自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中實用性及可靠性分析

胡結(jié)實 （安徽省建筑工程質(zhì)量第二監(jiān)督檢測站，安徽 合肥 230031）

1 引言

隨著合肥市城市基礎(chǔ)建設(shè)的發(fā)展，越來越多的高層建筑及超高層建筑拔地而起，讓整個城市邁入高層時代，挖深14m～19米的深基坑也開始屢見不鮮；自2012年合肥市跨入地鐵建設(shè)的第一天起，隨著軌道交通1～5號線陸續(xù)開工建設(shè)及開通，地鐵隧道工程使得合肥市的深基坑工程朝著深度更深、面積更大、區(qū)域更廣的趨勢發(fā)展，其中大東門站，是合肥軌道交通1號線和2號線的交匯點和換乘樞紐，也是迄今為止國內(nèi)罕見的復(fù)雜地質(zhì)、超大體量、四周高樓林立的地鐵換乘車站。兩站斜交呈“T”型，其中1號線車站在下，為地下四層三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，也是1號線全線地下最深的站點；2號線車站在上，為地下三層三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，這個挖深32m的超深基坑，在合肥也是第一次出現(xiàn)。伴隨著高層建筑及地鐵建設(shè)的發(fā)展過程，隨之而來因深基坑施工而出現(xiàn)的工程事故也因此屢有發(fā)生，造成的人身損失和經(jīng)濟損失也不在少數(shù)。

在這種大建設(shè)的發(fā)展背景下，深基坑施工中的安全問題也愈來被各級行政管理部門重視起來。為了加強對合肥市深基坑工程管理，確保深基坑和相鄰建（構(gòu)）筑物、道路、地下管線等的安全，合肥市城鄉(xiāng)建設(shè)委員會于2016年制定發(fā)布了《合肥市深基坑工程管理規(guī)定》，加強對深基坑從勘察設(shè)計到施工、監(jiān)理，以及監(jiān)測、檢測各項的具體管理。

1 自由設(shè)站法在深基坑變形監(jiān)測中的實際意義

深基坑施工過程中必須確保深基坑和相鄰建（構(gòu)）筑物、道路、地下管線等的安全，對于不同安全等級的基坑，《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》對監(jiān)測項目有著明確的規(guī)定，作為一級、二級、三級三個安全等級基坑變形監(jiān)測的必測項目，支護結(jié)構(gòu)頂部水平位移的監(jiān)測是基坑變形監(jiān)測中最重要的一個監(jiān)測項目。全站儀作為監(jiān)測圍護結(jié)構(gòu)水平位移的重要工具，在深基坑的變形監(jiān)測中起著至關(guān)重要的作用，如何合理的利用好全站儀的強大功能，更好更靈活的服務(wù)于基坑變形監(jiān)測，是今天要探討的問題。

在深基坑變形監(jiān)測中，水平位移的監(jiān)測通常采用極坐標(biāo)法，具體如下：在基坑開挖影響范圍外設(shè)置固定監(jiān)測基點安放全站儀，測得各監(jiān)測點坐標(biāo)，各期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行分析比較得到各測點位移量。因受施工場地所限，不是每個施工現(xiàn)場都有條件布設(shè)固定的監(jiān)測工作點，如何解決這一問題，下面筆者就合肥市某深基坑項目進行具體分析。

2 工程概況

該工程位于合肥市五河路北，東側(cè)緊鄰雙崗小學(xué)，北側(cè)和西側(cè)緊鄰現(xiàn)狀6～7F房屋，南側(cè)緊鄰五里河路及5F房屋；基坑支護開挖深度10m，基坑支護總體方案為排樁+內(nèi)支撐體系，支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.1。基坑開挖邊線距周邊房屋最小距離僅2m，基坑圍護結(jié)構(gòu)破壞后果非常嚴(yán)重。本工程地貌單元為南淝河一級階地，土層自上而下為：雜填土、粘土、粉質(zhì)粘土夾粉土、粉土與中粗砂互層，地下水主要為雜填土中上層滯水和粉土與中粗砂互層中的孔隙水。基坑底位于3層粉質(zhì)黏土夾粉土。

根據(jù)設(shè)計要求，本工程的監(jiān)測項目：①樁頂?shù)乃轿灰票O(jiān)測；②樁頂?shù)呢Q向位移；③相鄰建筑、道路沉降監(jiān)測；④支護結(jié)構(gòu)深層水平位移（測斜）監(jiān)測；⑤支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)力監(jiān)測；⑥立柱沉降；⑦圍護樁內(nèi)力監(jiān)測；⑧斜撐支座沉降及水平位移。且本項目因為周邊相鄰建筑多，距離基坑開挖距離近，同時進行了部分項目的實時監(jiān)測：①相鄰建筑的實時傾斜監(jiān)測；②支護樁深層水平位移的實時監(jiān)測；③1棟相鄰建筑的實時沉降監(jiān)測。筆者主要就本工程中圍護結(jié)構(gòu)水平位移監(jiān)測方法進行分析。

因受施工場地地形和通視條件的限制，測站點只能設(shè)置在正在施工中的場地上，該區(qū)域?qū)儆诓环€(wěn)定區(qū)域，因此，采取全站儀自由設(shè)站法對該基坑圍護結(jié)構(gòu)變形進行監(jiān)測。監(jiān)測點布置如下圖所示，共布置了3個觀測基準(zhǔn)點，50個水平位移監(jiān)測點。每次觀測時選取的測站點與基準(zhǔn)點之間的距離在200m左右，與各監(jiān)測點之間的距離為100～200m左右。

3 全站儀自由設(shè)站可靠性分析

3.1 自由設(shè)站工作原理

利用全站儀對多個測點進行坐標(biāo)測量時，若每次選取的測站點和后視點不相同，則各測點觀測坐標(biāo)必然不同，但各測點間的相對位置是相同的，全站儀自由設(shè)站法就是利用以上原理進行。

具體監(jiān)測方法：遠離基坑施工影響范圍外（一般在基坑開挖深度3倍距離以外）布置基準(zhǔn)點A、B、C，基準(zhǔn)點的布設(shè)必須穩(wěn)定可靠，設(shè)置為帶有強制對中的固定觀測墩，這樣可以消除基準(zhǔn)網(wǎng)的對中誤差。監(jiān)測過程中根據(jù)施工現(xiàn)場實際情況，選擇通視條件好、方便監(jiān)測的位置自由設(shè)立儀器觀測站，然后依次觀測各基準(zhǔn)點及監(jiān)測點，初次觀測數(shù)據(jù)作為基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，基準(zhǔn)數(shù)據(jù)的讀取必須在基準(zhǔn)點及監(jiān)測點布設(shè)穩(wěn)定后，取三次穩(wěn)定觀測數(shù)據(jù)的平均值作為整個監(jiān)測周期的基準(zhǔn)數(shù)據(jù)，形成初始坐標(biāo)系統(tǒng)，以后每期的監(jiān)測數(shù)據(jù)都與基準(zhǔn)數(shù)據(jù)及初始坐標(biāo)系統(tǒng)進行比對分析。監(jiān)測周期內(nèi)的每次監(jiān)測采取同樣操作，測得每期監(jiān)測數(shù)據(jù)，根據(jù)最小二乘法原理，將各期監(jiān)測數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，將各期監(jiān)測數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換至初始坐標(biāo)系中進行數(shù)據(jù)比較，從而判斷各監(jiān)測點位移變化情況。

各監(jiān)測周期實測監(jiān)測點數(shù)據(jù)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換至初始基準(zhǔn)坐標(biāo)的轉(zhuǎn)換公式為：

式中，n為基準(zhǔn)控制網(wǎng)中基準(zhǔn)點數(shù)量；∑x、∑y中的x、y為基準(zhǔn)點的初始坐標(biāo)數(shù)據(jù)；∑A、∑B中的A、B為監(jiān)測周期內(nèi)各基準(zhǔn)點的實測數(shù)據(jù)（不包括初始數(shù)據(jù)）；Ai、Bi為監(jiān)測點第i監(jiān)測周期的坐標(biāo)實測值；X、Y為第i期監(jiān)測點實測坐標(biāo)轉(zhuǎn)換到初始基準(zhǔn)坐標(biāo)系中的轉(zhuǎn)換坐標(biāo)。

3.2 精度分析

實際監(jiān)測中，采用全站儀自由設(shè)站法，采用極坐標(biāo)法進行觀測，各監(jiān)測點的坐標(biāo)計算公式為：

其中，α為水平角，β為天頂距，S為斜距。

根據(jù)誤差傳播定律公式，推算得各監(jiān)測點水平坐標(biāo)精度為：

式中，mα為水平角的測角精度，mβ為天頂距的測角精度，ms為測距精度。

具體到本工程，使用儀器為Topcon OS-101型，該儀器標(biāo)稱精度為測角精度±1",測距精度為±（2mm+2ppm.D），代入以上公式，通過計算可以得到，如果監(jiān)測點在距離自由設(shè)站點200m的范圍內(nèi)，則監(jiān)測點在水平位移中誤差為±2.23mm，而相對應(yīng)的深基坑二級變形測量的精度要求為水平位移中誤差為±3.0mm，所以應(yīng)用Topcon OS-101型全站儀自由設(shè)站法進行該工程的水平位移監(jiān)測是滿足工程需要的。

4 監(jiān)測成果與分析

該基坑在施工期間，總計進行了86期監(jiān)測，監(jiān)測點累計水平位移量最大為J34、J35點，分別為28mm和29mm。該部位的監(jiān)測數(shù)據(jù)在2017年9月1日至4日的監(jiān)測期內(nèi)，單次變化量達到7mm，變化速率達到2.33mm/d，累計變化量達到了設(shè)計提供的預(yù)警值20mm，但在控制值30mm之內(nèi)。經(jīng)綜合本工程各監(jiān)測項目的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析，該點的水平位移累計值（20mm）與相對應(yīng)的深層土體位移累計值（18mm）一致，根據(jù)施工工況，此時基坑的該部位正在進行鋼格構(gòu)支撐的拆除，支撐力的消失是導(dǎo)致此次監(jiān)測數(shù)據(jù)變化量過大的主要原因，經(jīng)監(jiān)測人員及時預(yù)警后，設(shè)計方調(diào)整了拆除方案，分解拆除步驟，延長了拆除支撐的時間，并增加部分土方反壓，在拆除期間進行全天候的監(jiān)測。這些措施及時控制了險情，確保了基坑安全和正常施工，之后該部位監(jiān)測點位移變化量逐漸趨于穩(wěn)定，變化速率穩(wěn)定在1mm/d之內(nèi)，直至支撐安全拆除完畢，J34、J35點的累計變化量為28mm，在控制值30mm之內(nèi)，該施工部位的支撐得以安全拆除，監(jiān)測工作達到了及時預(yù)警險情、實時監(jiān)測反饋況數(shù)據(jù)、及時給設(shè)計人員提供數(shù)據(jù)反饋、采取相應(yīng)措施的目的。

累計豎向位移量最大為13.5mm，超出設(shè)計提供的預(yù)警值10mm但在控制值15mm之內(nèi)，施工期間基坑工程支護結(jié)構(gòu)工作正常，周邊建筑無不良現(xiàn)象產(chǎn)生，施工狀況整體安全可靠。結(jié)合基坑施工狀況、周邊建筑的監(jiān)測狀況以及其他監(jiān)測項目數(shù)據(jù)綜合分析比較，全站儀自由設(shè)站法進行水平位移監(jiān)測靈活可靠，時效性強，實用性突出，很好的滿足了工程施工中不同工況條件下對于監(jiān)測工作的要求，滿足本工程水平位移監(jiān)測的精度要求。

5 結(jié)語

利用全站儀自由設(shè)站法對深基坑進行變形監(jiān)測，其作業(yè)方式靈活，操作方便，精度指標(biāo)可靠，克服了施工場地有限，通視條件差等不利因素，提高了現(xiàn)場監(jiān)測效率以及監(jiān)測工作的服務(wù)范圍，同時減少了采用固定測站點所常遇到的無法通視等問題，具有很好的工程實用價值。