拓普康MS05AXII 測量機器人在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用

鄒道磊 楚國天 代 杰

（1、菏澤市測繪院，山東 菏澤 274000 2、山東軌道交通勘察設(shè)計院，山東 濟南 250000）

1 概述

城市建設(shè)快速發(fā)展，基坑開挖的深度增加及監(jiān)測區(qū)域增大，為保證基坑施工建設(shè)安全以及基坑周邊建筑物的安全，應(yīng)加強基坑變形監(jiān)測。在建筑物基坑邊坡穩(wěn)定性監(jiān)測中，邊坡的垂直位移監(jiān)測采用精密二等水準(zhǔn)測量，監(jiān)測點的水平位移監(jiān)測采用測量機器人測量方法[2-3]。在實際的建設(shè)工地現(xiàn)場，由于基坑周邊建設(shè)護欄，現(xiàn)場環(huán)境復(fù)雜造成工作基點與基準(zhǔn)點的通視較差，對基坑邊坡監(jiān)測造成很大的影響。本文基坑邊坡水平位移監(jiān)測方法采用全站儀測量機器人自由設(shè)站法進行監(jiān)測。

2 測量機器人測量原理及誤差分析

2.1 測量原理

全站儀測量機器人系統(tǒng)包括：電子測角、電子測距等系統(tǒng)。自動監(jiān)測方式通過全站儀自動搜索識別和自動照準(zhǔn)目標(biāo)，從而獲取監(jiān)測點空間三維坐標(biāo)。全站儀通過極坐標(biāo)法進行測量，獲取斜距及水平角和垂直角，計算得出三維坐標(biāo)。

圖1 全站儀測量原理

2.2 反射棱鏡的誤差影響

反射棱鏡是一個直角三棱錐體。反射棱鏡具有以下特性：入射光線和反射光線平行；不同反射路線其棱鏡內(nèi)部光程相等。不同的入射角對棱鏡內(nèi)光程有一定的影響。其光程會隨著入射角變化而變化，其式（2）如下：

其光程D 變化量差值在的全站儀測距結(jié)果能體現(xiàn)出來。基坑監(jiān)測中使用的棱鏡其棱邊邊長a=75mm、棱鏡折射率n=1.52，棱鏡內(nèi)光程D 隨入射角i 的變化的關(guān)系如圖2。

圖2 光程值與入射角變化關(guān)系

根據(jù)入射角與光程差值變量關(guān)系，要使棱鏡內(nèi)光程變化差值小于1mm，光線入射角應(yīng)小于150。當(dāng)全站儀與監(jiān)測點距離較短時，應(yīng)增強反射棱鏡的定向瞄準(zhǔn)操作精度。

3 測量機器人定位精度分析

基于空間極坐標(biāo)測量原理即可求定各監(jiān)測點在該空間直角坐標(biāo)系下的坐標(biāo)，因測量機器人只進行邊坡水平位移監(jiān)測[4-5]，垂直方向精度不再進行分析。對式（1）求偏導(dǎo)得出平面位置中誤差

式中D 測站點到監(jiān)測點斜距，β 為高度角，α 為目標(biāo)點的方位角。拓普康MS05AXII 測量機器人的測角精度為0.5″，棱鏡可達到工業(yè)級的0.6mm + 1ppm；反射片可達到0.5mm + 1ppm。根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點分布圖顯示監(jiān)測區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點的高度角都小于15°，在不考慮球氣差的改正，根據(jù)式（3）得出監(jiān)測點的中誤差分布如圖4 所示。

圖3 入射角與光程差值的變量關(guān)系

根據(jù)基坑監(jiān)測報警值（表1）所示，基坑的邊坡樁錨、排樁支護段頂部水平位移累計報警值為35mm，變化速率報警值為4mm/d。根據(jù)基坑頂部的水平位移監(jiān)測精度（表2）及水平監(jiān)測預(yù)警值確定（表1）所示，此項目基坑監(jiān)測點坐標(biāo)中誤差小等于1.5mm。

表1 基坑監(jiān)測報警值

表2 水平位移監(jiān)測精度要求

根據(jù)現(xiàn)場監(jiān)測點分布圖顯示監(jiān)測區(qū)域內(nèi)監(jiān)測點到工作基點的距離最大280m, 在不考慮在不考慮球氣差的改正時，根據(jù)圖4 得出監(jiān)測點坐標(biāo)觀測最大坐標(biāo)中誤差為1.049mm，所以拓普康MS05AXII 高精度全站儀對監(jiān)測點的觀測精度滿足于水平位移監(jiān)測精度要求。

圖4 監(jiān)測點觀測中誤差曲線圖

4 基坑監(jiān)測與資料分析

在菏澤謀寫字樓工程建筑物基坑工地，根據(jù)現(xiàn)場環(huán)境布置如圖5 所示的后方交會控制網(wǎng)，其中A、B、C、D4 位基坑觀測的平面基準(zhǔn)點，平面控制點布設(shè)在施工場地附近的已有建筑物上，建筑物位于基坑影響以外。4 個控制點采用獨立坐標(biāo)系，用拓普康測量機器人以4 個測回進行自動觀測，通過評查得出4個控制點的平面坐標(biāo)，坐標(biāo)取位至0.1mm。

圖5 基坑監(jiān)測點布設(shè)示意圖

進行基坑觀測時分別在M1、M2 位置自由設(shè)站安置測量機器人，自動觀測4 個控制點和27 個監(jiān)測點，每次檢測都在微風(fēng)光照照射較弱的條件下觀測，每期數(shù)據(jù)進行獨立自動觀測3 次。

基坑監(jiān)測周期為2021-3-10-2021-7-30，基坑開挖及支護、基礎(chǔ)施工期間檢測頻率高，施工到達正負零以上，檢測頻率逐漸降低。監(jiān)測點水平位移隨時間的變化曲線如圖6 所示。

圖6 基坑邊坡監(jiān)測點平面位移圖

圖6 中所示基坑監(jiān)測點在基坑開挖及支護、基礎(chǔ)施工期間水平位移量較大，施工到達正負零以上水平位移量不怎么變化，最后幾期監(jiān)測水平位移趨于平穩(wěn)。

5 結(jié)論

本文分析了通過拓普康MS05AXII 高精度全站儀自由設(shè)站及自動跟蹤觀測相結(jié)合的方法，所獲得監(jiān)測數(shù)據(jù)成果能夠滿足基坑邊坡監(jiān)測的精度要求。本文只是驗證拓普康高精度全站儀邊坡的水平位移監(jiān)測，基坑監(jiān)測點的沉降觀測采用二等水準(zhǔn)測量，通過全站儀自動化監(jiān)測，節(jié)省了觀測時間，并且監(jiān)測成果具有了良好的可靠性。