基坑坡顶水平位移监测方法研究与工程实践分析

周仁龙，熊健，朱春华

(1.安徽中汇规划勘测设计研究院股份有限公司，安徽 铜陵 244000； 2.江苏省地质勘查技术院，江苏 南京 210049)

1 引 言

随着我国城市化建设的不断推进，人们对地下空间的开发力度越来越大，地下室结构由一层转向多层发展，开挖深度不断加深，由普遍开挖至地表以下5 m～6 m发展到10 m～12 m以下，甚至更深。在深基坑土方卸载与支护结构施工中，必须要求支护结构与被支护的土体满足一定的平衡，才能确保基坑工程安全平稳，否则会引发被支护的土体及周边环境较大变形，导致相应次生灾害，为工程建设带来极大损失。为了避免灾害的发生，基坑监测对基坑围护体系与周边环境进行有效监督，为施工方及时提供监测数据指导施工方信息化施工，同时，验证支护设计方案的正确性，积累宝贵的经验。然而，基坑监测坡顶的水平位移作为监测的必测项目，它能直接反馈基坑的变形情况，在基坑监测中为重中之重。

传统常用的基坑水平位移监测方法有视准线法、小角法。这类方法受仪器以及环境影响较大，测量精度较差，工作量大，效率低[1，2]。随着高精度全站仪的普及、应用与研究，自由设站法、极坐标法、方向线偏移法、边角交会法、精密导线法、单站改正法和自由设站法，基于自由设站的CPⅢ控制网的观测方法，这些方法各有优缺点[4，5]。本文结合工程实例提出一种简易的基坑监测水平位移监测方法。结果表明：该方法能有效满足一级基坑水平位移监测要求。

2 基坑坡顶水平位移监测方法及精度分析

如图1所示，P点位于三倍基坑开挖深度以外，在P点处埋设强制观测墩，A1，A2，A3点分别置于稳定周边建筑物上，PA1垂直于坑边线。以P点为原点，PA1为x轴，基坑边线为y轴建立基坑坐标系，将A1方向作为起始定向方向，假定P点坐标，从而能推导出A1，A3点在该坐标系下的坐标值，用于检验P点稳定性情况以及判断单次测量的观测误差，继而测出监测点J。

图1 监测方法

采用上述监测方法，可知监测点J的坐标计算公式如下：

(1)

式(1)中α为J点的天顶距，s为斜距，β为J点的方位角。

对式(1)进行微分有：

(2)

依据误差传播定律，将X方向，Y方向以及点位中误差如下所示：

(3)

在通常情况下，可认为全站仪的水平角与竖直角测角精度一样。

(4)

由于该种方法埋设强制观测墩的形式，可认为仪器对中误差以及偏心中误差为零，监测点的点位中误差由误差传播定律可知

(5)

徕卡Nova TS50标称精度，α=β=0.5″，测距精度为单次(棱镜)0.6 mm+1 ppm×D。在现场施测过程中，天顶距对监测点位移监测影响较小，以天顶距为90°计算，在只进行单次观测的情况下，随着距离的增加所得的监测点点位测量中误差如表1所示：

监测点点位精度表 表1

由表1可知，采用强制对中设站的前提下，不考虑大气折光，大气湍流等影响，理论上利用徕卡Nova TS50观测精度在 400 m以内，只进行单次观测的测量精度能达到一级基坑水平位移监测[6]要求，即一级基坑要求监测点测量点位中误差在 ±1.5 mm以内。

3 工程实例及精度分析

蚌埠市某项目为连接两个已做好的地下车库临时开挖基坑工程，设计为标准长方形地下工程，周长 329 m，开挖深度为 10 m，基坑东西走向，本次施工采用分段施工的方法，先开挖西段部分，待西段基础做好回填后再开挖东侧部分。在埋有强制观测墩的定向点与设站基准点上分别固定棱镜与架设全站仪，其中，J1，J2，J3，J4为检验点，以检测每次观测精度以及判断基准点与定向点的变动情况。Pi点为坡顶位移监测点，其中基准点与定向点的连线方向要求垂直于基坑边线，在现场布置坡顶点时要求坡顶监测点沿着基坑方向布置。具体如图2所示：

图2 某工程基坑水平位移监测布点情况图

3.1 设站基准点稳定性分析

考虑第m、n两期的观测成果，对每期基准网的观测成果根据所选的基准进行对应的平差，由平差改正数计算两期单位权方差的估值：

(6)

(7)

式中，f=fm=fn。

假设两个观测期间点位未变动，即可由两期所求得的坐标差△X计算得到另一个方差估值：

(8)

在H0成立的条件下，构造统计量：

(9)

在显著水平α下，若F

选取项目2017年9月首期基准网点值与2018年1月末期基准网点值进行对比分析，具体数据如表2所示：

两期坐标平差值 表2

3.2 监测点数据分析

结合现场实际情况，建立垂直于基坑边线的监测坐标系。监测点的水平位移日变化量与累计变化量即为垂直于x轴或y轴方向的偏离值，分别如下式(10)、式(11)；

△X累计=xpi-xp0；△Y累计=ypi-yp0

(10)

△X速率=xpi-xpi-1；△Y速率=ypi-ypi-1(i≥1)

(11)

上式中，xpi，xpi-1，ypi，ypi-1为第i，i-1次测得监测点坐标值；△X累计，△Y累计表示第i次监测点变形累计值，△X速率；△Y速率表示第i次位移日变化量。

按照本方法，对蚌埠市某基坑进行水平位移监测，并取得了较好的效果，限于文章篇幅选取P2，P3，P6，P11，P16五个点从2017年9月2日～2018年1月8日的65期数据进行分析。具体变形情况如图3所示。

由图3可知，监测点位位移累积量基本为正值，由于随着基坑的开挖，基坑内的土被大面积卸载，基坑支护结构在土压力作用下，导致坡顶不断向基坑内位移；在2018年1月2日左右，该基础工程基本回填结束，之后的坡顶位移趋于稳定，这种现象符合现场施工情况。

图3位移监测点累计变化曲线图

4 总 结

基坑监测中，坡顶位移作为基坑最为直观体现基坑安全状况的数据，无论几级基坑，位移监测为必测项目。文章采用一种基坑位移监测方法，对该种方法进行理论分析，得出观测精度，并通过对检验点数据进行统计分析得出该种方案实际观测精度，采用平均间隙法进行基准点稳定性分析，结合工程实例分析施工监测的变形信息。