懸掛鋼尺法在深基坑沉降觀測中的應用

段鵬，蘭澤英

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州　510060；　2.廣東工業大學管理學院，廣東 廣州　510520)

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懸掛鋼尺法在深基坑沉降觀測中的應用

段鵬1*，蘭澤英2

(1.廣州市城市規劃勘測設計研究院，廣東 廣州510060；2.廣東工業大學管理學院，廣東 廣州510520)

摘要：隨著高層建筑物越來越多，深基坑高程傳遞是其沉降觀測要解決的重要問題。懸掛鋼尺法由于其操作簡單、結果精確、可靠性高的特點，在工程中得到廣泛應用。本文結合工程實例，對懸掛鋼尺法應用于深基坑沉降觀測進行深入研究，實踐證明懸掛鋼尺法能夠滿足高等級沉降觀測高程傳遞精度要求，對同類項目具有典型示范意義。

關鍵詞：沉降觀測；懸掛鋼尺法；高程傳遞；精度分析；深基坑

1引言

隨著城市化進程不斷推進，為了緩解人口快速增長與土地資源尖銳矛盾，高層及超高層建筑物在全國各大城市中日益增多，而這些建筑物絕大多數具有深基坑。為了確切反映建筑地基、基礎及其場地在靜荷載或動荷載及環境等因素影響下的實際變形程度和變形趨勢，需要從基坑底部基礎部分開始進行沉降觀測[1]。由于深基坑上下高差大，采用常規水準測量的方法難以將地面高程傳遞到地下，常用的深基坑基礎沉降觀測方法有全站儀三角高程測量[2]、液體靜力水準測量[3]。但考慮到前者觀測精度較低，通常只能達到三級沉降觀測精度要求，不能滿足更高等級沉降觀測精度要求[4，5]；后者相對觀測精度較高，但只能測量各沉降點的相對沉降量，不能反映建筑物絕對沉降量，且測量范圍小、費用相對較高[6]。

懸掛鋼尺法傳遞高程技術成熟、操作簡單，加入溫度和張力改正可以達到較高精度[7，8]。本文結合某超高層建筑物地下室沉降觀測方案，對懸掛鋼尺法傳遞高程的精度進行了理論分析，對數據處理方法進行了詳細探討，對傳遞結果進行了數據分析，并通過實驗論證了懸掛鋼尺法傳遞高程的精度能夠滿足一級沉降觀測精度要求。該方法簡單、高效、精確、穩定，對同類項目具有典型示范意義。

2懸掛鋼尺法原理

2.1原理[9]

懸掛鋼尺法傳遞高程是一種比較成熟的方法，通過加入溫度改正和拉力改正后能夠達到較高的精度，是目前高程傳遞的主要方法，其原理如圖1所示。A、B兩點分別為基坑上下兩處高程點，通過在A點附近基坑支柱橫梁上架設三腳架，將檢定過的鋼尺向下送放，并在鋼尺末端懸掛重錘，待鋼尺穩定后，基坑上下架設的兩臺水準儀同時進行觀測，兩臺水準儀在水準尺和鋼尺的讀數分別為hA、hB與L1、L2，通過加入溫度改正和拉力改正，則可精確得到B點高程為：

HB=HA+hA-(L1-L2+△1+△2)-hB

(1)

式中，△1和△2分別為鋼尺溫度誤差補償和張力誤差補償，計算公式分別為：

△1=實際測定值×尺帶膨脹系數×(使用溫度-零誤差溫度)

(2)

△2=(實測張力-標準張力)×實測距離÷(伸縮彈性力×尺帶截面面積)

(3)

2.2精度分析

由式(1)可知，A、B兩點的高差為

HAB=hA-(L1-L2+△1+△2)-hB

(4)

根據誤差傳播定律，A、B兩點的估算高差中誤差為：

(5)

其誤差主要來源于水準儀讀水準尺的誤差、水準儀讀鋼尺誤差和鋼尺變形誤差。肉眼通過水準儀估讀鋼尺的誤差為 ±0.1 mm，即鋼尺讀數中誤差mL1=mL2=±0.1 mm。水準儀的最小讀數為 0.01 mm，其誤差mhA、mhB相對于mL1、mL2可以忽略不計，即鋼尺讀數中誤差ML1、ML2為 ±0.1 mm。鋼尺的變形誤差可以通過溫度改正和拉力改正進行補償。

3工程應用與結果分析

3.1研究對象

某超高層建筑物，設計高度 530 m，地下室設計5層，基坑深度 25 m，為了及時、準確地為工程建設提供沉降數據，監測地下室在自重及使用荷載的作用下各主要部位受力變形情況，委托方要求從基礎施工完成后對地下室進行一級沉降觀測。

3.2觀測方案

地下室與地面高差大于25 m，采用常規水準測量方法難于實施，為了解決這一難題，將工作基點的高程引測到工作轉點A之后，采用懸掛鋼尺法將高程傳遞到基坑底部。為了確保傳遞的高程準確可靠，將A點的高程分別獨立進行傳遞至地下室5層B1、B2，兩點之間的高差通過電子水準儀聯測檢核。觀測方案線路如圖2所示。

為了確保傳遞結果穩定、準確，每次高程傳遞均采用同一把鋼尺；水準儀與鋼尺的觀測距離應盡量靠近，以便讀數準確；鋼尺底部懸掛重錘應浸沒于機油中，以確保鋼尺垂直穩定。

3.3數據處理

整個數據處理過程分為三個部分，分別為地上工作轉點聯測部分、高程傳遞部分、地下室觀測點聯測部分，具體的處理過程如下：

(1)工作轉點A點至工作基點測段：采用一級沉降觀測方法進行往返測，工作轉點A的高程取往返測高差平均值進行計算。

(2)高程傳遞部分：將工作轉點A點的高程傳遞至地下室5層B1、B2兩點，兩點之間的高差通過電子水準儀聯測，并設置B1、B2兩點傳遞高差及水準儀觀測高差的校核限差為 1 mm，當高差較差超限時，要求重新進行高程傳遞。

(3)地下室5層沉降觀測點部分：以B1為起點串聯各沉降觀測點閉到B2，與工作轉點A組成閉合環進行嚴密平差計算。

3.4傳遞結果

利用基坑支護橫梁作為高程傳遞平臺，分別將A點高程轉遞至地下室B1、B2兩點。假定A點的高程為零，所采用的鋼尺是經過檢定的，鋼尺的各項參數為：尺帶膨脹系數為0.000 011 5，零誤差溫度為20°，標準張力為 50 N。懸掛鋼尺傳遞過程中，需同時記錄上下兩處的觀測溫度和重錘的重量。為了方便計算，傳遞過程中采用與標準張力相當的重錘。傳遞結果如表1所示。

分析表1可知，在標準張力下進行高程傳遞計算簡便，傳遞結果精確、穩定性高。

3.5實驗結果

建筑物施工出地面后，在首層和地下室分別選擇A、B兩個固定點，利用樓梯間隙和地下室車道，分別采用懸掛鋼尺法和變形測量一級水準測量方法，將A點的高程傳遞至地下室B點。對不同改正溫度、不同張力下的高程傳遞進行實驗，并與一級水準測量結果進行了對比，實驗結果及對比數據分別如表2、表3和表4所示。

加入溫度改正和張力改正后，懸掛鋼尺法測量的10組數據與一級水準測量結果對比如表4所示。

由表2可以看出，溫度改正對觀測精度影響較大，改正溫度的選擇對觀測結果有系統性的誤差影響，特別是上下溫度差較大時，選擇合適的改正溫度有利于提高懸掛鋼尺法傳遞高程的精度；表3的數據表明，在溫度相同的條件下，張力改正對觀測結果影響巨大，與標準張力相差18.8 N時，張力改正達到 4.59 mm；分析表4可知，懸掛鋼尺法傳遞高程加入溫度改正和張力改正后的與一級沉降觀測結果最大差值為 0.24 mm，均值與一級沉降觀測結果較差為 0.05 mm，滿足一級沉降精度要求。

4結語

本文簡要介紹了懸掛鋼尺法傳遞高程的基本原理，對其理論精度進行了分析，結合具體工程實例，對基于該方法的深基坑沉降觀測方案、數據處理、傳遞結果及實驗結果進行了深入分析研究，得到以下幾點結論：

(1)懸掛鋼尺法傳遞高程技術成熟、操作簡單，加入溫度改正和張力改正后，測量結果精確、穩定性高，能夠滿足一級沉降觀測精度要求。但傳遞的高度受鋼尺長度的限制，對場地條件有一定的要求；

(2)將地面高程獨立兩次傳遞到地下室，并用水準儀進行高差檢核，滿足設置限差要求后，聯合上下兩個測段水準測量數據進行嚴密平差計算，該數據處理方案合理、可行；

(3)溫度改正和張力改正直接影響高程傳遞的精度，加入合適的溫度及準確的張力改正有利于提高傳遞精度；

(4)改正溫度的選擇對懸掛鋼尺法傳遞高程觀測結果有系統性的誤差影響，選擇高程傳遞上下兩處溫度均值計算溫度改正更加合理、可行。

參考文獻

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[4]余曉波. 淺談三角高程測量在建筑物沉降監測中的應用[J]. 測繪與空間地理信息，2012(9).

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[7]姜韶，匡志威，張翠峰. 懸掛鋼尺法在地鐵高程聯系測量中的應用[J]. 城市勘測，2014(3).

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[9]章書壽，華錫生. 工程測量[M]. 北京：水利水電出版社，1994.

The Application of Suspended Steel Tape in Settlement Observation of Deep Foundation Pit

Duan Peng1，Lan Zeying2

(1.Guangzhou Urban Planning & Design Survey Research Institute，Guangzhou 510060，China；2.School of Management Guangdong University of Technology，Guangzhou 510520，China)

Key words：settlement survey；suspended steel tape；elevation transferring；accuracy analysis；deep foundation pit

Abstract：With more and more high-rise buildings，the elevation transmission of the deep foundation pit is an important problem to be solved in the settlement observation. Suspended steel tape because of its simple operation，accurate result and high reliability，has been widely used in engineering. Combined with practical engineering，this paper studies deeply on the suspended steel tape used in the settlement observation of deep foundation pit. Practice has proved that the suspended steel tape can meet the elevation transfer accuracy requirements of high level of settlement observation. Finally，it has a typical demonstration of the significance to the similar project.

文章編號：1672-8262(2016)03-137-04

中圖分類號：P258，TU196

文獻標識碼：B

*收稿日期：2016—03—29

作者簡介：段鵬(1980—)，男，碩士，工程師，現主要從事變形監測、規劃測繪研究。

基金支持：國家自然科學基金青年科學基金項目(41301377)