基坑水平位移监测方法的研究
2015-05-08
1、概述
随着我国城市化进程的加快和建筑水平的提高，基坑工程在数量、开挖深度和使用领域方面得到了快速增长。在城市中深基坑工程往往处于密集的既有建筑物、道路桥梁、地下管线、地铁隧道或人防工程附近。在基坑开挖和施工过程中，支护结构体系、邻近建筑物及道路管线的安全性、稳定性显得尤为重要。如果处理不当，不仅将危及基坑本身安全，而且会殃及临近的建构筑物、道路桥梁和各种地下设施，造成巨大损失。系统、全面、高精度的基坑监测工作能给基坑工程的安全提供有力的保障。
在基坑监测的各个监测项目中，支护结构的水平位移监测是最直观、最快速的反应基坑及周边环境安全的重要手段之一。深基坑工程一般集中在城市中心区域，基坑工程施工场地狭小，经常发生基准点间不通视、基准点和监测点间不通视以及设站条件困难等问题。监测不能顺利进行，就会造成支护结构的变形情况不能及时、准确地被反应出来。另外一点，目前基坑监测市场竞争非常激烈，如何在激烈的竞争中抢占一定的市场份额，需要我们在技术手段上有所创新。
针对上述情况，研究一种能保证监测精度要求而又不受通视条件影响的水平位移监测的综合方法，对施工决策者提供及时准确的数据，使基坑工程的顺利进行有着重要意义。
课题研究的主要内容是自由设站的监测方法、强制对中基准点形式和监测点形式。下面分别对研究内容进行详细论述。
2、监测方法的研究
水平位移监测的方法总结起来有视准线法、坐标法和交会法。通过多年的工程监测实践发现，对于基坑水平位移监测，极坐标法是最为简便、快捷的方法，能够完全反应出变形体在水平方向的绝对位移，而且不受基坑形状的限制。
在已知点A安置仪器，后视点为另一已知点B，通过测得AB—AP的角度，A点至P点的距离，计算得出P点坐标。设A点坐标为A（XA，YA），A—B的方位角为αA-B，则P点坐标P（XP，YP）的计算公式为：
XP=XA+S*cos（αA-B+β）
YP=YA+S*sin（αA-B+β）
目前用于基坑水平位移监测的仪器为电子全站仪。随着科技的发展和计算机水平的提高，全站仪的测量精度越来越高，而且内置了丰富的计算程序，使测量工作变得简单易行。
在很多深基坑工程中，特别是在软土地基开挖的深基坑工程，经常会遇到设置有2～3道水平支撑。第二道、第三道水平支撑的水平位移监测是深基坑工程监测的重点和难点。一般情况下，由于通视条件十分困难，采用常规的监测手段很难顺利地完成监测工作，如图2所示。
即使在只设置一道水平支撑的基坑，由于基坑周围放置大量的施工材料和机具，经常造成水平位移监测不能通视，使监测工作不能顺利进行，如图3所示。
A、B、C三点为基准点，在基坑监测过程中很容易出现三点不能相互通视的情况，给监测工作带来很大困难。
为了解决上述问题，课题组通过实验，研究了一种不受通视条件影响的自由设站方法，取得了很好的监测效果。如图4所示，P点为自由设站点，只要在P点的位置能够同时看到两个基准点，P点的位置就可以随意设置，监测起来非常方便。此方法是本课题研究的重点，下面详细介绍一下基本原理。
A、B为已知点（基坑水平位移监测的基准点），P为自由设站点，C1、C2、C3为监测点。当A、B两点不通视，或者A、B两基准点与监测点C1、C2、C3不通视，就无法完成监测工作。自由设站法的基本思路是在适当的位置设置测站点P，在P点观测PA、PB两条边长S1、S2和两边的夹角来解算出P点坐标，在P点完成对C1、C2、C3的监测。
自由设站点P的坐标解算思路可以按附合导线的计算思路来解算，设导线从A点出发经P点附合到B点，计算的关键是计算PA、PB的坐标方位角。
①根据余弦定理 、 公式可分别计算出∠PAB=、∠PBA= 。
②根据导线测量中方位角传递公式可分别计算出AP和BP的坐标方位角。公式含义为推算路线前进方向上的前一条边的坐标方位角，等于后一条边的坐标方位角加转折角，再加或减180°。具体计算时如转折角为左角时，为正角，转折角为右角时为负角。当＞180°时就减去180°，当＜180°时就加上180°。
③计算P点坐标值可按下式计算，式中、分别为AP和BP的坐标方位角。
从A点起算；
从B点起算；
④计算点位误差：理论上从A、B两点起算，解算出自由设站点P的坐标值应该相等。但因仪器自身或外界因素影响，测量存在误差，两者并不相等。此时坐标误差、，点位总误差 。当值小于设定的相应等级监测的误差值时，可以进行简易平差，取两个坐标值的平均值作为自由设站点P点的坐标值进行设站观测。如果大于设定的相应等级观测精度时，则需要查找原因重新测量。
自由设站方法中P点的坐标计算稍显复杂，为了提高效率可以用可编程计算器编好程序，在监测现场就能即时设站进行监测。在现场实验中，课题组是用excel软件编写的计算程序，在工程现场即时计算进行监测。
3、监测点形式的研究
在基坑水平位移监测中，监测点一般埋设在支护结构上（帽梁、水平支撑等）。大多数情况下基坑的支撑结构都在自然地面以下1.5m～3m左右，而基坑周边还要搭设1.5m高的防护网，测量视线严重受阻。为了解决上述问题，课题组研制了一种简单易用的监测点，是在设计位置钻孔埋入约5cm长螺纹钢筋，在磨平的钢筋顶面用电钻钻一直径约5mm小孔。观测时利用棱镜对中杆的尖端放入监测点的小孔内，这样就能保证每次观测都能对中同一位置。
棱镜对中杆只能靠圆水准器整平，而圆水准器的整平精度在3′左右，使棱镜对中杆垂直误差过大，不能满足监测精度要求。通过反复试验提出了利用旋转棱镜杆多次读数的方法解决。考虑到棱镜对中杆的垂直误差影响，如果旋转棱镜对中杆测读无穷多个读数，读数坐标的点位轨迹应该是以真实点位为圆心，以棱镜对中杆垂直误差为半径的圆，作如图11所示。经过现场大量的试验数据证明，实际操作时旋转棱镜杆每90度读一次数，即a、b、c、d四个位置共读4次数，4个数值取中数为监测点点位坐标，可以满足基坑水平位移监测的精度要求。
4、现场实验与应用
按上述操作原理，并采用所研制的强制对中脚架和监测点对中方式，课题组进行了实地测量实验。为了减小起算误差测量采用独立坐标系。如图12所示，以A点为原点，坐标设为（0，0），以AB边为坐标纵轴，精确测定AB距离为130.063m，则B点坐标为（0，130.063），精确测定C点坐标为（-40.323，20.538），以自由设站方法多次测量C点坐标进行数据对比分析。
通过以上实验及数据分析（见表3），测量的点位误差W总=±1.3mm，参考《建筑基坑工程监测技术规范》（GB50497-2009）中的相关规定，最高安全级别的基坑水平位移报警值为累计10mm，变化速率2mm/d。说明此测量方法能够满足基坑监测的精度要求。
在课题研究期间，按上述实验方法分别在天津新华世纪广场、团泊盛湖园、天津富力中心、咸水沽第四小学等工程中应用，并取得了良好的效果。下面详细介绍一下在天津新华世纪广场基坑监测工程中的应用情况。
天津市新华世纪广场工程位于天津市和平区营口道、和平路、承德道、大沽北路所围地段。基坑设计深度14.3～15.3m（局部20.3m），基坑支护采用带2道水平支撑的钢筋混凝土灌注桩支护形式，腰梁、环梁及支撑采用钢筋混凝土现浇结构。支护结构外侧为水泥土搅拌桩止水帷幕。基坑设计安全等级为一级。基坑水平位移监测共布设4个基准点，布设30个监测点。
该工程基坑水平位移自2010年8月20日开始监测，至今仍在监测。前期水平位移采用常规方法监测，2011年10月开始采用前述实验方法进行监测。因工程位于市区中心地带，工程施工现场非常狭小，基坑边缘距围墙最近处仅有3m。图14为工程施工场地一角，现场施工材料、施工机具等经常阻挡监测视线，采用常规监测方法非常困难。2011年10月以前监测时经常因视线遮挡，有部分监测点无法及时、准确地提供监测数据。表4所示为前期提供给甲方的监测数据。
自2011年10月以后，通过安装的强制对中装置、采用自由设站的方法使水平位移监测得以顺利进行。在实际监测过程中此方法不仅提高了观测精度、速度，而且以前测不到的监测点，现在也能很容易的监测到。特别是在水平支撑拆除期间，及时、准确、全面地监测数据，为基坑支撑拆除工作提供了安全保障。
