基坑水平位移监测方法研究

1、概述

随着我国城市化进程的加快和建筑水平的提高，基坑工程在数量、开挖深度和使用领域方面得到了快速增长。在城市中深基坑工程往往处于密集的既有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程附近。在基坑开挖和施工过程中，支护结构体系、邻近建筑物及道路管线的安全性、稳定性显得尤为重要。如果处理不当，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施，造成巨大损失。系统、全面、高精度的基坑监测工作能给基坑工程的安全提供有力的保障。

在基坑监测的各个监测项目中，支护结构的水平位移监测是最直观、最快速的反应基坑及周边环境安全的重要手段之一。深基坑工程一般集中在城市中心区域，基坑工程施工场地狭小，经常发生基准点间不通视、基准点和监测点间不通视以及设站条件困难等问题。监测不能顺利进行，就会造成支护结构的变形情况不能及时、准确地被反应出来。另外一点，目前基坑监测市场竞争非常激烈，如何在激烈的竞争中抢占一定的市场份额，需要我们在技术手段上有所创新。

课题研究的主要内容是自由设站的监测方法、强制对中基准点形式和监测点形式。下面分别对研究内容进行详细论述。

2、监测方法的研究

水平位移监测的方法总结起来有视准线法、坐标法和交会法。通过多年的工程监测实践发现，对于基坑水平位移监测，极坐标法是最为简便、快捷的方法，能够完全反应出变形体在水平方向的绝对位移，而且不受基坑形状的限制。

在已知点A安置仪器，后视点为另一已知点B，通过测得AB—AP的角度，A点至P点的距离，计算得出P点坐标。设A点坐标为A（XA，YA），A—B的方位角为αA-B，则P点坐标P（XP，YP）的计算公式为：

XP=XA+S*cos（αA-B+β）

YP=YA+S*sin（αA-B+β）

目前用于基坑水平位移监测的仪器为电子全站仪。随着科技的发展和计算机水平的提高，全站仪的测量精度越来越高，而且内置了丰富的计算程序，使测量工作变得简单易行。

在很多深基坑工程中，特别是在软土地基开挖的深基坑工程，经常会遇到设置有2～3道水平支撑。第二道、第三道水平支撑的水平位移监测是深基坑工程监测的重点和难点。一般情况下，由于通视条件十分困难，采用常规的监测手段很难顺利地完成监测工作，如图2所示。

A、B、C三点为基准点，在基坑监测过程中很容易出现三点不能相互通视的情况，给监测工作带来很大困难。

为了解决上述问题，课题组通过实验，研究了一种不受通视条件影响的自由设站方法，取得了很好的监测效果。如图4所示，P点为自由设站点，只要在P点的位置能够同时看到两个基准点，P点的位置就可以随意设置，监测起来非常方便。此方法是本课题研究的重点，下面详细介绍一下基本原理。

A、B为已知点（基坑水平位移监测的基准点），P为自由设站点，C1、C2、C3为监测点。当A、B两点不通视，或者A、B两基准点与监测点C1、C2、C3不通视，就无法完成监测工作。自由设站法的基本思路是在适当的位置设置测站点P，在P点观测PA、PB两条边长S1、S2和两边的夹角来解算出P点坐标，在P点完成对C1、C2、C3的监测。

自由设站点P的坐标解算思路可以按附合导线的计算思路来解算，设导线从A点出发经P点附合到B点，计算的关键是计算PA、PB的坐标方位角。

①根据余弦定理、公式可分别计算出∠PAB=、∠PBA=。

②根据导线测量中方位角传递公式可分别计算出AP和BP的坐标方位角。公式含义为推算路线前进方向上的前一条边的坐标方位角，等于后一条边的坐标方位角加转折角，再加或减180°。具体计算时如转折角为左角时，为正角，转折角为右角时为负角。当＞180°时就减去180°，当＜180°时就加上180°。

③计算P点坐标值可按下式计算，式中、分别为AP和BP的坐标方位角。

从A点起算；

从B点起算；

④计算点位误差：理论上从A、B两点起算，解算出自由设站点P的坐标值应该相等。但因仪器自身或外界因素影响，测量存在误差，两者并不相等。此时坐标误差、，点位总误差。当值小于设定的相应等级监测的误差值时，可以进行简易平差，取两个坐标值的平均值作为自由设站点P点的坐标值进行设站观测。如果大于设定的相应等级观测精度时，则需要查找原因重新测量。

自由设站方法中P点的坐标计算稍显复杂，为了提高效率可以用可编程计算器编好程序，在监测现场就能即时设站进行监测。在现场实验中，课题组是用excel软件编写的计算程序，在工程现场即时计算进行监测。

3、监测点形式的研究

在基坑水平位移监测中，监测点一般埋设在支护结构上（帽梁、水平支撑等）。大多数情况下基坑的支撑结构都在自然地面以下1.5m～3m左右，而基坑周边还要搭设1.5m高的防护网，测量视线严重受阻。为了解决上述问题，课题组研制了一种简单易用的监测点，是在设计位置钻孔埋入约5cm长螺纹钢筋，在磨平的钢筋顶面用电钻钻一直径约5mm小孔。观测时利用棱镜对中杆的尖端放入监测点的小孔内，这样就能保证每次观测都能对中同一位置。

4、现场实验与应用

按上述操作原理，并采用所研制的强制对中脚架和监测点对中方式，课题组进行了实地测量实验。为了减小起算误差测量采用独立坐标系。如图12所示，以A点为原点，坐标设为（0，0），以AB边为坐标纵轴，精确测定AB距离为130.063m，则B点坐标为（0，130.063），精确测定C点坐标为（-40.323，20.538），以自由设站方法多次测量C点坐标进行数据对比分析。

通过以上实验及数据分析（见表3），测量的点位误差W总=±1.3mm，参考《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）中的相关规定，最高安全级别的基坑水平位移报警值为累计10mm，变化速率2mm/d。说明此测量方法能够满足基坑监测的精度要求。

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