何勇

（中鐵第五勘察設(shè)計(jì)院集團(tuán)有限公司，北京 102600）

0 引言

地鐵基坑變形監(jiān)測(cè)（簡(jiǎn)稱“基坑監(jiān)測(cè)”）是確?；邮┕ぐ踩班徑苓吔ㄖ踩闹匾侄?，是支護(hù)結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)、調(diào)整參考依據(jù)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的重要來(lái)源，而基坑水平位移監(jiān)測(cè)是基坑變形監(jiān)測(cè)的重要內(nèi)容?；铀轿灰票O(jiān)測(cè)通常采用視準(zhǔn)線法、極坐標(biāo)法等方法，而施工期間基坑內(nèi)空間狹小、通視條件差、施工設(shè)備及零星建筑物繁多，導(dǎo)致上述傳統(tǒng)的監(jiān)測(cè)方法受到較大限制、效率不高。鑒于此，本文引入高鐵軌道控制網(wǎng)（CPIII）建網(wǎng)技術(shù)，采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法進(jìn)行基坑水平位移監(jiān)測(cè)。

1 基準(zhǔn)網(wǎng)與監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)與測(cè)量方法

基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)布設(shè)在變形體之外，監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)在變形體上。因此，根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際環(huán)境條件，基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在遠(yuǎn)離基坑的周圍既有高層建筑物上或在遠(yuǎn)離變形范圍，且通視條件較好的地方建造強(qiáng)制觀測(cè)墩；監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用CPIII 測(cè)量標(biāo)志均勻布設(shè)在基坑邊緣，其具有平面監(jiān)測(cè)點(diǎn)和沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)共點(diǎn)的優(yōu)勢(shì)。

自由測(cè)站邊角交會(huì)法對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)進(jìn)行同步觀測(cè)，即在基坑內(nèi)部適當(dāng)?shù)奈恢眉茉O(shè)智能型全站儀，在基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)上全部規(guī)范安裝棱鏡，采用自動(dòng)數(shù)據(jù)采集軟件進(jìn)行自動(dòng)觀測(cè)，雙測(cè)站自由測(cè)站邊角交會(huì)法基坑水平位移監(jiān)測(cè)測(cè)量網(wǎng)形如圖1所示。

基坑水平位移監(jiān)測(cè)具體步驟如下：

第一，結(jié)合工程實(shí)際要求，明確基坑變形測(cè)量等級(jí)及精度。

第二，根據(jù)第一步的需要設(shè)置全站儀水平方向觀測(cè)與距離觀測(cè)精度指標(biāo)和觀測(cè)測(cè)回?cái)?shù)。

第三，采用智能型全站儀自由測(cè)站邊角交會(huì)法進(jìn)行雙測(cè)站，即在不同的測(cè)站位置采用自由邊角交會(huì)法對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)同步獨(dú)立觀測(cè)兩個(gè)測(cè)站。其具體操作為：首先，在基坑內(nèi)合適的位置Z1 架設(shè)全站儀，依次測(cè)量各基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)，按照要求完成第一測(cè)站觀測(cè)；之后，將全站儀挪動(dòng)到另一個(gè)位置Z2 同第一測(cè)站觀測(cè)程序和要求完成第二測(cè)站觀測(cè)，雙測(cè)站自由測(cè)站邊角交會(huì)法基坑水平位移監(jiān)測(cè)測(cè)量網(wǎng)形如圖1所示。

圖1 雙測(cè)站自由測(cè)站邊角交會(huì)法基坑水平位移監(jiān)測(cè)測(cè)量網(wǎng)形

2 基坑觀測(cè)數(shù)據(jù)處理與水平位移變形分析

2.1 數(shù)據(jù)處理方法

將基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)的雙測(cè)站觀測(cè)數(shù)據(jù)合并進(jìn)行網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理。通過(guò)該處理方式可得到棱鏡中心的平面坐標(biāo)及其精度。具體步驟如下：

步驟1，建立工程獨(dú)立坐標(biāo)系，即X 軸（縱向）為平行于基坑長(zhǎng)邊、Y 軸（橫向）為垂直與基坑長(zhǎng)邊，其利于后續(xù)基坑水平位移變形數(shù)據(jù)分析與支護(hù)方案的快速調(diào)整及決策。

步驟2，將基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)進(jìn)行自由網(wǎng)計(jì)算平差得到任意平面坐標(biāo)系下各個(gè)平面基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)及其精度。

步驟3，以基坑長(zhǎng)邊上距離最遠(yuǎn)的兩個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)（分別記為A 點(diǎn)、B 點(diǎn)）為已知點(diǎn)進(jìn)行約束平差，采用A 點(diǎn)和B 點(diǎn)自由網(wǎng)平差的坐標(biāo)計(jì)算出AB 之間的距離L，進(jìn)一步以A(0，0)、B（0，L）為已知點(diǎn)進(jìn)行整網(wǎng)約束平差得到首期各基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及其精度。后續(xù)各期可以以各基準(zhǔn)點(diǎn)（定期需要對(duì)基準(zhǔn)網(wǎng)進(jìn)行復(fù)測(cè)并分析其穩(wěn)定性）為起算數(shù)據(jù)，進(jìn)行觀測(cè)網(wǎng)平差數(shù)據(jù)處理。

2.2 水平位移變形分析

以各期監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，可對(duì)基坑進(jìn)行變形分析和安全評(píng)估。通常采用平面坐標(biāo)分量的相對(duì)變化量、累積變化量和變形速率來(lái)判斷當(dāng)前階段監(jiān)測(cè)點(diǎn)的變形情況與健康狀態(tài)，之后以各觀測(cè)周期所得的三個(gè)指標(biāo)為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)進(jìn)行變形規(guī)律分析與趨勢(shì)預(yù)測(cè)。

首先，將本周期的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)與往期監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的相對(duì)偏移量、累計(jì)偏移量和變形速率，其具體描述如下：

式（1）中：設(shè)點(diǎn)坐標(biāo)第期觀測(cè)結(jié)果為()，相對(duì)變化量為Δ()、累積變化量為ΣΔ()，相鄰周期的時(shí)間間隔為Δ，則監(jiān)測(cè)點(diǎn)方向變形情況可描述為（1）所示，方向水平位移同理。

其次，將該期的相對(duì)變形量和累計(jì)變形量與預(yù)警閾值進(jìn)行比較，若出現(xiàn)變形量超出預(yù)警范圍的情況應(yīng)立即進(jìn)行上報(bào)，并采取對(duì)應(yīng)措施。

最后，以各期的相對(duì)變形量和累計(jì)變形量為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，采用回歸分析法建立變形模型進(jìn)行變形分析和變形預(yù)報(bào)。當(dāng)各周期監(jiān)測(cè)結(jié)果或根據(jù)其預(yù)測(cè)的變形量達(dá)到或接近預(yù)警值時(shí)需及時(shí)上報(bào)施工及監(jiān)理單位，并對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象穩(wěn)定性和安全狀態(tài)進(jìn)行研判。

3 工程應(yīng)用實(shí)例

某地鐵基坑監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，規(guī)劃總面積約35039m，基坑開挖為深基坑。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)要求，該工程支護(hù)結(jié)構(gòu)形式采用放坡+土釘墻支護(hù)+網(wǎng)噴支護(hù)結(jié)構(gòu)，土釘墻（網(wǎng)噴支護(hù)）基坑安全等級(jí)為二級(jí)，重要性系數(shù)為1.0。根據(jù)規(guī)范要求需要對(duì)基坑施工過(guò)程中基坑邊緣的水平位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)。該項(xiàng)目共計(jì)進(jìn)行了42 期觀測(cè)，根據(jù)項(xiàng)目設(shè)計(jì)施工階段劃分的監(jiān)測(cè)周期段為：基坑開挖施工階段（1～7 期）、底板澆筑施工階段（8～18期）、基坑回填階段（19～42 期）。

3.1 基坑監(jiān)測(cè)等級(jí)確定及相關(guān)要求

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50007—2011）中地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)等級(jí)劃分，該工程開挖深度小于15m 且地質(zhì)條件較好，因此地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)為乙級(jí)，并根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8—2016）設(shè)定該基坑的變形監(jiān)測(cè)等級(jí)為二等，位移監(jiān)測(cè)的主要精度指標(biāo)為：位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)中誤差不超過(guò)3mm。根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范》（GB 50497—2009），設(shè)置預(yù)警值和監(jiān)測(cè)頻率。

3.2 基準(zhǔn)網(wǎng)與監(jiān)測(cè)網(wǎng)布設(shè)及測(cè)量

結(jié)合工程實(shí)際情況，布設(shè)4 個(gè)基準(zhǔn)點(diǎn)K1～K4（3個(gè)位于既有建筑物上、1 個(gè)埋強(qiáng)制觀測(cè)墩），沿基坑邊緣布設(shè)36 個(gè)三維監(jiān)測(cè)點(diǎn)J01～J36；為利于后續(xù)變形分析，基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的點(diǎn)位布設(shè)情況如圖2所示，將K1 定為坐標(biāo)原點(diǎn)，將平行于基坑長(zhǎng)邊的K1 與K3 連線定位X 軸（縱向），Y 軸（橫向）為垂直于X 軸的測(cè)量坐標(biāo)系。

圖2 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的點(diǎn)位布設(shè)情況（僅標(biāo)記部分點(diǎn)名）

使用智能型全站儀進(jìn)行水平位移監(jiān)測(cè)，根據(jù)《建筑變形測(cè)量規(guī)范》（JGJ 8—2016）要求，監(jiān)測(cè)網(wǎng)平面位移監(jiān)測(cè)等級(jí)為二等。

按照上述方法進(jìn)行基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)測(cè)量，基坑自由測(cè)站邊角交會(huì)法變形觀測(cè)網(wǎng)如圖3所示。首先，在各基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)上規(guī)范安裝精密棱鏡，并在基坑內(nèi)合適位置架設(shè)全站儀；其次，按照設(shè)計(jì)的觀測(cè)精度指標(biāo)設(shè)置配套數(shù)據(jù)采集軟件相關(guān)參數(shù)指標(biāo)，并自動(dòng)按照設(shè)置的觀測(cè)程序?qū)Ω骰鶞?zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)；最后，將雙測(cè)站觀測(cè)的數(shù)據(jù)按照本文2.1 節(jié)數(shù)據(jù)處理方法得到各基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)及其精度。

圖3 基坑自由測(cè)站邊角交會(huì)法變形觀測(cè)網(wǎng)示意圖（圖中僅展示部分監(jiān)測(cè)點(diǎn)）

根據(jù)所設(shè)計(jì)的觀測(cè)方法、儀器、精度和數(shù)據(jù)處理方法，定期對(duì)基坑進(jìn)行監(jiān)測(cè)即可得到一系列水平位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)。整個(gè)觀測(cè)期間基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差后精度情況如表1所示。

由表1可知，觀測(cè)期間基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差后精度滿足限差要求，且精度較高，表明自由測(cè)站邊角交會(huì)法能滿足基坑水平位移監(jiān)測(cè)要求，且精度較高。

表1 觀測(cè)期間基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差后精度情況

3.3 基坑水平位移變形分析

在得到各基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測(cè)點(diǎn)的平面坐標(biāo)后，根據(jù)本文2.2 節(jié)變形分析方法得到平面坐標(biāo)分量各期相對(duì)變化量、累計(jì)變化量和變形速率。整個(gè)觀測(cè)周期中，基坑縱向和橫向相對(duì)變化量和累積變化量最值情況統(tǒng)計(jì)分析（包含全部監(jiān)測(cè)）如表2所示。表2整個(gè)觀測(cè)周期中相對(duì)變化量和累積變化量最值統(tǒng)計(jì)

變形速率最大值/（mm/d）-4.9-5.0類別X坐標(biāo)Y坐標(biāo)相對(duì)變化量最大值/mm-19.2-25.5累計(jì)變化量最大值/mm-15.2-31.5

為了更加直觀判斷基坑縱向和橫向位移變形情況，可將各監(jiān)測(cè)點(diǎn)各期累計(jì)變化量繪制成周期曲線圖，基坑水平位移累積變化量時(shí)間曲線圖如圖4所示（以J01 點(diǎn)為例）。

圖4 基坑水平位移累積變化量時(shí)間曲線圖

由表2可知，整個(gè)監(jiān)測(cè)期間，橫向和縱向相對(duì)變化量、累積變化量和變形速率最大值均小于預(yù)警閾值，說(shuō)明基坑處于健康狀態(tài)。由圖4可知，基坑橫向位移比基坑縱向位移變化更顯著，即主要向基坑內(nèi)部變形。在基坑開挖及底板澆筑施工階段（1～18 期），基坑變形較為明顯，故在改階段需要加強(qiáng)安全防護(hù)、支護(hù)結(jié)構(gòu)檢查等工作；在基坑回填階段（19～41 期），縱向和橫向相對(duì)變化量非常小，即基坑水平位移變形逐漸趨于穩(wěn)定，待滿足規(guī)范及設(shè)計(jì)要求后方可停止監(jiān)測(cè)工作。

4 結(jié)論

一是在地鐵基坑水平位移監(jiān)測(cè)中，基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測(cè)點(diǎn)采用CPIII 測(cè)量標(biāo)志布設(shè)，誤差小、效率高。

二是采用自由測(cè)站邊角交會(huì)法測(cè)量的基準(zhǔn)網(wǎng)和監(jiān)測(cè)網(wǎng)平差后精度滿足能基坑水平位移監(jiān)測(cè)要求，能解決因基坑內(nèi)通視條件差而難以高效進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)的問(wèn)題，且精度高、效果好。

三是結(jié)合基坑施工階段，對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)縱向和橫向進(jìn)行相對(duì)變化量、累計(jì)變化量和變化速率統(tǒng)計(jì)分析，能判斷基坑的健康狀況和預(yù)測(cè)基坑的整體變形趨勢(shì)，為基坑的支護(hù)方案調(diào)整和安全巡查提供可靠依據(jù)。