水準(zhǔn)點(diǎn)聯(lián)測后，獲得統(tǒng)一高程系統(tǒng)的高程，基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差應(yīng)經(jīng)常復(fù)核，以保證基準(zhǔn)點(diǎn)的穩(wěn)定性。

（3）在基坑周邊、毗鄰建筑物沉降區(qū)內(nèi)埋設(shè)沉降觀測點(diǎn)，采用水準(zhǔn)儀測量沉降觀測點(diǎn)與高程基準(zhǔn)點(diǎn)之間的高差，利用水準(zhǔn)測量閉合環(huán)的高差進(jìn)行檢驗(yàn)。

3.2 極坐標(biāo)法位移觀測

（1）位移觀測主要是測定設(shè)置的位移觀測點(diǎn)相對于基準(zhǔn)點(diǎn)或線的水平位移。

（2）主要位移觀測方法為視準(zhǔn)線法、激光垂直法、位移點(diǎn)邊角觀測法和極坐標(biāo)法，其中常用方法為極坐標(biāo)法和位移點(diǎn)邊角觀測法。

極坐標(biāo)法，即使用全站儀在已知基準(zhǔn)點(diǎn)建站，測設(shè)未知位移觀測點(diǎn)，使用極坐標(biāo)法進(jìn)行方位角轉(zhuǎn)化實(shí)際坐標(biāo)。通過連續(xù)觀測，得到水平方向的坐標(biāo)增量ΔX、ΔY，ΔX、ΔY便是測設(shè)間隔期間基坑位移量。實(shí)際計(jì)算公式如下：

起始邊方位角：

坐標(biāo)增量與各個(gè)點(diǎn)坐標(biāo)：

位移點(diǎn)邊角觀測法是以變形觀測的位移點(diǎn)為基站，向基準(zhǔn)點(diǎn)觀測邊長和水準(zhǔn)角，以計(jì)算水平位移，其中兩次觀測角度的差值Δβ與水平位移的關(guān)系為：

因此，按水平角差Δβ計(jì)算水平位移的計(jì)算式為：

3.3 三維激光掃描儀變形觀測

三維激光掃描儀通過高速激光掃描測量的方式，大面積、高精度地快速獲取深基坑表面的三維坐標(biāo)數(shù)據(jù)。三維激光掃描儀可以快速、大量地采集空間點(diǎn)位信息，為快速建立深基坑的三維模型提供了一種全新的技術(shù)，三維激光掃描儀基于3DM技術(shù)所采集的點(diǎn)云數(shù)據(jù)具有完整的坐標(biāo)信息。相比于傳統(tǒng)測量，三維激光掃描儀可全面監(jiān)控深基坑內(nèi)各部位的沉降情況，如腰梁、錨索、支護(hù)樁、冠梁、周邊道路等都可以進(jìn)行精細(xì)化點(diǎn)云數(shù)據(jù)分析，從而發(fā)現(xiàn)深基坑各部位的變形情況，具體技術(shù)實(shí)施方法如下：

3.3.1 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

通過機(jī)載激光掃描儀或地面激光掃描儀獲取具有影像真實(shí)感的高精度點(diǎn)云數(shù)據(jù)。點(diǎn)云數(shù)據(jù)是實(shí)際物體真實(shí)尺寸的復(fù)原，是目前完整、精細(xì)和快捷地對物體現(xiàn)狀進(jìn)行檔案保存的手段。點(diǎn)云數(shù)據(jù)包括了對象物體的空間尺寸信息和反射率信息，結(jié)合高分辨率的外置數(shù)碼相機(jī)，可以逼真地保留對象物體的紋理色彩信息；結(jié)合全站儀、GPS測量儀器，可以將整個(gè)掃描數(shù)據(jù)放置在一定的空間坐標(biāo)系內(nèi)。通過Cyclone等軟件可以在點(diǎn)云中實(shí)現(xiàn)漫游、瀏覽和對物體尺寸、角度、面積、體積等的量測，直接將對象物體移到電腦中，利用點(diǎn)云在電腦中完成傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)測繪工作。

3.3.2 點(diǎn)云數(shù)據(jù)配準(zhǔn)、拼接

三維激光掃描儀每次掃描只能得到測區(qū)局部的數(shù)據(jù)，為了得到測區(qū)完整的三維數(shù)據(jù)，往往需要從不同的位置進(jìn)行多次掃描，每次掃描得到的數(shù)據(jù)都處在以當(dāng)前測站為原點(diǎn)定義的一個(gè)局部坐標(biāo)系中。因此，需要在掃描區(qū)域中設(shè)置一些控制標(biāo)靶，使相鄰的掃描點(diǎn)云圖有3個(gè)或3個(gè)以上的同名控制標(biāo)靶，通過同名控制標(biāo)靶將掃描點(diǎn)云數(shù)據(jù)統(tǒng)一到同一個(gè)坐標(biāo)系下。然后將多余的點(diǎn)云數(shù)據(jù)進(jìn)行刪除與整理，再進(jìn)行點(diǎn)云數(shù)據(jù)的拼接，拼接完成后需成為一個(gè)整體模型。

3.3.3 等高線生成

三維激光掃描時(shí)，為獲得詳細(xì)的地面信息一般掃描密度較大，深基坑整體點(diǎn)位太密，且分布不均勻。直接利用掃描點(diǎn)來勾繪三角網(wǎng)追蹤等值線，由于其細(xì)節(jié)信息過多，會(huì)導(dǎo)致等高線紊亂。因此，一般將剔除非地貌因素后的點(diǎn)云數(shù)據(jù)按地形測繪要求的密度進(jìn)行抽稀，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入到大比例尺數(shù)字測圖軟件中，自動(dòng)生成等高線。

3.4 數(shù)字近景攝影測量技術(shù)

隨著攝影測量技術(shù)的發(fā)展，近景攝影測量技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生。針對小面積、高精度測區(qū)，數(shù)字近景攝影測量技術(shù)可以清晰、準(zhǔn)確地測量基坑形變情況，在拍攝的相片中建立相應(yīng)的坐標(biāo)系統(tǒng)，確定物體在地面坐標(biāo)系下的坐標(biāo)。

3.4.1 模板匹配與特征點(diǎn)匹配

模板匹配就是在整個(gè)圖像區(qū)域發(fā)現(xiàn)與給定圖像匹配的最小區(qū)域，利用模板圖像與深基坑監(jiān)測圖像相匹配，利用模板圖像與監(jiān)測圖像相同的尺寸進(jìn)行對比，在監(jiān)測圖像中按一定方向滑動(dòng)檢查，確認(rèn)生成圖像的灰度值。

模板匹配后，通過特征點(diǎn)匹配算法對模板圖像與監(jiān)測圖像進(jìn)行比對，用像素比例尺計(jì)算出像素點(diǎn)實(shí)際位移，一般情況使用角點(diǎn)檢測，利用圖像角點(diǎn)確定檢測窗口內(nèi)的灰度值，從而判斷特征點(diǎn)位置。若灰度均勻，則說明該區(qū)域沒有特征點(diǎn)；若灰度不均勻，則說明該區(qū)域存在特征點(diǎn)。

3.4.2 設(shè)立標(biāo)靶

在基坑周邊布設(shè)標(biāo)靶，令標(biāo)靶靶面向上，保證相機(jī)可以完整拍攝標(biāo)靶，標(biāo)靶材質(zhì)一般為鋁合金材質(zhì)，安裝方便、材質(zhì)輕盈、穩(wěn)定性高、不易變形。

3.4.3 拍攝

用無人機(jī)對基坑整體進(jìn)行拍攝，保證標(biāo)靶在圖片中清晰顯示。通過相機(jī)拍攝的監(jiān)測圖片進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，計(jì)算出相機(jī)拍攝中的像素位移。

3.4.4 內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)整理

根據(jù)像素位移量計(jì)算標(biāo)靶位移量，將水平位移與豎向位移量制作成基坑監(jiān)測表，計(jì)算日平均沉降量。

3.5 BIM技術(shù)

在BIM技術(shù)日益成熟的今天，將BIM技術(shù)與基坑監(jiān)測各項(xiàng)技術(shù)相結(jié)合，對基坑監(jiān)測進(jìn)行實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)管控。

3.5.1 建立模型

建立基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、基坑監(jiān)測點(diǎn)、周邊建筑物等三維模型，將基坑支護(hù)面作為基坑監(jiān)測基準(zhǔn)面。

3.5.2 外業(yè)數(shù)據(jù)采集

采集基坑豎向沉降與水平位移量，計(jì)算日平均沉降量，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入三維模型中，觀察形變量。

3.5.3 三維模擬視頻制作

制作基坑形變視頻，將基坑形變量直觀、清晰地展現(xiàn)在動(dòng)畫中，同時(shí)根據(jù)測量的外業(yè)數(shù)據(jù)，以動(dòng)畫的形式進(jìn)行模擬，起到提前進(jìn)行基坑預(yù)警與排除潛在風(fēng)險(xiǎn)的作用，也可以通過動(dòng)畫分析基坑監(jiān)測方案的可實(shí)施性，及時(shí)更新監(jiān)測方案。

4 監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)要求及監(jiān)測頻率

基坑監(jiān)測基準(zhǔn)控制點(diǎn)布設(shè)要求在永久路面或結(jié)構(gòu)上，排除周邊環(huán)境的影響。保證基準(zhǔn)控制點(diǎn)的永久性十分重要，完好且不易位移的基準(zhǔn)控制點(diǎn)是監(jiān)測基坑變形的最佳保證。監(jiān)測控制點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在基坑、內(nèi)部道路、外部市政道路、基坑毗鄰建筑物周邊，并且可串聯(lián)成閉合水準(zhǔn)路線，閉合水準(zhǔn)路線可用于檢查高差閉合差，控制數(shù)據(jù)誤差。同時(shí)，監(jiān)測控制點(diǎn)也應(yīng)布設(shè)在穩(wěn)定、牢固、不易遮擋處，若因施工原因?qū)е卤O(jiān)測點(diǎn)被覆蓋，應(yīng)及時(shí)在被覆蓋點(diǎn)周邊設(shè)立新的監(jiān)測控制點(diǎn)。

基坑進(jìn)行土方開挖時(shí)，監(jiān)測頻率應(yīng)為1～2d/次，并隨著基坑分層分區(qū)開挖工作的進(jìn)行，監(jiān)測頻率也要相應(yīng)提高，以保證深基坑開挖時(shí)的安全。深基坑開挖完畢且完成底部基礎(chǔ)（筏板及墊層）的澆筑后，監(jiān)測頻率應(yīng)為2～3d/次，在肥槽回填且混凝土強(qiáng)度增強(qiáng)后，監(jiān)測頻率可適當(dāng)放緩，但若監(jiān)測結(jié)果出現(xiàn)較大波動(dòng)，應(yīng)及時(shí)增加監(jiān)測次數(shù)。

5 基坑監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用的特點(diǎn)

5.1 連續(xù)性

常見的工程測量工作基本屬于單獨(dú)短效，而基坑監(jiān)測具有很強(qiáng)的連續(xù)性，監(jiān)測過程貫穿整個(gè)施工階段，持續(xù)對基坑形變量進(jìn)行觀測。并且伴隨著較強(qiáng)的現(xiàn)勢性，只有頻繁更新，提高測量數(shù)據(jù)的現(xiàn)勢性，基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)才有意義。

5.2 精確性

基坑監(jiān)測時(shí)，水準(zhǔn)測量高差閉合差和水平閉合導(dǎo)線角度閉合差要求小，所以，對儀器的精度要求較高，基坑監(jiān)測人員測量時(shí)應(yīng)嚴(yán)格按照測量規(guī)范進(jìn)行測量，根據(jù)基坑深度控制閉合差范圍，閉合差過大時(shí)應(yīng)及時(shí)重新測量。由于基坑形變量一般較小，且導(dǎo)線長度較長，所以，計(jì)算水平坐標(biāo)增量時(shí)應(yīng)考慮導(dǎo)線的全長相對閉合差，并計(jì)算坐標(biāo)增量的改正值。

5.3 相對性

基坑形變量是相對于監(jiān)測點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)之間的導(dǎo)線偏移量，只需保證相對方位角的精度，通過方位角與距離一樣可以進(jìn)行測算，免除了測量儀器的限制。但應(yīng)在整個(gè)監(jiān)測期間使用同一種儀器，避免因儀器不同而產(chǎn)生機(jī)械誤差，導(dǎo)致測量結(jié)果超限。

5.4 協(xié)調(diào)性

相對于傳統(tǒng)監(jiān)測模式，三維激光掃描技術(shù)、近景攝影測量技術(shù)、BIM技術(shù)等新興技術(shù)能夠直觀、完整地記錄基坑整體形變情況，避免了因溝通不及時(shí)、不完整而導(dǎo)致的錯(cuò)誤。也能通過直觀的基坑形變成果影像資料，向相關(guān)方進(jìn)行展示與規(guī)劃，對基坑監(jiān)測方案進(jìn)行有針對性、可操作性修改。

6 結(jié)語

基坑監(jiān)測是深基坑施工安全的關(guān)鍵，影響著整個(gè)施工過程。隨著時(shí)代的發(fā)展，基坑監(jiān)測技術(shù)越來越成熟，保證基坑監(jiān)測技術(shù)的先進(jìn)性、信息性和經(jīng)濟(jì)性，才能更好地為工程建設(shè)服務(wù)。