GPS技术在建筑基坑变形监测中的应用分析

GPS技术在建筑基坑变形监测中的应用分析
发布时间：2022-05-31T08:14:50.449Z 来源：《新型城镇化》2022年10期作者：吴厚发
[导读] 建筑基坑安全问题日益凸显，对建筑基坑变形情况进行有效的监控量测，提前预判基坑的变形发展趋势，及时发布预警信息，采取有效防范措施，成为防止基坑失稳事故发生的有力保障。

传统的建筑基坑变形监测手段测量耗时、劳动强度大，易受外界环境条件影响等因素，已经难以满足当前工程建设中各类大型建筑基坑变形监测的需求。

GPS技术具有全天候、实时性、高效性、高精度以及高自动化等优点，将其应用在建筑基坑变形监测中，有着传统监测手段难以比拟的优势。

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摘要：建筑基坑安全问题日益凸显，对建筑基坑变形情况进行有效的监控量测，提前预判基坑的变形发展趋势，及时发布预警信息，采取有效防范措施，成为防止基坑失稳事故发生的有力保障。

传统的建筑基坑变形监测手段测量耗时、劳动强度大，易受外界环境条件影响等因素，已经难以满足当前工程建设中各类大型建筑基坑变形监测的需求。

GPS技术具有全天候、实时性、高效性、高精度以及高自动化等优点，将其应用在建筑基坑变形监测中，有着传统监测手段难以比拟的优势。

关键词：GPS技术；建筑基坑；变形监测
引言：GPS技术在监测地壳运动、建筑变形监测、山体滑坡监测等方面已得到广泛、成熟的应用并取得良好的效果，已逐步取代当前的一些常规监测手段成为未来变形监测的主流技术。

但因其仍较大程度的受限于场地环境条件和比较昂贵的使用成本，目前还没有被广泛应用到对建筑基坑的变形监测中。

随着各国新的卫星导航系统的不断建成和开通运行，和目前新一代导航卫星增设的三频信号功能和新的多星系统GPS卫星接收机的上市，结合多天线阵列技术、有源定位技术等，将大大提高GPS技术对场地环境适应性和测量精度、可靠度，降低其在基坑变形监测中的应用成本，提高监测效益。

1 概述
基坑工程往往存在较大的安全风险。

由于临时支护体系的设计强度、荷载能力、抗变形能力、防渗能力及耐久性等的不足，容易导致基坑边坡或支护体系在周围土压力的作用下产生位移和形变，过度的变形可能造成基坑边坡失稳和坍塌，引发重大安全事故并危机邻近建构筑物安全，形成二次事故，给人民的生命财产带来难以估量的损失。

所以通过有效且可靠变形监测技术，对基坑施工过程的边坡土体和围护结构进行变形监测，掌握边坡土体和围护结构的形变信息，并对信息进行统计分析，了解形变趋势，及时反馈给设计和施工，以便及时调整设计和施工参数、改进施工工艺或制定有效的加固措施，确保基坑施工安全。

2 GPS技术在建筑基坑变形监测中的应用
2.1 GPS变形监测的优缺点
利用GPS技术实施基坑变形监测主要有以下方面的优点：
（1）测点间无需保持通视条件。

相较于常规监测手段，如利用全站仪进行边角交会法监测，需要考虑测站至监测点位之间的通视性条件，点位布设往往会受到很大的限制。

GPS技术因不需要考虑测点间的通视性条件，点位布设更加灵活、自由。

（2）具备全天候监测。

常规监测手段如全站仪边角交会法、水准测量法等在遇到大雨或者大雾等恶劣天气情况时往往无法完成监测数据采集，GPS技术在大雨或者大雾天气中仍能很好的完成监测数据采集。

（3）能同时测定点位三维位移。

GPS技术能同时测定点位的三维坐标，确保水平位移和垂直位移在位置和时间上的一致性，更加利于基坑边坡和支护结构的变形情况分析。

（4）易于实现全系统的自动化。

结合计算机技术和无线网络通讯技术，实现GPS技术从数据采集、传输、处理、分析、成果报告的生成和预报警信息发送的全自动化监测，达到节省劳动力成本的效益。

（5）直接利用大地高作为垂直位移变形测量结果。

充分利用GPS基线向量在GWS-84坐标系中三维坐标向量的高精度优势，确保监测数据的精确性和可靠度。

受限于GPS技术自身的定位方式，其应用在建筑基坑变形监测中的主要有如下受限因素：
（1）观测环境因素
①多路径效应影响。

尤其在城市建筑基坑监测中，密集的高楼大厦不免会对GPS信号产生多路径效应，影响测量的精度；
②卫星通视条件影响。

GPS接收机在采集卫星数据的过程中需要保持对空域内可见卫星有效观测，一般要求15°以上的卫星高度角通视条件，这在城市基坑变形监测中往往难以满足。

（2）成本因素。

高精度双频GPS接收机单台价格比较昂贵，如果按照常规布设方式，每个基坑监测点位上面安装一台GPS接受机，会严重增加监测成本，达不到良好的经济效益。

随着GPS技术的不断发展和完善，以及相关技术的不断推陈出新，以上致使GPS技术在基坑变形监测中应用的劣势因素也慢慢得到有效解决。

对于在城市基坑变形监测中有限的卫星高度角通视条件制约卫星数据有效采集的问题，可以考虑配置新一代采用全星座跟踪技术的GPS接收机能够跟踪GPS、BDS、Galilieo和GLONASS卫星信号，形成多系统组合定位，在有限的通视条件下观测到更多的卫星数量，改善观测卫星的几何图形分布，有效降低PDOP的值，削弱多路径效应，达到提高GPS定位精度的效果。

应用多星座系统组合定位技术的GPS接收机进行GPS信号数据采集，可以将卫星高度截至角从单星系统的15°角提高到40°角，大大提高GPS接收机外业数据采集的环境适应能力。

城市高层建筑容易引起的GPS信号多路径效应问题，可以通过给GPS接收机天线增设扼流圈，有效阻断多路径反射信号；也可以通过信号滤波技术，有效提高GPS接收机抗噪效果，还能改善GPS接收机天线相位中心的稳定性，保证观测数据质量。

市场上高精度双频GPS接收机价格比较昂贵，考虑成本效益的因素，可采用目前已经日趋成熟并逐渐被推广使用的GPS多天线阵列技术，通过用1台GPS接收机接受多台GPS天线阵列的信号，能有效减少GPS接收机在基坑变形监测中的使用数量，大幅度减少设备成本。

2.2 GPS变形监测模式
应用GPS技术开展建筑基坑变形监测主要使用连续性监测模式，利用GPS多天线阵列技术，通过单台GPS接收机控制多台GPS天线，分别在不同监测点位采集卫星信号数据的方式，有效降低使用成本，促进GPS技术在今后的基坑变形监测中被广泛应用成为可能。

2.3 GPS基坑变形监测网
根据建筑基坑监测的范围大小和结构形式，科学合理布设基准网和监测网，对减少外业观测数据采集过程中不利外界环境因素的干扰，提高卫星信号数据的观测质量，增强基准网、监测网的可靠性和有效性。

基准网应布设至少1个以上点位,为保证基准点的长期稳固、牢靠，须采用强制观测墩架设GPS接收机。

为保证基准网精度质量符合规范要求，一般要求使用配有扼流圈的高精度双频接收机。

工作基点需要采用强制观测墩架设GPS接收机，确保工作基点的长久稳固。

为减少测量误差的积累和传递，一般使用配有扼流圈的高精度双频接收机，监测过程中需24小时连续采集卫星信号数据，保持与基准点联测。

2.4 GPS基坑变形监测预警系统的基本组成
GPS基坑变形监测预警系统主要由数据采集系统、数据传输系统、数据存储系统、控制中心、数据处理系统和预报警系统六部分组成。

2.6 监测数据的采集
GPS数据采集包括变形区域外的基准站数据采集，变形区域内的多天线阵列点位数据采集，在数据采集过程中，将GPS接收机的一次采集周期分为多个时间片段，然后分给每个天线各一个时间段采集卫星数据。

2.5 数据处理
选取专业的GPS平差软件进行监测数据内业平差，平差计算原则为用基准点对工作基点坐标进行改正，再用改正后的工作基点坐标对变形监测点坐标进行改正或工作基点的坐标改正值对变形监测点坐标进行改正。

3 GPS技术在应用于基坑变形监测可行性分析
基坑变形监测点位水平位移精度要求达到毫米级，竖向位移精度最高要求达到亚毫米级， GPS技术能否满足变形监测的精度要求，通过试验对探究GPS技术能否满足基坑变形监测的精度等级要求。

试验采用1台双频GPS接收机+3个GPS天线，接收机固定在基准点处保持对卫星信号进行连续观测；3个GPS接收机天线A、B、C分别安置在一个活动的仪器平台上，平台可以在两个互相垂直（东西和南北方向）的导轨上移动，通过平台上的测微器精确测定（读至0.01mm，其精度可保证优于0.1mm）移动量，因而天线的位移值可视为已知值。

然后通过与GPS定位结果进行对比检核其精度，评定利用GPS定位技术进行变形观测的能力。

通过采集20组试验数据进行统计分析，结果显示5小时GPS观测值求出监测点平面位移分量中误差约为±0.4mm；利用2小时GPS观测值求出监测点平面位移分量中误差约为±0.6mm，利用1小时GPS观测值求出监测点平面位移分量中误差约为±1.0mm。

若利用两个基准点，其监测精度可进一步提高。

4 结语
借助GPS技术各方面优势能够有效降低建筑基坑变形监测难度，更加实时的掌握基坑变形发展的趋势和规律，为建筑基坑安全施工提供有力的数据支撑和信息反馈，为优化建筑基坑设计方案提供有力依据，推进建筑工程建设良性发展。

参考文献
[1]《全球定位系统（GPS）测量规范》（GBT 18314-2009）
[2]《建筑基坑工程监测技术标准》（GB 50497-2019）
[3]何秀凤. GPS一计多天线技术在大坝、边坡形变监测中的应用[D].2009.3-4.。