基坑变形监测方法研究

秦明峰

（珠海市测绘院，广东 珠海 519000）

0.引言

近年来，随着城市化水平的提高，城市人口密度逐年增加，为了缓解交通压力和城市核心区土地资源紧缺的难题，城市综合开发出现立体化及多元化的特点，地下空间的开发速度和力度逐渐加快，比如，地铁隧道、地下车库、地下综合商场在各城市快速建设，从而出现了大量的城市基坑工程，这类基坑工程具有下列特点：毗邻人类活动区，安全风险高，影响范围广；开挖深度大，施工所需时间紧迫。近年来，出现了多起基坑坍塌事件，造成了非常大的经济损失和人员伤亡。针对此类深大基坑，通常需要安全监测，及时发现基坑特征点三维坐标的变化对基坑的及时支护及相关专业决策具有重大意义。国内外学者对基坑监测方法做了大量研究，比如，文献[1]研究了基坑变形监测的内容和预报方法，提出了监测点精度要求反推控制网等级的技术方案，并验证了该方法的正确性和可行性；文献[2]以实际小区项目为例，主要分析基坑施工对周边建筑物的影响及建筑物变形原因分析；文献[3]以北京市某深基坑为研究对象，论述了基坑监测点的布设及监测方法，主要包括水平、竖向位移监测、深层水平位移监测及锚杆拉力监测、地下水位监测等，并对监测结果进行分析；文献[4]推导出了一种精密三角高程测量公式，该方法不用量取仪器高、棱镜高，减少了三角高程测量中的误差来源，证明了精密三角高程可以在沉降监测中代替三等水准，解决了几何水准测量任务量大、效率低的问题。

基坑开挖过程中关系到人们的生命和财产安全，近年来，相关部门对基坑监测的重视程度日益增加，有必要研究出新的监测方式，尽量提高工作效率，简化作业流程，提高监测精度。由于基坑开挖过程中周边环境复杂，机械较多，部分监测点人员无法到达，所以本文平面位移监测采用不接触式测量的方法，采用智能全站仪实现数据的快速采集，在一定程度上减少了照准误差，提高了作业人员的安全系数。另一方面，该方法作业时间短，减少了周围环境温度变化造成的误差。

1.基坑监测方法介绍

1.1 平面位移监测

平面位移监测方法有GNSS方法和传统的测角测距方法。由于城市高楼林立，GNSS信号容易被遮挡，通常情况下传统测角测距方法更适合用于基坑监测。全站仪监测方法是在监测点架设仪器，以某方向为起始方位，测定测站点与变形点之间的距离和方位，然后内业加入气象等改正求得变形点的三维坐标。

1.2 垂直位移监测

目前，垂直位移监测方法多种多样，精度各异。由于基坑工程对竖向位移监测的要求较高，所以选择基于高精度电子水准仪的几何水准测量法，该方法能够监测出监测点竖向位移毫米级的变化，监测过程简单，数据处理方便。

2.工程应用实例

2.1 工程概况

某工程为人防地下车库基坑，场地地势南高北低。基坑东西宽约71m，南北长约92m。基坑挖深为9.0～9.7m。根据拟建建筑周边相邻建筑物及市政道路、管网等周边环境条件，基坑东南角处采用支护桩支护，其余部分采用土钉墙支护方式。地下车库基坑工程现状：地下车库出入口以南的区域已完成基坑开挖、支护及回填工作；地下车库出入口以北的区域目前正在施工，此次监测需要对正在施工的基坑区域进行水平位移和竖向位移监测。本项目主要监测对象为：地下车库基坑坡顶、基坑边坡锚杆和基坑周围建筑物，对上述3部分区域内的监测点进行变形监测，为保障工程安全顺利施工，平面位移监测和竖向位移监测精度均为二等。

2.2 基坑变形监测点的布设

2.2.1 基坑坡顶监测点

基坑周围监测点的布置目前按3条监测边布设，即基坑西侧、北侧和东侧，除北侧由于边长较短布设2个外，其余边监测点数据不应少于3个，监测点间距30m左右，共布设监测点8个，要求观测水平和竖向位移。监测点布设（如图1所示）。基坑坡顶监测点标志埋设利用0.6m长的螺纹钢以45°斜插入基坑边坡顶部，预留0.1m在顶部焊接棱镜装置。

图1 基坑监测测站点布设示意图

2.2.2 基坑锚杆监测点

锚杆拉力监测点应选择在受力较大且有代表性的位置，在选定的锚杆上的监测点应设置在锚杆头附近位置，并焊接棱镜装置。锚杆监测点共布设7个，要求观测水平和竖向位移。

2.2.3 周围建筑物监测点

基坑边缘以外1～3倍开挖深度范围内的建筑物都需要进行监测，基坑周围的建筑物主要有1处需要监测。进行竖向位移观测，竖向位移布点方案沿建筑物四角布设。

2.3 监测仪器的选择

（1）徕卡TS60全站仪一台套，测距标称精度：1mm+1×10-6D。（用于测角测距进行水平位移监测）；

（2）徕卡LS10电子水准仪一台套，标称精度：±0.3mm/km（用于垂直位移监测）。

使用的仪器都具有国家认可的计量单位出具的合格检定或校准证书。

2.4 技术依据

（1）《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009；

（2）《工程测量规范》GB50026-2007。

2.5 平面坐标系与高程系统

平面坐标系使用独立的平面坐标系（如图1所示），以J1至J2的连线为横轴（Y轴），垂直于横轴的为纵轴（X轴）；高程使用独立高程系统。

2.6 精度指标

根据设计单位的《基坑支护说明》中的监测技术要求，本基坑变形监测的报警值为最大变形值达到30mm、沉降速率3mm/d；竖向位移监测二等水准测量监测点测站高差中误差≤0.5mm。

2.7 技术方案

本基坑安全等级为二级，按照《建筑基坑工程监测技术规范》GB50497-2009中表6.3.7的要求，水平位移和竖向位移观测等级为二等，本基坑观测项目皆使用独立的平面和高程系统。

2.7.1 水平位移观测

水平角观测测站作业要求：

（1）仪器或棱镜的对中误差不应大于2mm；

（2）水平角观测过程中，水准气泡中心位置偏离整置中心不宜超过1格。

测距作业要求：

（1）仪器或棱镜的对中误差不应大于2mm；

（2）当观测数据超限时，应重测整个测回，如，观测数据出现分群时，应分析原因，采取相应措施重新观测；

（3）本测区范围较小（100m以内），气象数据只输入或记录测站的数据，每完成一组观测，重新读取气象数据输入或记录；

（4）仪器的加乘常数可直接输入仪器中，也可后处理时加入。

2.7.2 垂直位移观测

基坑顶部监测点和建筑物沉降监测点的竖向位移使用电子水准仪采用几何水准的观测方法；基坑锚杆监测点由于都在边坡的中部，竖向位移使用三角高程观测，且无法架设仪器，因此监测点三角高程测量在测站上单向观测。水准作业要求：

（1）观测方式：水准测量采用中丝法读数进行往返观测；

（2）设置测站和观测顺序：测站视线长度（仪器至标尺距离）、前后视距差、视线高度按规范执行。二等水准测量往、返测每测站奇数站观测顺序为后前前后、偶数站观测顺序前后后前，观测时保证圆气泡居中、用垂直丝照准条码中央，精确调焦至条码影像清晰；

（3）间歇与检测：数字水准仪测量间歇可用建立新测段等方法检测。检测有困难时最好收测在固定点上；

（4）测站观测限差、读数位数与设置：测站观测限差按规范执行，数字水准仪同一标尺观测所测高差执行基辅分划所测高差之差的限差，在本站超限后可立即重测，若迁站后才检查发现，则应从水准点或间歇点（应经检测符合限差）起始，重新观测。读数取位为0.01mm，最小显示位为0.00001m。观测之前要求进行仪器设置、测站限差参数设置、作业设置和通讯设置。

2.8 监测频率

本工程的《基坑支护说明》中监测频率比较密集，要求每天早、中、晚各一次，结合《建筑基坑工程监测技术规范》和实际情况，监测工作一般从基坑工程施工前开始，应考虑不同施工阶段以及周边环境、自然条件的变化，当监测值相对稳定时，可适当降低监测频率，监测频率（如表1所示）。依据表1本项目监测频率每天1次。

表1 监测频率

水平位移和三角高程计算，测距边经过气象、加常数、乘常数修正后的斜距，才能化算为水平距离，斜距可通过天顶距化为平距或采用已有高差化平，可不进行测区高程面的化平或参考椭球面的化平，经过改正后的平距和观测统计中的水平角、垂直角，采用极坐标法和三角高程计算各监测点的坐标和高程。使用科傻CODAPS软件或EXCEL进行计算。

竖向位移的监测数据通过科傻CODAPS平差计算，只加入标尺长度误差改正和闭合差改正，别的改正暂不考虑。

每期观测结束后，应及时处理观测数据。当数据处理结果出现以下情况之一时，必须即刻通知建设单位与施工单位采取相应措施：

（1）变形量达到预警值或接近允许值；

（2）变形量出现异常变化；

（3）建筑物的裂缝或地表的裂缝快速扩大。

3.基坑监测网初始值的获取

3.1 初始值获取

3.1.1 基准网初始值获取

平面基准网由3个平面基准点组成（J1～J3），使用智能全站仪按二等边角测量方法进行观测，独立连续观测两次，两次计算成果的平均值作为基准点的初始值成果，为变形监测提供位置基准。

竖向的水准基准网由3个水准基准点组成（S1～S3），使用LS10电子水准仪按二等水准测量方法进行观测，观测成果使用水准平差软件或科傻CODAPS软件进行平差计算，独立连续观测两次，两次计算成果的平均值作为基准点的初始值成果，为变形监测提供竖向基准。

3.1.2 监测点初始值获取

变形监测每天监测一次，监测点的初始值采用第1次与第2次监测成果取平均值作为监测点的初始值。

3.2 位移计算与统计

每期监测的成果按《建筑基坑工程监测技术规范》中附录A表格填写，获得初始值后，每期监测成果与前期监测成果比较，可得到监测点的水平位移与垂直位移。调制水平、垂直位移成果表，绘制水平位移矢量图，垂直位移曲线图，工程结束后并编写监测技术报告。

4.结束语

文章以某工程为例，详细阐述了基坑监测方法与数据处理流程，在基坑施工过程中，按照制定的作业方案对基坑监测，及时处理监测数据，当监测数据出现异常时及时向施工方汇报。结合文章及项目实践，得出以下结论：

（1）在基坑监测坐标系建立过程中，为了减少与国家坐标系联测产生的成本，可将基坑与周围建筑物看成是一个整体，建立相对独立坐标系，方便后期数据处理；

（2）采用TS60全站仪进行基坑监测方法精度高，数据获取方便，增加了作业人员的安全系数，竖向位移监测宜采用几何水准测量法；

（3）为了客观地反映基坑位移量的变化，基坑监测数据获取过程中应避免施工等其他外业因素的干扰，比如，选择合适的时间段测量；

（4）采用高精度智能全站仪和电子水准仪的监测方法能够实现监测点三维空间毫米级的监测精度，可以反应出位移随时间序列变化情况，能够为工程建设单位提供可靠的数据。

随着城镇化速度的加快，基坑工程在各城市中比较常见，为了避免基坑施工过程中对周围建筑物造成影响，避免造成经济损失，应根据基坑实际情况制定监测方案，选择合适的方法进行监测。