拓普康MS05AXII 測量機器人在基坑變形監測中的應用

鄒道磊 楚國天 代 杰

（1、菏澤市測繪院，山東 菏澤 274000 2、山東軌道交通勘察設計院，山東 濟南 250000）

1 概述

城市建設快速發展，基坑開挖的深度增加及監測區域增大，為保證基坑施工建設安全以及基坑周邊建筑物的安全，應加強基坑變形監測。在建筑物基坑邊坡穩定性監測中，邊坡的垂直位移監測采用精密二等水準測量，監測點的水平位移監測采用測量機器人測量方法[2-3]。在實際的建設工地現場，由于基坑周邊建設護欄，現場環境復雜造成工作基點與基準點的通視較差，對基坑邊坡監測造成很大的影響。本文基坑邊坡水平位移監測方法采用全站儀測量機器人自由設站法進行監測。

2 測量機器人測量原理及誤差分析

2.1 測量原理

全站儀測量機器人系統包括：電子測角、電子測距等系統。自動監測方式通過全站儀自動搜索識別和自動照準目標，從而獲取監測點空間三維坐標。全站儀通過極坐標法進行測量，獲取斜距及水平角和垂直角，計算得出三維坐標。

圖1 全站儀測量原理

2.2 反射棱鏡的誤差影響

反射棱鏡是一個直角三棱錐體。反射棱鏡具有以下特性：入射光線和反射光線平行；不同反射路線其棱鏡內部光程相等。不同的入射角對棱鏡內光程有一定的影響。其光程會隨著入射角變化而變化，其式（2）如下：

其光程D 變化量差值在的全站儀測距結果能體現出來。基坑監測中使用的棱鏡其棱邊邊長a=75mm、棱鏡折射率n=1.52，棱鏡內光程D 隨入射角i 的變化的關系如圖2。

圖2 光程值與入射角變化關系

根據入射角與光程差值變量關系，要使棱鏡內光程變化差值小于1mm，光線入射角應小于150。當全站儀與監測點距離較短時，應增強反射棱鏡的定向瞄準操作精度。

3 測量機器人定位精度分析

基于空間極坐標測量原理即可求定各監測點在該空間直角坐標系下的坐標，因測量機器人只進行邊坡水平位移監測[4-5]，垂直方向精度不再進行分析。對式（1）求偏導得出平面位置中誤差

式中D 測站點到監測點斜距，β 為高度角，α 為目標點的方位角。拓普康MS05AXII 測量機器人的測角精度為0.5″，棱鏡可達到工業級的0.6mm + 1ppm；反射片可達到0.5mm + 1ppm。根據現場監測點分布圖顯示監測區域內監測點的高度角都小于15°，在不考慮球氣差的改正，根據式（3）得出監測點的中誤差分布如圖4 所示。

圖3 入射角與光程差值的變量關系

根據基坑監測報警值（表1）所示，基坑的邊坡樁錨、排樁支護段頂部水平位移累計報警值為35mm，變化速率報警值為4mm/d。根據基坑頂部的水平位移監測精度（表2）及水平監測預警值確定（表1）所示，此項目基坑監測點坐標中誤差小等于1.5mm。

表1 基坑監測報警值

表2 水平位移監測精度要求

根據現場監測點分布圖顯示監測區域內監測點到工作基點的距離最大280m, 在不考慮在不考慮球氣差的改正時，根據圖4 得出監測點坐標觀測最大坐標中誤差為1.049mm，所以拓普康MS05AXII 高精度全站儀對監測點的觀測精度滿足于水平位移監測精度要求。

圖4 監測點觀測中誤差曲線圖

4 基坑監測與資料分析

在菏澤謀寫字樓工程建筑物基坑工地，根據現場環境布置如圖5 所示的后方交會控制網，其中A、B、C、D4 位基坑觀測的平面基準點，平面控制點布設在施工場地附近的已有建筑物上，建筑物位于基坑影響以外。4 個控制點采用獨立坐標系，用拓普康測量機器人以4 個測回進行自動觀測，通過評查得出4個控制點的平面坐標，坐標取位至0.1mm。

圖5 基坑監測點布設示意圖

進行基坑觀測時分別在M1、M2 位置自由設站安置測量機器人，自動觀測4 個控制點和27 個監測點，每次檢測都在微風光照照射較弱的條件下觀測，每期數據進行獨立自動觀測3 次。

基坑監測周期為2021-3-10-2021-7-30，基坑開挖及支護、基礎施工期間檢測頻率高，施工到達正負零以上，檢測頻率逐漸降低。監測點水平位移隨時間的變化曲線如圖6 所示。

圖6 基坑邊坡監測點平面位移圖

圖6 中所示基坑監測點在基坑開挖及支護、基礎施工期間水平位移量較大，施工到達正負零以上水平位移量不怎么變化，最后幾期監測水平位移趨于平穩。

5 結論

本文分析了通過拓普康MS05AXII 高精度全站儀自由設站及自動跟蹤觀測相結合的方法，所獲得監測數據成果能夠滿足基坑邊坡監測的精度要求。本文只是驗證拓普康高精度全站儀邊坡的水平位移監測，基坑監測點的沉降觀測采用二等水準測量，通過全站儀自動化監測，節省了觀測時間，并且監測成果具有了良好的可靠性。