基于TPS的基坑变形监测及精度分析

基于TPS的基坑变形监测及精度分析

摘要:利用全站仪能同时观测角度、距离和高程的特点，通过观测变形点的三维坐标，计算出变形点的水平位移和沉降量。此方法可以单站设置，方便灵活，并在一定精度内代替几何水准的测量，尤其在施工现场复杂的环境，能起到事半功倍的效果。通过精度分析，并与沉降观测数据对比，其观测精度满足深基坑变形观测的精度要求。

关键词：基坑监测TPS 三维坐标法水平位移竖向位移

基坑监测是指在施工及其使用期限内，对建筑基坑以及周边的环境实施的安全检查和监控工作。由于地下土体性质、荷载条件等等因素都存在诸多的不确定性，在施工之前必须做好系统、精确的监测工作，才能正确指导施工，为施工合理规划提出可靠的供参考的意见。其目的：一方面是指导基坑开挖和支护结构的施工，通过对基坑支护结构的变形观测，预测下一个施工工况时的数据信息，并根据实际变形观测值及预测值与设计时采用的值进行比较，必要时对设计方案和施工程序进行修正；另一方面是确保基坑支护结构、基坑和相邻建筑物的安全。由于支护结构及被支护的基坑变形过大会引起邻近建筑物的安全。通过基坑开挖过程中的周密监测，及时预报监测数据，建筑物的变形在正常范围时可保证基坑的顺利施工，在建筑物变形接近警戒值时，及时采取应急措施对基坑支护结构和周围建筑物进行保护，确保基坑支护结构和周围建筑物的安全与稳定，这是基坑监控的主要目的。

深基坑监测技术的具体实施主要依靠各种专业设备来进行，监测设备必须满足观测精度和量程要求，具有良好的稳定性和可靠性。这项工作可以采用多种监测技术和信号传输处理方式，通过监控专家系统、智能控制系统、可视化监测软件等几类配套工具，将监测结果迅速提取、统计、分析，可以充分发挥现代化监测手段的优势作用。

基坑围护结构墙顶（或基坑坡顶）的水平位移及垂直位移（竖向位移）是基坑监测的重要工作点。可靠、及时、准确的监测数据对于施工过程的决策有着决定性影响。深基坑监测包括水平位移和竖向位移的三维量监测。水平位移一般可通过边、角观测法来确定其二维坐标，竖向位移一般可用几何水准法观测，但几何水准法较为繁琐。而全站仪法是通过观测基坑变形点的三维坐标，从而得到基坑边坡顶部的水平位移和竖向位移量（沉降量），从实际应用情况看，这种全站仪法方便灵活，受施工干扰小，能同时观测大量的变形观测点。从而节约大量的人力、物力和财力。该文通过误差传播理论进一步讨论了这一方法的精度及其影响因素。并通过工程实例说明这一方法的可行性。

1 全站仪法基本原理

首先在基坑的周围布设控制点和工作基准点做为已知点。在变形监测点观测时，利用自由设站的方法建立测站点，然后通过角度和距离计算观测各监测点的坐标。自由设站是指利用二个以上五个以下的已知点，通过测距测角的方式进行后方交会求得测站点坐标的工作。

它支持二点边角交会，三点及以上测角交会和边角混合交会。计算结果是测站坐标高程和水平度盘定向值，并显示精度指标，将测量结果存入仪器即完成设站工作。测量数据有多余观测，程序将进行平差计算出测站点坐标数据。并保存测量数据。

全站仪法的基本原理，就是利用全站仪能同时观测水平角度、水平距离和高程的特点。将全站仪设置在变形监测的工作基点上，以另一个工作基点或原始基准点为后视方向，通过观测变形观测点与工作基点之间的水平距离、水平角度和高差，来确定变形观测点的三维坐标，在一个变形观测周期内，通过前后两次的坐标的差值，求得变形观测点的水平位移量和竖向位移量。计算公式如下

式中：——为基准点坐标值。

若以变形点第一次观测坐标（，，）作为初始值，则各变形点相对于第一次的变形量为：

并由下列公式可以计算变形点的水平位移量和垂直位移量。

总位移量为：

这样，进行基坑监测时，每次观测都可以得到一个位移值，从而可以获得移动速度和移动变形规律，并通过设定极限值来判断是否超限而报警。

2 全站仪法的观测方法

2.1 工作基点及基准点的观测

如(图1)所示，在基坑监测的范围内分别布置四个基准点,分别为C1、C2、C3和C4，四个基即作为平面控制点又作为高程基准点，同时，四个准点能相互通视并便于校验，共同构成大地四边形，四个基准点分别位于经十路与洪山路交叉口、洪山路、基坑的西北角和西南角的空地上，四个基准点均离开基坑100?m，均位于基坑变形范围以外。基准点和工作基点的形式和埋设可参考四等三角点的要求进行，四个基准点的观测是采用四等边角网的方法进行，并定期进行校

核。防止其本身发生变化，以保证变形监测结果的准确性。基准点应在变形监测的初次观测之前1个月埋设好。

2.2 变形观测点的实测

变形监测点的设置，在基坑支护前，在基坑的边坡内埋入刻有“＋”字标记、长500?mm、直径20～30?mm的的圆头钢筋，四周用环氧树脂水泥浆填实。基坑监测时同，将观测小棱镜安置在“＋”字标记的中心，并保证棱镜上的微气泡居中，使棱镜处于铅垂位置。

为了对深基坑周围32个变形观测点进行同时观测，在基坑变形点附近，设置了1个临时控制点作为变形观测的工作基点，如(图2)所示。全站仪（TPS）安置在工作基点上，通过后方交会获得工作基点的三维坐标，然后通过观测水平角度、竖直角度和水平距离，从而得到变形监测点的三维坐标。

为了提高观测精度，对变形观测点的观测是在工作基点上安置仪器，后视最远的基它2～3个基准点为后视方向，采用全园方向法对32个观测点进行同时观测，每次观测12个测回，半测回方向归零差限差4″同测回2C互差限差6″同测回垂直角指标差互差限差8″同一方向测回互差限差4″同一方向垂直角测回互差限差6″同一方向距离测回互差限差1?mm。

3 精度分析

由上式可知，变形观测点的水平位移量和沉降量只与观测点的水平角、竖直角和观测的倾斜距离有关。在实际观测时，由于观测条件相同，距离和角度观测是独立的。根据误差传播定律，可得观测点的点位中误差为：

在等精度条件下，观测点的水平位移点位中误差为：

观测点的沉降(竖向位移)的中误差为：

实际观测时，采用瑞士徕卡TC702全站仪，；=2+2ppm，且使工作基点与位移观测点位于相同的高度，使竖直角接近，代入上式可得水平位移的点位中误差mm，垂直位移点位中误差mm。其精度能满足三等变形观测的精度要求。

4 工程实例