施工技术 建材发展导向２０１１年０７月 某基坑工程水平位移监测及数据分析 吴锐刚 摘要：结合工程实例，本文对基坑水平位移监测的不同方法进行比较，并对极坐标法的精度进行简要分析。在水平位移监测中，通 过采用极坐标法，并配合高精度全站仪，能在确保测量精度的情况下提高测量效率，缩短测量时间。 关键词：基坑监测：水平位移；极坐标法 １引言 方法主要有：视准线法、小角度法、投点法、前方交会法、自由设 随着中国经济建设的快速发展，城市化进程的不断推进，城 市中心的高层建筑和其他地下工程越来越多，这些工程大多都 需要开挖基坑，在基坑开挖过程中，开挖引起的土体变形将在一 定程度上改变周围建筑物的正常状态，可能造成基坑塌方等险 情。因此，在基坑施工过程中，需要对基坑进行水平位移监测。 基坑水平位移是基坑边界上的观测点垂直于基坑边界向基 坑内外移动的距离。只有对基坑水平位移进行全面监测，才能对 基坑工程的安全性以及对周围建筑物的影响进行全面的了解， 以确保工程的顺利进行，在出现异常情况时及时反馈，并采取必 要的措施化解各种险情。 ２工程实例概况 本工程位于市区中心，工程所在地原为低层民居，后经过拆 迁后形成一个大的地块。本工程拟建三组高层商住楼，建筑面积 约１２．７万ｍ：，地下室３层，首层楼面标高±ｏ．ｏ０，负三层地下室地 面标高一１２．７５ｍ，首、２层为商业，３层为餐饮及绿化架空层，四层 及以上为住宅。建筑最高层数为地上２８层。地下室占地面积约 １．５万ｍ ，三层地下室总建筑面积约４．３３万ｍ２，地下室周长约 ４８９ｍ，大面积开挖基坑平面尺寸为１２５ｍｘ１２６ｍ。本工程±Ｏ．ｏ０标 高暂定珠标３．８０ｍ，现场场地标高约为珠标３．０ ３．８０ｍ。工程地下 室底板面标高为一１２．７５ｍ，局部为一１３．７０ｍ，基坑大开挖深度暂定 为１３．７ｍ，局部为１４．６０ｍ，大。 由于本基坑工程深度较大，周边环境复杂，基坑北面及东面 为市区道路，南面为住宅楼，基坑边离住宅楼最近只有１６ｍ，西 面为住宅楼及办公楼，西北角为地铁出口，环境对基坑支护结构 变形的控制要求较高，基坑支护结构采用连续墙加设两道钢筋 混凝土内支撑的方案，内支撑的环梁下设钻孔灌注桩支撑。 基坑的平面图详见图１。 ３水平位移监测方法的比较与选择 根据《建筑基坑工程监测技术规范》，测定基坑水平位移的 ・１９４・ 站法、极坐标法、ＧＰＳ测量法及综合测量方法等。 目前较常用的方法有：视准线法、小角度法、前方交会法，极 坐标法。现需要根据工程的实际情况，选择一种合适的方法对基 坑的水平位移监测，分析如下： ３．１视准线法 视准线法是沿基坑某一边沿的两头距离基坑一定距离外建 立两个基准点，从而构成一条视准线，基坑的水平位移观测点布 设在视准线上，然后每次在基准点上架设精密经纬仪精确测定 观测点与视准线的距离。本工程由于基坑外场地较狭窄，且基坑 平面尺寸较大，边长达到１２５ｍ，照准目标读数时由于视线太长， 目标模糊，读数照准精度太差，故不采用。 ３．２小角度法 小角度法是在基坑一定距离以外建立基准点，选定一条基 线，然后每次在基准点上架设精密经纬仪精确测定基线与测站 点到观测点的视线之间的微小角度变化，再通过公式计算出水 平位移的变化。本工程由于基坑外场地较狭窄，且基坑平面尺寸 较大，边长达到１２５ｍ，照准目标读数时由于视线太长，目标模 糊，读数照准精度太差，故不采用。 ３－３前方交汇法 前方交会法是利用两个基准点和变形观测点，构成一个三 角形，测定这个三角形的一些边角参数，从而求得变形观测点的 位移变化量。由于前方交会法观测工作量大，计算过程较复杂， 且基坑监测任务较重，故不采用。 ３．４极坐标法 极坐标法是利用高精度全站仪，架设在一个固定测点上，选 择另一个固定点作为后视点，分别测定各变形观测点的平面坐 标，然后将每次测量的结果与首次测量结果比较，得出总的水平 位移变化量。这种方法观测和计算比较方便，且克服了视准线法 和小角度法的不足，是一种比较快速、便捷的检测方法，故本次 工程采用极坐标法进行观测。 ４极坐标法监测基坑水平位移精度分析 极坐标法测定变形点Ｐ点坐标的数学模型为： ％＝ＸＡ＋ｓｓｉｎｚｃｏｓＯｔ；ｙｐ＝ｙＡ＋ｓｓｉｎｚｓｉｎｅｔ （１） 式中：ｚ为Ｐ点的天顶距；ｓ为斜距；０【为Ｐ点的方位角。 对（１）式求微分得： １ｄｘ＝ｄｓｉｎｚｃｏｓ ＋ｓｃｏｓｏ【ｃｏｓｚ堕一ｓｓｉｎｚｓｉｎａ ４ Ｐ Ｐ 、 ｌａｙ＝ｄｓｉｎｚｃｏｓ０ｌ＋ｓｃｏｓ仪ｓｉｎｚ堕一ｓｓｉｎｚｓｉｎａ旦 【 Ｐ Ｐ 写成中误差的形式： 建材发展导向２０１１年０７月 ２ ２ 施工技术 最大的点为Ｓ一１２，该点位于基坑南面的中部位置，由此可知，基 、Ｍ： ２ ｉ…２。ｓ２Ｇｔ．＋Ｓ２Ｃ０８２ｚＣＯＳ２（３／．（￣Ｌ ｓｉｎ２ｚｓｉｎ２ｏＬ（ ） ２ ２ 、Ｍ＝ｍｓ ｓｉｎ ｚｓｉｎ２ ２Ｏｔ＋Ｓ ＣＯＳ ｚｓｉｎ ０ｌ（【 ）＋ｓ ｓｉｎ ＺＣＯＳ。 仅（ｏ【（ —ｍ ）ｏｔ） Ｍ：＝ ＋ ＝ ｓｉｎ ＋ｓ ｃ。ｓ ｚ（ ）＋ｓ ｓｉｎ ｚ（ ） ２ ｆ ＼２ 坑的中部位置变形最大。由于Ｓ一１２的累计位移值为２７ｍｍ，已 经超出水平位移报警值，故需要将观测结果及时上报给施工、监 理及设计等施工主体各方，经各方研究验算确保基坑安全的情 况下方可继续进行施工。 在基坑施工过程中，通过基坑进行监测，提供及时的、准确 的基坑变形数据，为工程的顺利进行提供了有力的保证。 （３） 一般情况下，全站仪测量水平角与天顶距的精度可视为相 厂■—■— ＿＝＿ ６水平位移监测数据处理 同。另ｍｚ＝ｍｃ￣＝ｍＢ，则ｍ －￣Ｖｍ：＋ｓｉｎ‘ｚ＋【 ｌ ｓ Ｖ ＼Ｐ／ ｍ ０ｌ。＋（ｂｐｐ ） （４） 在基坑开挖前对水平位移监测点用极坐标法进行监测，建 立初始数据，规定向基坑内位移为正，向基坑外位移为负，以后 ｘ轴或Ｙ轴与上期的差值即为本期位移值，与初始观测值的差 值即为累计位移值，由于观测点数量较多，观测周期短，数据量 大，因此利用Ｅｘｃｅｌ电子表格进行计算，简单快捷准确。并利用 Ｅｘｃｅｌ电子表格的数据绘图功能，绘出报警值曲线以及水平位 测距中误差ｍ 的计算可按站仪的标称精度用下列公式进 行计算： （５） 本次观测采用徕卡ＴＣ２００３高精度全站仪，该全站仪测距标 称精度为（１～１０－％）ｍｍ，测角的标称精度为±０．５”。 《工程测量规范》规定，一等水平位移测量变形点的点位中 误差为±１．５ｍｍ，而根据《建筑基坑工程监测技术规范》 （ＧＢ５０４９７—２００９）中表６．２－３，基坑围护墙（坡）顶水平位移设计控 制值≤３０ｍｍ时，监测精度要求为监测点坐标中误差≤１．５ｒａｍ。 根据上式计算可知，最大距离为１３０ｍ时，点位中误差为１．４８， 小于规范要求的１．５ｍｍ。根据计算结果，用坐标法测量，徕卡 ＴＣ２００３高精度全站仪测１个测回，即可满足一等水平位移测量 变形点监测的要求。 移一时间曲线图，使变形数据一目了然。 ７结语 基坑水平位移监测是基坑监测最基本的监测项目，在实施 监测的过程中，应根据工程项目的实际情况，选择合适的监测方 法。如经济条件许可，使用高精度全站仪对基坑水平位移观测点 进行观测，并采用极坐标法，能提高监测的速度和精度，节省工 作时间，提高工作效率。 参考文献 ５基坑水平位移监测的位移值计算与分析 基坑水平位移的监测频率为： 『１１中华人民共和国国家标准．建筑基坑工程监测技术规范（ＧＢ５ｏ４９７— ２００８）．中国计划出版社．２００９． ［２］中华人民共和国国家标准．工程测量规范（ＧＢ５００２６—２ｏ０７）．中国计划 出版社．２００９． ［３］华锡生．黄腾．精密工程测量技术及应用［Ｍ］．南京：河海大学出版社． ２００２ （１）各监测项目在基坑施工影响前应测得稳定的初始值，且 不应少于三次。 （２）各项监测工作的时间间隔根据施工进程确定，土方开挖 阶段支护结构变形每天测一次。底板浇筑完成后，每３ｄ测一次， 并可逐步延长。当变形超过有关标准或场地条件变化较大时，应 加密观测。当有危险事故征兆时，则需进行连续监测。每次监测 工作结束后，及时提交监测简报及处理意见。 采用徕卡ＴＣ２００３高精度全站仪对该基坑变形点进行１测 回极坐标测量，至建筑物施工到±０．ｏ０时，共进行２４２次观测，表 １为基坑开挖到底后测得的基坑南面连续墙支护顶的水平位移 观测值及位移变化值，为第１８６次观测。 表１ 观测点 Ｓ—０９ （作者单位：广东省六建集团有限公司） Ｘ坐标数值或Ｙ坐标数值（ｍ） ｌ１７．６５４ ｌ１７．６５５ １１７．６６ｌ 初始观测值 上期观测值 本期观测值 本期位移值 累计位移值 （ｍｍ） （ｍｍ） １ ７ Ｓ一１０ Ｓ—ｌ１ Ｓ一１２ Ｓ一１３ Ｓ－１４ Ｓ一１５ ｌ１７．６７２ ｌ１７．６９４ １１７．６８２ Ｉ１７．６６３ ｌ１７．６７９ ｌ１７．６５８ １１７．６７３ １１７．６９６ １１７．６８５ ｌ１７．６６５ ｌ１７．６８ｌ ｌ１７．６５９ １ｌ７．６８９ ｌｌ７．７ｌ７ １１７．７０９ １１７．６８５ １１７ ６９２ １１７．６６６ １ ２ ３ ２ ２ １ ｌ７ ２３ ２７ ２２ １３ ８ 基坑南面连续墙支护顶的水平位移观测值的计算，计算过 程可在Ｅｘｃｅ１２００３电子表格中直接编写公式进行计算，坐标系 的建立与基坑轴线方向一致，计算公式如下： ｆ本期水平位移值＝本期观测值一上期观测值 Ｉ累计水平位移值＝本期观测值一初始观测值 根据基坑的设计文件和监测方案，本基坑的水平位移报警 值为２５ｒａｍ，控制值为３０ｒａｍ。本期基坑水平位移的累计位移值 ・１９５・