全站仪在基坑变形监测中的应用

全站仪在基坑变形监测中的应用

肖好良

（广东喆田勘测技术有限公司  广东 佛山 528200）

摘要：随着我国经济社会的快速发展，各个行业技术水平得到大幅度的提高，其中较为突出的是建筑行业，最近几年间，建筑行业发展迅速，建筑规模和数量不断提升。在进行建筑施工时，出现的问题也在逐年增多，比如在进行高层建筑施工时，就经常会出现基坑变形，如果没有对基坑的变形做到一个合理的控制，就会有可能影响到整体建筑质量。本文针对基坑的变形监测进行分析研究，在对全站仪关于自由设站观测方面的原理进行仔细分析之后，借助高精度的测量仪器建立的高精度控制网对工程变形进行有效的监测，通过对监测结果的处理与分析，验证全站仪在工程变形监测应用的快速性、准确性。

关键词：全站仪  变形监测  准备性

作者简介：肖好良（1989.08-），男，江西吉安人，硕士研究生，主要研究方向为建筑工程测量、地理信息系统等

为了更好地利用城市有限的土地资源，优化城市总体环境结构，城市建设越来越向高层楼宇建筑发展。高层建筑具有体形结构大、楼层多、高度高、造型艺术多样化、建筑结构复杂、装潢标准高等特点，因此，其建筑物变形监测手段和目标重点也有所不同。因此需要利用先进的仪器对建筑物变形进行动态观测，一方面可以通过仪器现场实时监测到工程特性数据，动态指导工程设计和施工，有效提高工程建设质量、降低工程投资成本；另一方面可以及时预报和发现施工过程中可能出现的险情及险情点位置和发展程度，给设计和施工人员提供相应可靠数据，便于及时采取准确可靠的安全补救措施。将现场测量结果用于信息化反馈优化设计，使设计达到优质安全、经济合理、施工快捷的目的。检验设计所采取的各种假设和参数的正确性，指导基坑开挖和支护结构的施工，达到理论与实践的结合为以后的理论设计提供依据。

随着国民经济持续快速发展，城市规模也在不断膨胀，用地代价日趋昂贵，建筑物向空中和地下发展便成了常用的手段，因而越来越多的深基坑工程伴随而来。由于基坑开挖会涉及到自身的稳定和周围构造物的安全，如基坑的失稳、崩坍，其后果都是非常严重的，而这类的基坑施工事故时有发生。为了保证基坑的安全施工，对基坑实施变形监测是必备的质量安全保障措施。其中，基坑的位移监测就是一项重要内容。目前，全站仪已成为一线监测人员对基坑监测的主要工具，利用全站仪高精度的特性能更好的对基坑进行监测。

一、全站仪概况

全站仪，即全站型电子测距仪（Electronic Total Station），是一种集光、机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离（斜距、平距）、高差测量功能于一体的测绘仪器系统。与光学经纬仪比较电子经纬仪将光学度盘换为光电扫描度盘，将人工光学测微读数代之以自动记录和显示读数，使测角操作简单化，且可避免读数误差的产生。因其一次安置仪器就可完成该测站上全部测量工作，所以称之为全站仪。广泛用于地上大型建筑和地下隧道施工等精密工程测量或变形监测领域。

全站仪的望远镜实现了视准轴、测距光波的发射、接收光轴同轴化。同轴化的基本原理是：在望远物镜与调焦透镜间设置分光棱镜系统，通过该系统实现望远镜的多功能，即既可瞄准目标，使之成像于十字丝分划板，进行角度测量。同时其测距部分的外光路系统又能使测距部分的光敏二极管发射的调制红外光在经物镜射向反光棱镜后，经同一路径反射回来，再经分光棱镜作用使回光被光电二极管接收；为测距需要在仪器内部另设一内光路系统，通过分光棱镜系统中的光导纤维将由光敏二极管发射的调制红外光传也送给光电二极管接收 ，进行而由内、外光路调制光的相位差间接计算光的传播时间，计算实测距离。同轴性使得望远镜一次瞄准即可实现同时测定水平角、垂直角和斜距等全部基本测量要素的测定功能。加之全站仪强大、便捷的数据处理功能，使全站仪使用极其方便。

自由设站是全站仪对高层建筑物进行变形监测所采取的主要观测法。全站仪在监测过程时，在建筑物基坑附近任意设置一个便于观测的观测站，并随意设置测站点的空间坐标和方位角，以角度和距离同步测量的极坐标分析为基础，结合仪器高精度数据智能采集分析能力，对监测目标进行自动识别定位。

全站仪的自由设站观测原理实际上就是由观测人员根据基坑附近环境状况，建立一个自由的观测站坐标体系，然后从观测站上动态观测若干个已知的选定了的基准点的方向和距离，这样就可以将多个基准点的数据进行联合处理，从而获得自由极坐和统一坐标系下的两套精确的数据集。然后利用便携式计算机或全站仪内置程序自动分析就可以把自由坐标系下的数据转换成统一坐标系下的数据信息。

全站仪三角高程测量中按照水准测量的作业方式施测，即在两置镜点中间适当位置无对中任意安置全站仪按水准测量方式作业，测定两置镜点高差，然后同水准测量作业方式一样，棱镜与全站仪交替前进，完成各置镜点测量；此方法灵活方便，不量仪器高和棱镜高，即能克服地形环境因素对高程传递的影响，又能保证足够的精度。

二、水平位移监测

1.点位埋设

永久性的水平点是在控制点处设立永久性的水平点标石，标石埋设于地下一定深度，也可以将标志直接灌注在坚硬的的岩石层上或坚固的永久性的建筑物上，以保证水平点能够稳固安全、长久保存以及便于观测使用。

基坑工程监测点的布置应能反映检测对象的实际状态及其变形趋势，监测点应布置在变形关键特征点上，并应满足监控要求，基坑工程监测点的布置应不妨碍监测对象的正常工作，并应减少对施工作业的不利影响。

（1）基准点的布设

在施工影响范围外（3倍基坑设计深度）稳定的位置埋设3个基准点，编号为：BM1~BM3，可相互检验其稳定性。基准点采用粗螺纹钢筋埋设，顶部加工成半球形，中间打一个直径约0.3mm的对中小孔，深入土层并进入中微风化岩层约1～2m，并用混凝土浇灌形成一个大小为300×200×50mm的混凝土立方体保护墩。基准点的示意图如图3-1所示。

基准点的保护措施主要是在基准点的上方设置一个大小为300×200×50mm的混凝土立方体保护墩，保护墩上方设置保护盖，保护盖上方写有“监测基准点，法律保护”的醒目标志，保护墩侧方写有“监测基准点，法律保护”的醒目标志，提醒施工单位和相关单位进行有效的保护，并标记上基准点的编号。

基准点的位置详见附件中基坑监测平面布置图。

图2-1 基准点布置图

（2）位移点的布设

监测点的埋设位置根据设计图纸的要求进行，如果实际点位的埋设位置不能按照设计图纸的要求进行埋设，那么根据基坑现场实际情况而布设监测点，监测点的埋设方法与工作基准点的埋设方法类似。混凝土墩的尺寸为：长×宽×高=200×200×50mm。监测点墩示意图如图2-2所示：

为了保护点不受辗压影响，做好清晰的保护标志，方便保存监测点。

图2-2 监测点墩示意图

2. 监测方法

水平位移监测是指用观测仪器和设备对建筑物及地基有代表性的点位进行的水平方向位移量的量测。监测并分析水平位移的规律性，目的在于了解建筑物在内、外荷载和地基变形等因素作用下的状态是否正常，为工程安全运行提供依据。

（1） 极坐标法

水平位移采用极坐标法，按一级变形精度要求作业。位移监测时，两次照准目标读数差≤6″，半测回归零差≤8″，一测回内2C互差≤13″。控制网技术要求如表2-1所示：

表2-1 控制网技术要求

注：表中未考虑起始误差的影响。

极坐标法是利用数学中的极坐标原理，以两个已知点为坐标轴，以其中一个点为极点建立极坐标系；测定观测点到极点的距离，测定观测点与已知坐标轴的角度，来计算观测点的坐标。如图2-3所示：

图2-3 极坐标法示意图

测定待求点C坐标时，先计算已知点A、B的方位角：

   （1）

测定角度和BC边长S，根据方位角计算公式，计算BC方位角：

（2）

计算C点坐标：

（3）

（4）

（2）小角度法

小角度法观测，首先要求起始方向与观测点方向的夹角很小（最好在30秒以内），基准点与观测点距离不大于100m。在选定的水平位移监测基准点上安置全站仪（或全站仪），精确整平对中，瞄准另一端的水平位移监测基准点作为起始方向，依次按方向观测法测定水平位移观测点与基准点连线偏离起始方向的角度，本次观测角度与上次观测角度之差为本次观测变动值，水平位移观测点到基准点的水平距离值由全站仪测出，由以下计算公式计算出观测点沿垂直于起始方向的位移量。如图2-4所示：

图2-4 小角度法示意图

（1）计算公式：

式中：——本次观测角度与上次观测角度之差（″）；

——常数，=206265；

S——工作基点至监测点的距离（mm）。

三、工程案例

1 .工程概况

拟建项目位于佛山市禅城区湖景北路以东、季华六路以南。拟建项目基坑场地地面相对标高±0.00相对于绝对标高4.10m，现场地面平整至绝对标高3.60m，基坑底标高按绝对标高-2.60m考虑，局部按-2.76m考虑，基坑开挖深度6.20m，局部6.36m；坑中坑坑底标高按绝对标高-4.30m考虑，坑中坑开挖深度1.54m～1.70m。拟建基坑面积约9397.05m²，周长约412.86m。基坑支护结构的设计安全等级为一级，本基坑监测安全等级为二级，。该项目根据设计要求、基坑监测相关规范，确定本基坑位移的控制值、报警值以及变形的速率，如下表所示 。

图3-1基坑水平位移报警

2.位移监测

在工程进行之前，应使用经过检验的全站仪，量测精度应达到设计所需的量测精度，如图4-2所示。在周边设置若干工作基点，选择通视良好、无扰动、稳固可靠、距离基坑3倍开挖深度的位置布置三个基准点，组成监测基准网、，编号分别为BM1、BM2和BM3。通过三个稳定的已知点，用全站仪盘左、盘右测2个测回（每个测回需要重新设站），求出平均坐标（施工坐标）。

表3-2 全站仪量测精度表

监测点应布置在基坑变形较大、坑边存在严格控制变形的建筑物以及土质相对较差处。在基坑顶布置20个监测点，平面布置见图3-1。用膨胀螺栓植入冠梁或护坡混凝土中，用红色油漆做标记，如图3-2所示。

图3-1监测点平面布置图

图3-2现场监测布点图

3.数据处理与信息反馈

（1）外业观测数据记录在水平位移变形专用记录表格内，记录员在记录过程中必须随时对观测数据进行检查，发现数据有误时应及时重测。

（2）内业处理时，将外业观测数据输入相应计算程序中，计算出各监测点的本次水平位移和累积水平位移，，并用表格形式打印出来，如图4-5所示，累计位移最大为WY4，位移量为32.3mm，监测点位移量报警值为50mm，该监测点WY4的累计位移量未超过报警值；本次变形速率最大为WY1，变形速率为-0.22mm/d，监测点变形速率允许值为6mm/              d，该监测点WY1的变形速率未超过允许值，若变形速率或累计变形量达到报警值时，必须立即口头通知业主、监理单位，并在24小时内向业主、监理单位、施工单位和其他有关部门提供书面报警函、监测简报。加密监测频率，跟踪监测基坑变形，并向业主、监理和施工单位汇报监测结果和变形发展趋势。

表3-3 坐标分析示意表

（3）根据外业测量得到的位移数据，计算出垂直基坑边累计变形量，为了更加直观的反应基坑的变形情况，我们常常会采用曲线图的形式来反映监测情况，在曲线图上变形量的大小、有无突变情况和有无出现报警情况都能直观的显示出来，如下图所示。

图3-3基坑顶水平位移曲线图

记录员需记录观测时段的天气情况，基坑施工工况，周围堆载等情况。

四、结论

本工程项目位于佛山市禅城区湖景北路以东、季华六路以南，拟建基坑面积约9397.05m²，周长约412.86m。基坑支护结构的设计安全等级为一级，本基坑监测安全等级为二级。

测量规范根据《建筑基坑工程监测技术规范》 、《建筑基坑工程技术规程》 、《建筑变形测量规范》 、《工程测量规范》等相关法律法规。

通过对禅城区湖景北路某项目的监测，得出以下几点结论： 

1. 基准点，应选在变形区域之外稳固可靠的位置，每个工程至少应有3个基准点，垂直位移基准点宜采用双金属标或钢管标。

2.工作基点，应选在比较稳定且方便使用的位置，垂直位移监测工作基点可采用钢管标。

3.变形观测点，应设立在能反映监测体变形特征的位置或监测断面上。

4.监测基准网，应有基准点和部分工作基点构成。监测基准网应没半年复测一次；当对变形监测成果发生怀疑时，应随时检核监测基准网。

5.采用相同的图形（观测路线）和观测方法。使用同一仪器和设备，观测人员相对固定，记录相关环境因素，包括荷载、温度、降水、水位等，采用统一基准处理数据。

6.当变形速率或累计变形量达到报警值时，及时向业主、监理和施工单位汇报监测结果和变形发展趋势。

文献摘要：

[1] 王洪，徕卡TS30 超高精度全站仪在变形监测中的应用[J]. 辽宁工程技术大学学报: 自然科学版，2015，34(3):401-404.

[2] 杨鹏源，全站仪在工程变形监测中的应用[A].兰州理工大学土木工程学院004-0366(2009)01-0125-04

[3] 黄泽健，TCA 2003全站仪在基坑水平位移监测中的应用[B].中国有色金属工业长沙勘察设计研究院，1009-8992(2007)01-0009