反射片為協作目標的自由設站法在基坑監測中的應用

2019-11-07 11:49:30鄧念武李韋童

水電與新能源 2019年10期

張梟，鄧念武，李韋童

(武漢大學水利水電學院，湖北武漢 430072)

基坑變形監測是基坑安全監測的重要內容，目前基坑水平位移監測常用方法有視準線法、小角法、前方交會法等；基坑沉降監測常常采用水準測量，這些方法均要求設置穩定的工作基點。但由于基坑及周邊均存在一定的變形，設立在基坑附近的工作基點穩定性往往難以保證[1]。另外，為了安全和保護環境的需要，基坑施工現場一般進行圍擋施工，場地往往比較狹窄，且圍擋內施工情況復雜，使得在監測點上布設棱鏡困難且危險[2-3]。鑒于此，提出以反射片為協作目標的自由設站法監測基坑及其周邊構筑物的變形。首先將工作基點設置在基坑影響范圍線外的穩定構筑物上，在監測點附近設置臨時測站，通過后方交會得到測站點坐標、高程和定向角，然后應用極坐標法測定各監測點的坐標和高程，從而求得水平位移和沉降。該方法中工作基點和觀測點均用反射片作為協作目標，這樣可以節省人力物力，并且能夠保證監測精度。

1 監測概況

如圖1、2所示，湖北荊州某箱涵下穿洪監高速公路橋，左右兩側靠近高速公路橋橋墩，目前高速公路橋橋梁已安裝完畢，橋梁底部離地面約10 m，箱涵基坑深度7 m，箱涵垂直穿過洪監高速公路，箱涵邊緣距離橋墩最近僅1 m，為保證基坑影響范圍內橋墩及基坑邊坡安全，必須對基坑圍護結構及公路橋橋墩進行監測。

圖1為該箱涵變形監測的部分工作基點和監測點示意圖，在基坑開挖影響范圍以外的橋墩上布設4個工作基點SPK1、SPK2、SPK3、SPK4，在基坑影響范圍內的橋墩底部各布設一個沉降監測點，編號為X1、X2、X3。基坑圍護結構拉森鋼板樁頂部布設4個水平垂直位移監測點，編號為Z1、Z2、Z3、Z4，工作基點及監測點均為反射片(如圖3所示)。

圖1 測點布置示意圖

圖2 現場照片

圖3 反射片圖

2 精度分析

2.1 自由設站測站精度分析

將徠卡全站儀TM50自由設站于P點(如圖1所示)，利用后方交會法測定P點坐標、高程和定向角。

設P點到各工作基點的方位角、天頂距、斜距觀測值分別為Li、Ai、Si。建立誤差方程[4]：

(1)

(2)

(3)

V=BdX-L

(4)

式中，dX=[dx，dy，dz，dω]

結合最小二乘原理：

VTPV=min

(5)

聯立方程有：

dX=(BTPB)-1BTPL

(6)

得出自由設站法測站點三維坐標及定向角平差值：

(7)

自由設站觀測值按經驗定權，取方向觀測中誤差mL為單位權中誤差，及m0=mL。則方向L、斜距S、天頂距A觀測值的相應定權公式為：

(8)

2.2 監測點精度分析

測站P位置信息及定向角確定后，監測點坐標和高程可通過如下公式計算：

XM=XP+SsinAcos(ω+L)
YM=YP+SsinAcos(ω+L)
ZM=ZP+ScosA

(9)

式中：XP，YP，ZP為測站點坐標和高程；XM，YM，ZM為監測點坐標和高程；L、S、A為各監測點的水平方向、斜距、天頂距觀測值。監測點坐標精度可由誤差傳播定律計算：

(10)

(11)

(12)

式中：mXM，mYM，mZM為監測點中誤差；mXP，mYP，mZP為測站點中誤差；mω為定向角中誤差。

2.3 監測點精度估算

采用上述方法對監測點X1、X2、X3監測精度進行估算，徠卡全站儀TM50標稱測距精度為0.6 mm+1 ppm×D，測角精度為0.5″，采用自由設站確定測站點坐標、高程以及定向角；對每個監測點觀測2個測回。根據現場建立的坐標系、水平角、豎直角和斜距觀測數據進行精度估算，估算結果如表1所示。

表1 測點精度估算表 mm

3 實驗驗證

表2 實測數據中誤差計算表 mm

可以看出，表1與表2中各監測點坐標中誤差吻合較好，驗證了理論計算和試驗驗證的一致性和正確性，監測點坐標和高程的精度較高，完全可以滿足基坑監測精度的要求。

4 現場監測及分析

按照上述方法對基坑開挖影響范圍內橋墩及基坑邊坡進行監測。規定測點X1、X2、X3的沉降向下為正，反之為負；測點Z1、Z2、Z3、Z4的水平位移以向基坑方向為正，反之為負。圖4為橋墩監測點沉降過程線圖，圖5為拉森鋼板樁水平位移過程線圖，圖6為拉森鋼板樁沉降過程線圖。

從圖中可以看出，橋墩各沉降監測值基本分布于±2 mm以內，說明橋墩處于穩定狀態；鋼板樁水平位移在2018年11月7日以前處于穩定狀態；2018年11月7日至11月10日，Z1、Z2、Z4出現了向基坑內較大的水平位移，施工情況表明該段時間正在拆除該位置的橫向支撐，隨后鋼板樁處于穩定狀態；鋼板樁均有一定沉降，但總體變化不大。監測數據與現場巡視檢查情況完全吻合。