高精度全站仪在城市建筑基坑变形监测中的应用

高精度全站仪在城市建筑基坑变形监测
中的应用
摘要：随着我国城市化进程的推进，各种新型、大型建筑物不断涌现，建筑基坑开挖的深度越来越大，规模越来越复杂。

为了确保支护结构和相邻建筑的安全，在施工过程中要对基坑的变形情况进行监测，从而保证施工过程中支护结构及相邻建筑物的安全、稳定。

基坑变形监测主要包括水平位移监测和竖向位移监测。

基坑水平位移监测包括测定特定方向上的水平位移，常用方法有视准线活动觇牌法、视准线测小角法、激光准直法等。

这些方法的特点是使用经纬仪即可进行观测，以基坑附近有稳定的基准点为基础，并保证在监测点通视的条件下才能实施。

同时，不同边在水平位移观测时需分别设站，观测时间较长，对于复杂的监测环境不太适用。

基坑竖向位移监测的传统方法主要以几何水准测量为主，其测量精度高，数据可靠，能够有效反应基坑的竖向变形。

其缺点在于高程传递受地形环境影响因素较大，监测耗时较长，在某些特殊基坑或基坑较深时无法有效实施。

关键词：高精度全站仪；城市建筑；基坑变形监测；应用；
引言
近年来，随着国民经济的迅猛增长，全国各省市的城市建设也随之增加，为保证城市建设的安全，根据相关要求，必须对其进行安全监测。

深基坑中监测一般包括:水平位移监测、沉降监测、水位监测、支护结构深层水平位移监测、支撑轴力等监测项目。

各项监测项目中技术难度较高的是水平位移监测。

传统的基坑位移监测方法有视准线法、小角法、极坐标法、前方交会法、后方交会法等。

1做好深基坑监测的要求及意义
首先从技术体系的应用意义来讲，在深基坑开挖的过程中，由于土方卸载导致周围的围护体系性能下降，周边的土体结构会逐渐向中间进行位移。

这不仅会
对施工过程造成较大的隐患，也会直接影响后期地下室结构的综合质量，因此，
做好深基坑监测，可以及时的把握深基坑施工期间的动态性因素。

做好深基坑监测，也可以了解整体的施工过程是否会对周边环境产生影响，并且制定调解方案，这能够进一步提升地下室施工的有效性，在确保安全的同时，增强整体工程的经
济效益和社会价值。

从深基坑监测的内容角度来讲，主要涉及到了以下几个方面：常见的深基坑监测，以基坑支护体系监测以及周边环境监测为主，支护体系监测
主要涉及到了支护结构本身的性能检测、立柱以及土体深层侧向位移监测等。

针
对基坑周边环境进行监测，涉及到了施工范围内的建构筑物检测、土壤土体环境
监测、地表监测、地下水位监测、地下管线检测等。

整体的工程监测体系必须要
有目的、有规划的进行，这样才可以满足实际的施工需求，同时也能够起到提升
工程经济价值的作用。

在监测作业的过程中，首先需要根据监测数据了解基坑本
体的实际变形情况，并且结合变形的数据进行信息反馈，制定基坑防护方案，利
用数据监测了解周边建构筑物以及地下管线是否存在异常情况，确保整体的基坑
及周边处于安全状态。

在监测期间必须要针对支护结构的实际性能和质量进行验证，分析其是否能够达到预先的设定要求，同时结合反馈出来的数据，了解工程
的信息变动情况，结合不同环节进行施工进度调整和施工质量调整，确保实际的
基坑施工能够满足地下室建设的要求。

建立在这一系列目的的基础上，落实地下
室深基坑监测，已经成为了当前高层建筑施工过程中的重点，必须要受到多方的
重视。

2全站仪水平位移坐标点位精度分析
全站仪监测基坑水平位移的方法称之为全站仪坐标法，包括极坐标法和以极
坐标法为基础的自由设站法。

它通过直接测定基坑位移监测点的坐标，计算前后
两次坐标的变化量即可确定位移量。

由于测量坐标的精度受到距离测量精度和角
度测量精度的双重影响，不太容易估算，现根据测量误差的理论知识，对全站仪
坐标法的精度进行分析。

全站仪坐标法测量精度的影响因素主要来自于观测误差、全站仪对中误差、监测点棱镜偏心误差。

观测误差由测距中误差和测角中误差构成。

其中，测角中误差又由水平角和竖直角构成。

观测误差由全站仪设备本身的
标称精度所决定。

由于高精度全站仪自身的标称精度较高，其观测误差可以得到
有效控制。

全站仪对中误差和监测点偏心误差是指当全站仪或棱镜采用三脚架对
中时产生的误差，一般来讲，其误差不宜超过±0.5mm。

而当全站仪或者棱镜采用具有强制对中装置的观测墩或者棱镜台时，其对中误差和偏心误差很小，几乎可忽略不计。

于观测误差、仪器对中误差、偏心误差是相互独立的，根据误差传播定律，可得到监测点的点位中误差为：
以瑞士莱卡TS60高精度全站仪为例，对不同观测距离位移观测点的坐标精度进行分析。

一般来讲，基坑变形观测点位移分布在基坑顶部，且位于同一水平面上，仪器观测时的竖直角较小，因此将竖直角设置为0。

TS60高精度全站仪测距标称精度为0.6mm+1ppm，测角标称精度为0.5″，仪器对中误差和偏心误差均以±0.8mm来考虑。

3数值模拟及现场监测分析
3.1水平位移分析
为及时掌握开挖过程中桩体等支护结构变形的大小及方向，进行水平位移监测并导出与模拟数据进行对比分析，可以看出：（１）随着基坑的开挖，水平位移方向均指向基坑内部，监测点与模拟点变化趋势类似，随深度的增加位移变化加大，后期变化缓慢并总体趋于稳定的变化规律，而两者之间变化的微小差异可能是由于降水引起水位降低产生的附加沉降使得位移变化略微不同。

（２）在基坑开挖过程中，工况二至工况六水平位移变化较快，但位移变化值远小于规定的报警值，这表明在整个基坑开挖支护过程中，支护合理，未出现开挖速度过快或者过多的现象。

3.2锚杆轴向应力分析
随着基坑开挖的进行，各道锚杆依次施工，锚杆轴力值发生变化，但是轴力变化值在开挖完成后趋于相对稳定；结果表明，下道锚杆对上一道锚杆的影响很小，这是因为施工过程中，锚杆存在预应力损失，约束作用会减弱；纵观其余各
道锚杆轴力，轴力值有减小也有增大，这种变化体现了各道锚杆间相互协调共同
起到支护的空间作用效应。

3.3基坑的地下水位检测
地下水位监测将直接影响整体基坑的实际施工安全性，本工程中的地下水位
监测利用电测水位仪进行作业，在高程测量的过程中，利用四等水准水位观测井
固定点进行测量，每一次测量井口的固定点数值以及水平数值。

将两次测量得出
的结果进行对比，其数值差异应该控制在一厘米以内，取两次测量的整体平均值，最终得出水位高程的实际数据。

经过地下水位测量之后，得出该工程的最高水位
点为28.5厘米，符合基坑允许水位的范围标准，水位最高点在整体机坑的北侧
边坡区域出现，其变形曲线在前期快速增加，中期缓慢减小，后期平稳发展表明，在整体的深基坑施工期间，基坑水位始终处于增长状态，不会对基坑边坡造成影响。

4监测变形成果分析
(1)选取桩锚支护结构的一个工程段并对支护体系设计计算方法、施工工序
进行总结与研究。

根据现场采集的基坑支护结构的监测数据，分析其支护体系在
基坑开挖过程中受力变形状态，通过对工程的信息化施工将施工过程处于动态控
制之中。

对深基坑开挖桩锚支护体系提供设计指导，将减少工程事故的发生并节
约工程造价。

(2)基坑开挖必须严格按“时空效应理论”采用分层、分区域挖土，减少时空效应的影响，并遵循开挖支护、随挖随护、分层开挖、严禁超挖的原则，适当减少每步开挖的空间，将作业面长度控制在10m以内。

(3)围护桩水平位移
变化最大的是第一步基坑开挖，故应严格控制第一步开挖的深度，严禁超挖。

靠
近围护桩的部分土体应由人工凿除，防止机械碰撞围护结构，同时应适当提高围
护桩的刚度，增加桩墙的入土深度和预应力，在减小围护结构水平位移上能起到
良好效果。

应加固被动区的土体使m值增大，在桩顶沉降和基坑周边地表沉降方
面可起到良好的控制作用。

随着锚杆预应力的增大，同一基坑的变形逐渐减小，
其中在围护桩中部加力使得变形控制效果显著。

5全站仪竖向位移高差监测精度分析
全站仪监测基坑竖向位移的方法称之为三角高程测量法。

几何水准测量法作
为传统的高程测量方法，其仪器、技术成熟，测量精度容易保证，但受基坑地形
环境影响，有时不便于进行监测。

全站仪三角高程测量法测量竖向位移相对简便，能够适应各种地形环境的基坑，当其测量精度得到保证时，可作为基坑竖向位移
监测的有效方法。

现对全站仪三角高程测量法的精度进行分析。

全站仪三角高程
测量精度的影响因素主要来自于观测误差、测量仪器高和棱镜高的误差、大气折
光误差和地球曲率误差。

观测中误差由测距中误差和竖直角中误差构成，由全站
仪设备自身的精度决定。

高精度全站仪的标称精度如上文所示。

大气折光系数中
误差与气压、温度梯度有关。

根据研究成果可知，测距在300m以内，大气折光
系数中误差较小，一般应小于等于0.063mm。

同样，由于观测误差、测量仪器高
和棱镜高的误差，大气折光误差和地球曲率误差均是相互独立的，根据误差传播
定律可得到高差中误差为：
同样，以瑞士莱卡TS60高精度全站仪为例，对不同竖直角、不同观测距离
时观测点的高程精度进行分析。

TS60高精度全站仪测距标称精度为0.6mm+1ppm，测角标称精度为0.5″。

大气折光系数中误差取±0.05mm，地球平均曲率半径为6371km。

测量仪器高和棱镜高的误差取值为±0.55mm。

根据公式，得到此高精度
全站仪在不同测距、不同竖直角时一个测回的高差中误差。

将基坑竖向位移监测
精度按照竖向位移预警值分为4级，结合基坑安全等级可知，一二级基坑监测点
高差中误差要求为±0.5mm，三级基坑监测点高差中误差要求为±1.0mm。

由表2
可知，随着测距增大，竖直角增大，全站仪测量精度逐步降低，且采用强制对中
方式，具有相对良好的测量效果。

当采用强制对中方式时，竖直角需在20°以内，测距小于200m，一测回的竖向位移精度能够满足相应规范要求，否则应增加测回
数量，以提高测量精度。

采用光学对中方式对安全等级为一二级的基坑进行测量时，必须进行多测回监测，以保证测量结果的有效性。

结束语
本文通过对高精度全站仪水平位移和竖向位移进行精度分析，并结合工程应用实例，发现采用高精度全站仪对城市基坑进行一站式水平位移和竖向位移监测是可行且有效的。

采用强制对中方式进行水平位移监测能够有效提高监测精度，但是需要注意的是，当采用光学对中方式时，则要进行多测回测量。

测量竖向位移时，应尽量采用强制对中方式，且竖直角和测距不宜过大，以保证监测数据的有效性。

参考文献
[1]范兵,李改,易小江,周应权,冯嘉林.高精度全站仪在城市建筑基坑变形监测中的应用[J].重庆建筑,2021,20(06):32-34.
[2]聂建伟.深基坑变形监测与规律分析[J].智能城市,2021,7(05):145-146.
[3]陈伟.城市基坑变形监测技术应用分析[J].建筑技术开
发,2021,48(01):145-146.
[4]卫洁.深基坑变形监测分析[J].建筑与预算,2020(12):80-82.
[5]张军舰,汲鹏.深基坑变形监测技术的应用研究[J].建筑技术开
发,2020,47(22):89-90.
[6]曹海春.高层建筑基坑变形监测研究[J].山东煤炭科技,2020(03):192-195.
[7]王旭明.基坑变形监测精度方法和预警探讨[J].智能城
市,2020,6(05):81-82.
[8]邢洪阳.深基坑变形特性与监测数据分析[J].科技创新导
报,2019,16(22):9-10.。