異型基坑水平位移監(jiān)測(cè)方法及數(shù)據(jù)處理

江興林，李利文，李超

(濟(jì)南市勘察測(cè)繪研究院，山東濟(jì)南 250013)

1 引言

基坑監(jiān)測(cè)作為基坑施工過(guò)程中的重要方面，其主要意義在于保障基坑施工安全，對(duì)基坑將要發(fā)生的坍塌事故等提出預(yù)警分析，并驗(yàn)證基坑設(shè)計(jì)，為基坑設(shè)計(jì)提供參考。目前來(lái)說(shuō)，對(duì)于形狀比較簡(jiǎn)單的基坑，水平位移監(jiān)測(cè)的主要方法有測(cè)小角法、活動(dòng)覘標(biāo)法、交會(huì)法、全站儀法及GPS靜態(tài)觀測(cè)法等，但對(duì)于形狀不規(guī)則的復(fù)雜基坑或者叫異型基坑，全站儀法是比較常用方法。對(duì)于后期的數(shù)據(jù)處理，大部分?jǐn)?shù)據(jù)處理軟件都是收費(fèi)的。通過(guò)實(shí)踐，筆者認(rèn)為，在沒(méi)有數(shù)據(jù)處理軟件時(shí)，使用Excel軟件，設(shè)計(jì)各種計(jì)算表格，也能方便快捷的實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理功能。

2 全站儀法基坑監(jiān)測(cè)實(shí)施

圖1 某基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置示意圖

圖1是某基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)布置圖，可以看出基坑的形狀比較復(fù)雜，綜合考慮，選擇全站儀法進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)，并進(jìn)行相應(yīng)的數(shù)據(jù)處理。

2.1 控制網(wǎng)的建立及施測(cè)

按照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，水平位移觀測(cè)需布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和工作基點(diǎn)。本工程基準(zhǔn)點(diǎn)布設(shè)在基坑影響范圍外的較穩(wěn)定區(qū)域(距離較遠(yuǎn)，圖1未顯示)，工作基點(diǎn)布設(shè)在基坑周?chē)鄬?duì)穩(wěn)定且便于觀測(cè)的地方，為H、I、J、K四個(gè)點(diǎn)。基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)均采用強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志。

水平位移基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)按照相應(yīng)等級(jí)的基坑觀測(cè)及限差要求進(jìn)行觀測(cè)，并按照要求，對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)及工作基點(diǎn)定期進(jìn)行穩(wěn)定性檢測(cè)，檢測(cè)周期一般在一個(gè)月左右。

2.2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的布設(shè)、施測(cè)

由于基坑監(jiān)測(cè)貫穿于整個(gè)基坑施工過(guò)程，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)，為保證監(jiān)測(cè)點(diǎn)穩(wěn)定可靠，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)均做成強(qiáng)制對(duì)中標(biāo)志，以減少對(duì)中誤差。監(jiān)測(cè)點(diǎn)附近噴涂醒目顏色的油漆并加強(qiáng)對(duì)基坑施工隊(duì)伍的宣傳，做好監(jiān)測(cè)點(diǎn)的保護(hù)工作。

使用萊卡TCA2003全站儀架設(shè)在工作基點(diǎn)上采用測(cè)回法進(jìn)行外業(yè)觀測(cè)，記錄監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于工作基點(diǎn)的角度和距離。

2.3 數(shù)據(jù)處理

(1)原始數(shù)據(jù)處理

根據(jù)場(chǎng)地情況，以工作基點(diǎn)H為原點(diǎn)H(XH，YH)，以H到J連線(xiàn)方向?yàn)樽鴺?biāo)Y軸，垂直Y軸方向?yàn)閄軸建立獨(dú)立坐標(biāo)系。通過(guò)工作基點(diǎn)控制網(wǎng)測(cè)量獲得每個(gè)工作基點(diǎn)在此坐標(biāo)系下的坐標(biāo)值。該坐標(biāo)系應(yīng)與當(dāng)?shù)厥褂玫淖鴺?biāo)系統(tǒng)或整個(gè)工程使用的工程獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，得出坐標(biāo)系統(tǒng)之間的轉(zhuǎn)換關(guān)系。

監(jiān)測(cè)點(diǎn)的施測(cè)和坐標(biāo)計(jì)算有兩種情況:

①當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)P是以H點(diǎn)為測(cè)站點(diǎn)，以J為定向點(diǎn)施測(cè)時(shí)，設(shè)置HJ起始方向?yàn)?0°就可以通過(guò)觀測(cè)值直接獲得HP邊的坐標(biāo)方位角αHP和邊長(zhǎng)SHP，由此根據(jù)平面直角坐標(biāo)正算公式，即可求得監(jiān)測(cè)點(diǎn)P的坐標(biāo)，

②當(dāng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)是從其他工作基點(diǎn)施測(cè)時(shí)，如以I點(diǎn)為測(cè)站點(diǎn)，以H為定向點(diǎn)時(shí)，應(yīng)首先計(jì)算邊IH的坐標(biāo)方位角αIH，外業(yè)施測(cè)時(shí)可以設(shè)置IH起始方向?yàn)棣罥H，但會(huì)增加外業(yè)計(jì)算困難，容易出錯(cuò)，不如在外業(yè)施測(cè)時(shí)設(shè)置IH起始方向?yàn)?，內(nèi)業(yè)計(jì)算時(shí)加上這個(gè)方位角，然后利用平面直角坐標(biāo)正算公式計(jì)算監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)。

上面兩種情況的監(jiān)測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)計(jì)算可在Excel中設(shè)計(jì)如下樣式的表格實(shí)現(xiàn)，如表1所示。

基坑水平位移計(jì)算表 表1

表1中改化后角度就是指的不是在H點(diǎn)設(shè)站的情況下對(duì)原始觀測(cè)角的相應(yīng)變換計(jì)算。本例中的1～7號(hào)點(diǎn)均是以H點(diǎn)為測(cè)站點(diǎn)，以J為定向點(diǎn)施測(cè)的，所以角度不需要進(jìn)行改化;9～12號(hào)點(diǎn)是以I點(diǎn)為測(cè)站點(diǎn)，以H為定向點(diǎn)施測(cè)的，需要加上IH的坐標(biāo)方位角97°40'17″，得到改化后的角度。

(2)水平位移量計(jì)算

通過(guò)上述方法就可以計(jì)算每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的坐標(biāo)，將監(jiān)測(cè)點(diǎn)本期計(jì)算的坐標(biāo)和上一期的坐標(biāo)以及最開(kāi)始的原始坐標(biāo)進(jìn)行比較，得到本期位移量和累計(jì)位移量，生成對(duì)比表，如表2所示。

基坑水平位移對(duì)比表 表2

(3)水平位移量在基坑法線(xiàn)方向的改化

對(duì)于基坑監(jiān)測(cè)，我們關(guān)注的是在基坑法線(xiàn)方向上的變化情況，由于上述方法計(jì)算的位移量只是監(jiān)測(cè)點(diǎn)在工程獨(dú)立坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變化量，通過(guò)該坐標(biāo)變化量還不能直接準(zhǔn)確判讀監(jiān)測(cè)點(diǎn)相對(duì)于該點(diǎn)處基坑法線(xiàn)方向的變化量，所以需要計(jì)算坐標(biāo)變化量在該點(diǎn)處基坑法線(xiàn)方向的變化量。這一過(guò)程可通過(guò)以下方式實(shí)現(xiàn):

首先根據(jù)設(shè)計(jì)方提供的基坑邊線(xiàn)的曲線(xiàn)方程和設(shè)計(jì)坐標(biāo)以及獨(dú)立坐標(biāo)系與當(dāng)?shù)刈鴺?biāo)系統(tǒng)或工程獨(dú)立坐標(biāo)系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換關(guān)系得出基坑邊線(xiàn)在工程獨(dú)立坐標(biāo)系下的新曲線(xiàn)方程y=f(x)。

根據(jù)導(dǎo)數(shù)的幾何意義并應(yīng)用直線(xiàn)的點(diǎn)斜式方程，可知曲線(xiàn) y=f(x)在點(diǎn)M(x0，y0)處的切線(xiàn)斜率為f'(x0)，該點(diǎn)處曲線(xiàn)的法線(xiàn)斜率為，這樣就可以得出該點(diǎn)處基坑的法線(xiàn)方向。

圖2 圓形基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

如圖2所示，左圖為基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖，右圖為左圖的局部放大圖，2為上期監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置，2'為本期觀測(cè)點(diǎn)位置。該基坑側(cè)壁設(shè)計(jì)為圓形，監(jiān)測(cè)點(diǎn)沿側(cè)壁成對(duì)布設(shè)。通過(guò)上述方法計(jì)算出2點(diǎn)處的基坑法線(xiàn)方位角。由于監(jiān)測(cè)點(diǎn)的每次位移量相對(duì)于基坑半徑是個(gè)極小量，可以認(rèn)為該方位角是個(gè)定值，然后計(jì)算該連線(xiàn)與坐標(biāo)Y軸的夾角α，則2'相對(duì)于2的變化量22'在O2方向上的投影S可用下式計(jì)算:

其余各點(diǎn)也以此方法分別進(jìn)行計(jì)算，這樣形成新的基坑水平位移成果表，格式如表3。

基坑水平位移監(jiān)測(cè)成果表 表3

同理，其他形狀的基坑也可以通過(guò)上述方法計(jì)算坐標(biāo)變化量在基坑法線(xiàn)方向的變化量。

利用Excel的制圖功能根據(jù)累計(jì)位移量繪制水平位移曲線(xiàn)圖，樣式如圖3。

圖3 基坑監(jiān)測(cè)點(diǎn)水平位移曲線(xiàn)圖

這樣就實(shí)現(xiàn)了基坑水平位移監(jiān)測(cè)從外業(yè)觀測(cè)到內(nèi)業(yè)數(shù)據(jù)處理的全過(guò)程。

3 結(jié)語(yǔ)

在整個(gè)計(jì)算過(guò)程中，我們要做的主要工作就是將原始數(shù)據(jù)錄入計(jì)算表格，剩余的過(guò)程都可以通過(guò)設(shè)定好各種公式自動(dòng)計(jì)算獲得，進(jìn)行檢查校核的時(shí)候只需檢查觀測(cè)角度及距離有沒(méi)有輸錯(cuò)。通過(guò)應(yīng)用表明，該方法具有快速、高效、可靠、準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，在外業(yè)觀測(cè)完成半小時(shí)內(nèi)即可提交觀測(cè)成果，必要時(shí)也可實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)計(jì)算功能，完全滿(mǎn)足基坑施工對(duì)基坑監(jiān)測(cè)的及時(shí)性要求，為基坑施工及時(shí)準(zhǔn)確地提供基坑變形信息。

［1］李青岳，陳永奇.工程測(cè)量學(xué)［M］.北京:測(cè)繪出版社，2005.

［2］GB 50497－2009.建筑基坑工程監(jiān)測(cè)技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］JGJ 8－2007.建筑變形測(cè)量規(guī)范［S］.

［4］曹慶磊，田祥，王磊.基于TCA2003全站儀的基坑水平位移監(jiān)測(cè)及其分析［J］，礦山測(cè)量，2011(2).

［5］蘇芬.基于TCA2003的邊坡監(jiān)測(cè)技術(shù)研究［J］，科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2010(21).

［6］伊?xí)詵|，李保平.變形監(jiān)測(cè)技術(shù)及應(yīng)用［M］，鄭州:黃河水利出版社，2007.

［7］梅文勝，張正祿，郭際明等.測(cè)量機(jī)器人變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)軟件研究［J］，武漢大學(xué)學(xué)報(bào)·信息科學(xué)版，2002，27(2).