包長泰

中基發(fā)展建設(shè)工程有限責(zé)任公司 北京 101300

近年來，深基坑工程數(shù)量明顯增多，由于施工環(huán)境、地質(zhì)條件以及施工中不確定因素的影響，導(dǎo)致基坑出現(xiàn)變形問題，需要采取恰當(dāng)?shù)幕幼冃伪O(jiān)測手段，確?；邮┕ぐ踩M(jìn)行。在監(jiān)測工作中，可采用自由設(shè)站法的監(jiān)測方式，由于其具有設(shè)站靈活、高效的優(yōu)點(diǎn)，在深基坑變形監(jiān)測項(xiàng)目中取得廣泛應(yīng)用，為基坑施工高質(zhì)量開展提供技術(shù)支持。

1 自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用意義

基坑施工過程中需保證深基坑和相鄰道路、建筑物、地下管道的安全，根據(jù)周邊環(huán)境的不同，基坑的安全等級不同。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》中對基坑監(jiān)測項(xiàng)目規(guī)定，對于一級、二級、三級基坑，支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部水平位移監(jiān)測是必測項(xiàng)目?；幼冃伪O(jiān)測過程中，可以利用極坐標(biāo)法來測定監(jiān)測點(diǎn)任意方向的水平位移，在深基坑開挖周圍確定監(jiān)測點(diǎn)并在觀測點(diǎn)設(shè)置全站儀，測定不同監(jiān)測點(diǎn)的極坐標(biāo)，對不同階段的水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，確定不同監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生的位移量。

由于受到現(xiàn)場環(huán)境和地質(zhì)條件的限制，不是所有施工現(xiàn)場都可以設(shè)置固定的觀測點(diǎn)，針對這一問題，對水平位移的監(jiān)測方法進(jìn)行變換，提出了自由設(shè)站法。自由設(shè)站法是監(jiān)測基坑變形程度的重要工具，在基坑水平位移監(jiān)測中體現(xiàn)出較好實(shí)用性。如何利用好自由設(shè)站法進(jìn)行深基坑變形監(jiān)測是目前建筑領(lǐng)域研究重點(diǎn)，通過建立一套有效的自由設(shè)站法應(yīng)用路徑體系，能為基坑施工提供借鑒，解決施工中的產(chǎn)生的變形問題。

本文以某深基坑項(xiàng)目為例，討論該項(xiàng)目中自由設(shè)站法的具體應(yīng)用。

2 自由設(shè)站法應(yīng)用原理

在深基坑施工中采用自由設(shè)站法來監(jiān)測基坑水平位移情況，能進(jìn)一步規(guī)范施工操作，提高基坑施工有效性及安全性。自由設(shè)站法在工程實(shí)踐中取得廣泛應(yīng)用，該方法實(shí)質(zhì)是邊角聯(lián)合后交會法，應(yīng)用原理如下：如下圖所示，A/B兩點(diǎn)是已知的位置點(diǎn)，P點(diǎn)是待定點(diǎn)，采取邊角聯(lián)合交會法，分別測量AP、BP間的距離S1、S2并測定兩條線的方向值。采用最小二乘法得出誤差計(jì)算公式：V=AX-L。

圖 1 自由設(shè)站法邊角聯(lián)合交會法基坑監(jiān)測示意圖

根據(jù)自由設(shè)站點(diǎn)和已知控制點(diǎn)之間形成的邊長觀測值和方向值，建立兩者的誤差公式，經(jīng)過推導(dǎo)后可確定設(shè)站點(diǎn)的誤差大小，并確定基坑水平位移大小。根據(jù)已有的研究結(jié)果，當(dāng)已知控制點(diǎn)個(gè)數(shù)不斷增加時(shí)，則設(shè)站點(diǎn)的監(jiān)測有效性隨之提高，確保自由設(shè)站法在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用效果較好。相關(guān)基坑監(jiān)測規(guī)范中指出：水平位移監(jiān)測設(shè)站點(diǎn)應(yīng)設(shè)置在及基坑開挖深度的三倍范圍外，且不受施工影響的區(qū)域?，F(xiàn)假設(shè)基坑開挖深度是20米，已知控制點(diǎn)之間相隔100米，考慮到基坑變形監(jiān)測規(guī)范要求對中裝置的對中誤差不能超過0.1毫米的規(guī)定，可利用監(jiān)測精度是1.5+2ppm的全站儀進(jìn)行監(jiān)測。從實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，交會角的大小對設(shè)站點(diǎn)精度影響較大，隨著交會角增大，設(shè)站點(diǎn)精度越高；如果自由設(shè)站點(diǎn)與已知控制點(diǎn)連線較為接近時(shí)，點(diǎn)位精度較高；基坑邊長測量中的固定誤差會對點(diǎn)位精度產(chǎn)生較大影響，但測距長短對比例誤差影響不大。

3 自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中的具體應(yīng)用過程

自由設(shè)站法監(jiān)測是以同時(shí)測量距離和角度的極坐標(biāo)為基礎(chǔ)，利用高精度的監(jiān)測儀器在基坑開挖深度一定范圍內(nèi)設(shè)置觀測站，選取多個(gè)已知控制點(diǎn)，從觀測站上測量已知點(diǎn)和變形監(jiān)測設(shè)站點(diǎn)的距離和方向，采用極坐標(biāo)法計(jì)算基點(diǎn)和變形點(diǎn)的平面坐標(biāo)，進(jìn)行坐標(biāo)轉(zhuǎn)換后確定不同變形監(jiān)測點(diǎn)對于已知控制點(diǎn)的坐標(biāo)位置，通過進(jìn)行周期性觀測，確定基坑的水平位移變化量。

（一）建立坐標(biāo)系統(tǒng)

在深基坑施工影響范圍外的穩(wěn)固區(qū)域或者舊建筑物上，選取兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，連接成一條平行于深基坑的基準(zhǔn)線，基準(zhǔn)點(diǎn)的間距利用全站儀通過多次觀測后確定，這一基準(zhǔn)線在地面上的水平投影作為坐標(biāo)系的橫軸方向，和橫軸垂直的方向?yàn)榭v軸方向。

（二）計(jì)算公式

明確坐標(biāo)系統(tǒng)后，在基坑周圍的某個(gè)觀測點(diǎn)位設(shè)置全站儀，測定兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)A、B到設(shè)站點(diǎn)0之間的水平距離，將其表示為SA、SB，并確定全站儀中心點(diǎn)和兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的夾角，以全站儀為基準(zhǔn)點(diǎn)，確定一個(gè)平面坐標(biāo)系，其中橫軸垂直于基坑坐標(biāo)系的橫軸，并進(jìn)行觀測點(diǎn)、基準(zhǔn)點(diǎn)的極坐標(biāo)到平面坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換。通過對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)位移點(diǎn)的坐標(biāo)換算和周期性觀測，能完成各個(gè)觀測點(diǎn)的坐標(biāo)轉(zhuǎn)換，由此確定基坑變形程度。

圖 2 全站儀坐標(biāo)系示意圖

（三）觀測要點(diǎn)

對全站儀的要求：對于基坑變形監(jiān)測中運(yùn)用的觀測儀器，需要保證經(jīng)緯儀視線軸、測距儀發(fā)射和接收光軸在同一直線上，確保測站點(diǎn)坐標(biāo)換算的準(zhǔn)確性。同時(shí)為了滿足水平位移監(jiān)測精度要求，通常要求全站儀測量精度達(dá)到±1。全站儀精度在100米內(nèi)要達(dá)到±1mm，且分辨率應(yīng)是0.1mm，而對于基坑水平位移監(jiān)測精度來說，利用1-2個(gè)測回來監(jiān)測，能達(dá)到0.1mm的精度要求。如果使用監(jiān)測精度較低的全站儀，則需要適當(dāng)增加設(shè)站點(diǎn)，這就會增加基坑變形監(jiān)測時(shí)間和工作量。

為了提高自由設(shè)站法在基坑變形監(jiān)測中的應(yīng)用性，要求設(shè)站點(diǎn)和基準(zhǔn)點(diǎn)間的距離不應(yīng)過大，要保證基準(zhǔn)點(diǎn)的合理選擇。通常選擇在穩(wěn)定區(qū)域，和已知控制點(diǎn)的距離在100米左右，并且選擇的基線和基坑軸線大多數(shù)平行的。為了消除儀器監(jiān)測時(shí)的固有誤差，每期監(jiān)測時(shí)設(shè)置的觀測點(diǎn)位置應(yīng)是大致固定的。

4 自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中應(yīng)用及分析

深基坑施工過程中要進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)測管理，一般根據(jù)基坑開挖范圍和支護(hù)結(jié)構(gòu)的各項(xiàng)參數(shù)確定監(jiān)測方案，對基坑安全等級進(jìn)行評價(jià)，并實(shí)施分級控制。支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移的監(jiān)測值要按照基坑級別確定，規(guī)定一級基坑的圍護(hù)結(jié)構(gòu)最大水平位移的監(jiān)控值為35；二級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)水平監(jiān)控值為60；三級基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測值為80。

以某院某建筑工程為例，其深基坑開挖中，基坑設(shè)計(jì)長96米、寬55米，開挖深度16m?；?xùn)|側(cè)約10m為三棟六層樓房、基坑北側(cè)約30m為職工活動(dòng)中心、西側(cè)約8m為兩棟4層辦公樓，基坑南側(cè)約30m為高層辦公科研樓。因場地為管制區(qū)域，基坑外5～8m設(shè)置圍擋，只在辦公科研樓西側(cè)設(shè)置狹長出入通道，通道長度50m左右?，F(xiàn)場施工場地狹小且周邊環(huán)境復(fù)雜，基坑設(shè)計(jì)安全等級一級，需要按照一級基坑變形監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移程度進(jìn)行監(jiān)控。

圖 3 基坑監(jiān)測點(diǎn)布局示意圖

（一）基坑監(jiān)測方案設(shè)計(jì)

上圖中的K1、K2是考慮施工現(xiàn)場環(huán)境條件設(shè)置的兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在施工圍擋外側(cè)，為保證通視，審批開門兩扇。并在距離深基坑約50m的位置設(shè)置觀測點(diǎn)，這一點(diǎn)位在基坑開挖影響區(qū)域外，這兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)使用對外觀測墩。在確定基準(zhǔn)點(diǎn)和觀測點(diǎn)后，建立和基坑邊相平行的直角坐標(biāo)系，其中K2坐標(biāo)位置（500，500），利用全站儀測量兩點(diǎn)的距離，確定K1坐標(biāo)（500，232）。其中D0-D15是深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的多個(gè)水平位移觀測點(diǎn)，判斷不同階段這些觀測點(diǎn)的位移值，可進(jìn)一步分析基坑變形情況。由于觀測視線受阻，不能從基準(zhǔn)點(diǎn)上直接觀察水平位移監(jiān)測點(diǎn)，要想全面掌握各個(gè)觀測點(diǎn)的水平位移大小，還需采取自由設(shè)站法結(jié)合極坐標(biāo)法的監(jiān)測方案，有效測定圍護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移值。

（二）精度估算

設(shè)置自由觀測點(diǎn)時(shí)，可根據(jù)當(dāng)時(shí)通視情況、靈活設(shè)站。利用Leica TS02 PLUS全站儀來測量觀測站到兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)間的距離和方向值，能保證測量結(jié)果誤差較小，并且可對觀測點(diǎn)的測量精度進(jìn)行計(jì)算。從計(jì)算結(jié)果看，觀測點(diǎn)的點(diǎn)位精度和交會角大小之間是正相關(guān)的，交會角超過40°時(shí)，點(diǎn)位精度提升較為緩慢。在實(shí)際位移監(jiān)測中要避免小角交會。當(dāng)自由設(shè)站點(diǎn)在兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)之間時(shí)，能達(dá)到最高精度，但是由于距離和角度不能互相檢驗(yàn)，導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確性較差。因此在保證交會角大的同時(shí)，可適當(dāng)增加后視點(diǎn)，以便增強(qiáng)可靠性。

（三）精度分析

在選定自由設(shè)站點(diǎn)后，將基準(zhǔn)點(diǎn)坐標(biāo)輸入全站儀自由設(shè)站測量程序中，測量自由觀測點(diǎn)到兩個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)的距離和方向，全站儀會直接計(jì)算出觀測點(diǎn)的坐標(biāo)。之后從基準(zhǔn)點(diǎn)出發(fā)選定觀測方向，瞄準(zhǔn)監(jiān)測點(diǎn)中軸線用極坐標(biāo)法得到各點(diǎn)坐標(biāo)。從監(jiān)測過程中可知水平位移觀測點(diǎn)的誤差主要包括極坐標(biāo)法計(jì)算誤差和觀測點(diǎn)測量誤差兩部分。本次基坑變形監(jiān)測總共進(jìn)行了30期監(jiān)測，以其中一期為例，自由設(shè)站點(diǎn)的交會角分別是41°和54°，根據(jù)圖形條件，查得極坐標(biāo)法測定觀測點(diǎn)時(shí)的起始誤差為0.68mm。極坐標(biāo)法測量中，觀測點(diǎn)就是隨時(shí)監(jiān)測的自由設(shè)站點(diǎn)，這時(shí)不需要考慮監(jiān)測中的對中誤差，最終監(jiān)測結(jié)果的精度只與測距誤差、測角誤差有關(guān)。按照基坑變形監(jiān)測的精度規(guī)定，通常情況下，監(jiān)測過程中的誤差要小于允許基坑變形大小的1/10-1/20。當(dāng)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測按照一級基坑相關(guān)要求進(jìn)行時(shí)，可采取基坑水平位移允許值的1/15為監(jiān)測誤差，要求監(jiān)測點(diǎn)中誤差不超過2mm，確保監(jiān)測結(jié)果準(zhǔn)確。通過對上述自由設(shè)站法監(jiān)測誤差的分析可知，選擇Leica TS02 PLUS全站儀，采用極坐標(biāo)法和自由設(shè)站法，能直接測量基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移大小，進(jìn)而滿足基坑變形監(jiān)測要求，達(dá)到較高的精度標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)采用自由觀測點(diǎn)坐標(biāo)法測量觀測已知方向，可采取強(qiáng)制對中螺桿等措施，進(jìn)而加大監(jiān)測精度。

具體來說，自由設(shè)站法在解決城市基坑施工中的通視問題上有著較好應(yīng)用，能解決由于基坑開挖引起的土體變形問題，避免由于基點(diǎn)不穩(wěn)定造成的監(jiān)測誤差問題。同時(shí)自由設(shè)站點(diǎn)方法實(shí)施中，觀測點(diǎn)精度和監(jiān)測圖形有關(guān)，要求選擇測距和測角精度相符合的全站儀，從施工現(xiàn)場實(shí)際情況入手，控制交會角在40°到120°之間，在條件允許的情況下，可適當(dāng)增加已知控制點(diǎn)，得到大量的觀測數(shù)據(jù)，以便提高觀測點(diǎn)設(shè)置精度和可靠性，為自由設(shè)站法在基坑變形監(jiān)測中的有效運(yùn)用提供條件。使用精度等級較高的全站儀，是保證監(jiān)測有效性的關(guān)鍵，當(dāng)觀測點(diǎn)距基準(zhǔn)點(diǎn)距離較小時(shí)，可利用自由設(shè)站點(diǎn)和極坐標(biāo)轉(zhuǎn)換相結(jié)合的方法，當(dāng)深基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移在2mm內(nèi)時(shí)，則說明基坑變形程度在可允許范圍內(nèi)。采用上述方法進(jìn)行深基坑變形情況的監(jiān)測，提高了設(shè)站靈活性和作業(yè)效率，可快速獲取監(jiān)測反饋信息，為深基坑施工作業(yè)順利開展提供參考。

5 結(jié)論

綜上所述，將自由設(shè)站法應(yīng)用在深基坑變形監(jiān)測中，發(fā)揮其操作性強(qiáng)、設(shè)站靈活的優(yōu)點(diǎn)，能為基坑施工提供有效技術(shù)工具，提高現(xiàn)場監(jiān)測質(zhì)量和效率，并避免基坑變形監(jiān)測受外部因素的影響。實(shí)踐表明，自由設(shè)站法在基坑施工中體現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值，并且監(jiān)測結(jié)果較為準(zhǔn)確、客觀。