工程测量在深基坑监测中的应用研究

1 引言

在建筑行业飞速发展进程中，深基坑工程不断涌现。 工程监测是深基坑工程建设至关重要的一环， 涵盖监控点高程测量、支护结构侧向位移测量、平面位移测量、支护结构内外土压力测量。 繁多的监测项目对工程测量提出了较高的要求，因此，研究工程测量在深基坑监测中的应用具有非常重要的意义。

2 工程测量在深基坑监测中应用的原则

2.1 高精度

普通工程监测中，误差限值在数毫米左右，如60 m 以下建筑物测定高程误差限值为2.5 mm。 而深基坑监测环境变形速率需要低于0.1 mm/d。 基于此， 监测人员应贯彻高精度原则，利用特殊高精度仪器代替普通测量仪器，适应深基坑监测环境变形速度。

2.2 高频率

普通工程监测无显著时间效应。 而深基坑监测需要与开挖、降水相配合，时间效应较为突出。 因此，监测人员应贯彻高频率原则，依据1 次/d 及以上的频率进行检测，获得若干测量结果，并对测量结果动态变化规律进行初步评估，满足全天候作业要求。

2.3 等精度

普通工程监测通常要求测量绝对值， 而深基坑监测多要求测量相对变化值， 如基坑边壁变化中边壁相对于基准位置变化。 因此，监测人员应贯彻等精度原则，在不考虑前后视距偏差的前提下，保证每次测量仪器、位置、人员一致。

3 深基坑监测常见的问题分析

3.1 监测效率低

传统深基坑监测中，因技术方面的限制，监测效率较低，需要布设大量监测点并埋设大量传感器，监测点易损坏，无法保障监测数据的连续获得。 加之传统检测技术为点式数据采集，无法精准获得复杂三维空间数据，不仅影响了工程监测信息的有效应用，而且对深基坑建设带来了较大误差风险，埋下了深基坑建设隐患[1]。

3.2 监测方案不合理

在深基坑监测时，监测点位置、监测频次对监测结果准确性具有直接影响。 但是， 深基坑监测点位置与频次受施工环境、施工技术等多重因素影响。 若无法根据实际情况合理确定深基坑监测点位置、监测频次，将导致深基坑位移、变形监测数据与真实情况出现偏差，影响深基坑工程的顺利推进。

3.3 数据噪声多

深基坑监测环境高度复杂。 受多种因素干扰，深基坑监测数据内含有真实变形信息与噪声， 特别是深基坑施工过程中的变形监测， 在工程施工状况实时监测过程中包含较多的信息误差。 传统数据处理方法无法对深基坑原始信号进行有效分频，也无法满足尺度不同时的粗差与噪声分离要求，且噪声去除后信号曲线光滑性不佳， 无法反映深基坑周边土体变形规律，对深基坑监测数据的应用造成了较大的不利影响。

4 工程测量在深基坑监测中的应用策略

4.1 优化自动化测量技术

自动化测量技术是现代工程测量的代表，3D 激光扫描可以非接触的形式在短时间内获得深基坑工程的精准高密度三维点云数据，覆盖空间多个维度，确保深基坑监测数据采集完整性[2]。3D 激光扫描本质上是利用激光测距原理，在记录被测工程表面海量密集点三维坐标、反射率等信息的基础上，完整采集大实体（或实景）三维数据，经计算机的进一步处理后，在短时间内复建被测工程三维模型（含线、面、体图件数据）。 三维激光扫描系统的主要构件为支架、三维激光扫描仪、计算机、系统配套软件、电源供应系统等。 比如，选择配备高精度电荷耦合器件（Charge Coupled Device，CCD）摄像机的FocusS350三维激光扫描仪，在不考虑监测环境光照条件的情况下，借助97 万像素点/s 的扫描操作，连续测量，在获得区域范围内面数据的同时，整合高精度点云、真实色彩，为深基坑区域状况定义提供依据。 一般三维激光扫描技术在每站测量时间小于5 min，每一断面测点数量超过200 个，每站测量断面个数大于10 个（按15 m/ 站计算），断面测量间隔大于1 cm。

在三维激光扫描监测深基坑过程中， 监测人员首先应对现场环境进行踏勘，根据深基坑设计平面图、现场实际情况，明确监测点分布、测站分布以及标靶分布具体位置。 其次，根据深基坑空间尺寸自由架设站点， 以便最大限度地获取深基坑工程所在地理环境的影像数据信息。 并将监测点强制对中后按规定放置标靶、棱镜。 同时，为保证标靶测量精度，监测人员可以在现场设置5 个控制点，借助测角精度达±0.5″、测距精度达0.6 mm＋10-6D（D 为全站仪实际测量的距离，km）的全站仪，进行标靶中心坐标精准测量，获取三维点云高程、绝对坐标。 一般相邻测站之间应可见3 个及以上标靶，以便在三维激光扫描时同步扫描标靶， 为数据后处理拼接2 个站点提供依据。 再次，设定超高分辨度局部扫描标靶，经中间分辨率扫描深基坑侧壁，每一个测站扫描时间在8 min 左右，输出带三维坐标的点云数据。 需要注意的是，三维激光扫描应从多个位置着手，确保每一次扫描数据均处于局部坐标系内，且相邻测站标靶数据匹配。 最后，输出数据后将数据导入SCENE 后处理软件过滤点云。 降低点云密度后， 借助2 个标靶进行点云拼接，剩余的1 个标靶则作为多余观测，为点云拼接精度提高提供依据。

4.2 合理策划测量方案

深基坑工程测量期间，需要覆盖水平位移、内外孔隙水压力、支护结构内力等。

在深基坑水平位移监测时， 测量人员应在深基坑内挖设并固定水平基准点位置，其深度超出深基坑深度的3 倍，避开冻胀、低洼积水、湿陷、涨缩等地质，提高水平位移监测精准度。 水平位移本质上是深基坑土体压力对侧壁造成压力作用结果， 随着深基坑土方的开挖、 时间推移而持续增长。 根据GB 50497—2009《建筑基坑工程监测技术标准》，对于一级基坑，当前开挖深度小于15 m 但大于10 m 时，每天监测1 次；在当前开挖深度大于15 m 时，每天监测2 次。 对于二级基坑或三级基坑，适当调低监测频率。

在深基坑内外孔隙水压力监测时， 测量人员应根据场地地质环境、作业条件，在水压力变化范围内分土层布置孔隙水压力监测点， 控制竖向相邻监测点之间距离在4 m 以上5 m以内。 平面上，则沿着应力变化最大方向，结合周边环境特点布设， 监测点数量超过3 个， 埋设同一高程测点高度差距在0.5 m 以内。 对于传感器埋深浅、土层松软且单孔对应单一传感器的工程，利用压入法，人工开挖（0.75±0.25）m 深探坑，在配套预压架内装填孔隙水压力传感器，连接预压架、钻杆最底端，铁丝绑扎传感器上端，将第一节钻杆、预压架放入探坑护筒并从槽口引出数据传输线，利用钻机缓慢、均匀下压钻杆并下放铁丝、 数据传输线， 以便随时测度深基坑内外孔隙水压力。 进而接长钻杆至设计深度；对于传感器埋深大、单孔对应若干传感器的深基坑工程，利用钻孔法机械钻探监测孔，下放前期传感器，下放深度与设计埋深相同。 进入孔底后，将透水材料（粒径小于10 mm 的洁净碎石）回填（0.8 m±0.2 m），进而将封堵材料回填（0.75 m±0.25 m）到设计深度，按照同样的方法下放第二个传感器并回填透水料、 封堵料。 进而读取传感器，按照厂家提供的传感器受力公式、标定系数求解深基坑内外孔隙水压力值。

在深基坑支护结构内力监测时， 测量人员应同步设置深基坑围护栏监测点、灌梁浇筑振捣工序。 在深基坑混凝土支护结构浇筑振捣3 h 后放置金属标理器并促使其超出混凝土面5cm 及以上，确保结构内力监测目标顺利达成。根据GB50497—2009《建筑基坑工程监测技术标准》，对于一级基坑，在开挖深度大于10 m 时，底板浇筑后7 d，每天监测2 次；底板浇筑后7～14 d，每天监测1 次；底板浇筑后14～28 d，每2 d 监测1 次；底板浇筑后28 d 以上，每3 d 监测1 次。 若深基坑工程等级下降，监测频率则根据具体情况适当调低。

4.3 科学处理测量数据

数据处理就是将工程测量数据中涵盖的真实信息、 误差数据分离，促使最终输出结论与历史规律相符，提高深基坑动态发展预测精准度。 根据深基坑工程大深度、大跨度特点，利小波分析法， 依据粗→细的顺序进行深基坑工程变形信号观察，分别读取信号大体情况、细节信息，完成粗差辨别与噪声抑制[3]。 特别是对于周期性监测的深基坑变形数据，可以有效分离噪声、其他不必要信息与真实数据，顺利揭示深基坑开挖施工期间土体变形规律，为施工作业提供科学的指导。

作为一种信号处理的新方法， 小波分析强调借助变换突出问题局部特征。 在函数f（t）∈L2（R）（R 为实数集；L2为平方可积函数）的情况下，先对小波基函数f（t）进行Fourier 变换，再对小波基函数f（t）进行伸缩、平移变换，得到：

式中，a 为尺度因子，a∈R 且＞0；b 为Fourier 变换因子；t 为自变量；r 为平移因子。对于大跨度深基坑监测获得的多期数据，可以借助含紧支集正交小波基的Daubechiees 小波，抑制信号中的无价值部分（高频信号）并恢复信号中的有价值部分（低频、平稳信号）。 一般含噪声的一维信号为真实信号、高斯白噪声的和。 为了恢复真实信号、抑制高斯白噪声，可以先将深基坑监测数据归整为小波信号，完成若干层小波分解，再选择一个阈值对阈值内细节系数进行去噪处理， 最后借助小波重建处理后的系数。 整个过程中，小波分析的层次受数据采集率、信号变化情况的双重作用， 若数据采样点稀疏、 信号波动性大，应降低小波分解层次，避免过滤信号确定性波动引发原始信号失真问题。 比如，在水准仪采集14 期深基坑工程高程数据时，利用Daubechiees 小波对数据进行4 层分解，获得近似信号、细节信号。 根据信号波动性，选择适宜的高频系数阈值、低频系数阈值，完成原始数据中噪声的剥离处理。 需要注意的是，因深基坑工程施工变形监测不确定性较为突出，短时间内去噪前后差距不显著，表现为弱信号，而去噪前后差距较之深基坑施工变形表现为强信号， 极易在深基坑工程监测初期出现上下波动的变形。 加之深基坑开挖阶段扰动周边土体，致使土体朝着深基坑内壁移动， 地表沉降随着开挖深度的增加而增加， 应及时利用小波分析辨别数据孤立态粗差进行跟进处理，沿着突变点定位、粗差定位、突变点判断并处理的顺序，获得更加真实的变形监测数据。

4 结语