CN108914994A - 一种基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，属于基坑位移监测技术领域，包括如下步骤：S1，在基坑周围任意一点P点自由安置全站仪，通过观测任意两个已知基准点C1、C2，计算得到自由设站点P点的坐标P；S2，步骤S1后，紧接着观测基坑监测点Wi，得到全站仪到基准点C1、C2的倾斜距离、天顶距和水平盘度度数，并计算得到基准点C2到监测点Wi的水平距离及方位角；S3，计算基坑监测点水平距离的收敛值；S4，计算基坑监测点水平距离在边坡方向上的分量、水平位移量及水平位移累积变化量。本发明能很好地适应施工现场复杂环境，应用更加广泛，并且能够提高监测点的测量精度。

Description

一种基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法

技术领域

本发明涉及一种基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，属于基坑位移监测技术领域。

背景技术

在深基坑开挖过程中，基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变，基坑支护结构的内力和位移变形中的任一量值超过容许的范围，将造成基坑的失稳破坏或对周围环境产生不利影响。因此，在基坑施工过程中，只有对基坑支护结构、基坑周围的土体和相邻的构筑物进行全面、系统的监控与检测，在出现异常情况时及时报警，并采取必要的工程应急措施，调整施工工艺或设计参数，以确保基坑工程及周围环境的安全和稳定。

基坑位移监测分为水平位移监测和竖向位移(沉降)监测，目前常用的水平位移监测方法有视准线法、小角度法、投点法、坐标法等；测定监测点任意方向的水平位移时视监测点的分布情况，采用前方交会法、自由设站法、极坐标法等。这些观测方法是基于基坑附近有相对稳定的地面基准点为基础，并保证与监测点通视的条件下才能实施。而在深基坑开挖时，施工环境非常复杂，场地空间往往十分狭窄，通视效果不佳，且场地内通视条件变化也相对较快，这些都极大地限制了传统的以固定设站方式进行的变形监测。现行的水平位移监测方法很难实现，即使能够实现其观测精度也很难保证水平位移监测的精度要求。

基坑支护结构的水平位移量是指基坑坡顶的沿基坑边坡法线方向上的水平位移变化量，常用的监测方法是坐标法，通过观测基坑支护结构监测点自身的坐标变化量来监测基坑的水平方向上的位移变化量。南北方向的边坡其水平位移量主要表现于Δy的变化，东西方向的边坡水平位移量主要表现于Δx的变化。监测点的坐标变化量主要是相对工作基准点的坐标变化，是相对水平位移。但是这种相对水平位移不仅与工作基准点的精度有直接的关系，还与每次在工作基准点上安置仪器和后视测量精度有关，如果工作基准点不稳定(每个观测周期内均有变化)或每次的仪器安置和后视测量精度不同，将影响监测点的坐标观测值，从而导致基坑水平位移监测值的精度。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，全站仪采用自由设站方式且提高了监测点的测量精度。

本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，包括如下步骤：

S1，在基坑周围任意一点P点自由安置全站仪，通过观测任意两个已知基准点C1(x_C1,y_C1)、C2(x_C2,y_C2)，计算得到自由设站点P点的坐标P(x_P,y_P)；

S2，步骤S1后，紧接着观测基坑监测点Wi，得到全站仪到基准点C1、C2的倾斜距离、天顶距和水平盘度度数，并计算得到基准点C2到监测点Wi的水平距离及方位角；

S3，计算基坑顶部监测点水平距离的收敛值；

S4，计算基坑顶部监测点水平距离在边坡方向上的分量、水平位移量及水平位移累积变化量。

优选的，所述步骤S1中，C1、C2为任意两个已知的基准点，P为自由设站点，在P点安置全站仪，以必要的精度观测P点到基准点C1、C2的倾斜距离S_c1、S_C2和夹角γ₁，及P点到基准点C1、C2的天顶距V_C1、V_C2，通过平差计算，根据公式(1)、(2)得到P点的坐标(x_p,y_p)：

其中：

对边测量是利用全站仪测量至任意两点的斜距S和水平角度γ的功能，解算现场任意两点之间水平距离、高差和方位角。

优选的，所述步骤S2中，自由设站点P安置全站仪，观测完两个基准点后，紧接着观测基坑监测点W，或者说是以相等的精度观测全站仪到基准点C1、C2和监测点W1的倾斜距离、天顶距和水平盘度读数，分别为S_C1、V_C1、β_C1、S_C2、V_C2、β_C2及S_W1、V_W1、β_W1，根据余弦定理即可得到基准点C2到监测点W1的水平距离D_C2W1：

基准点C2到监测点W1的高差h_C2W1为：

h_C2W1＝S_W1·cosV_W1-S_C2·cosV_C2 (4)

基准点C2到监测点W1的方位角为α_C2W1：

其中：

如果将全站仪的起始读数设置为β_C1，全站仪瞄准基准点C1时水平盘度读数设置为β_C1，则：

γ₁＝β_C2-β_C1

γ₂＝β_W1-β_C2

如果将全站仪的起始读数设置为0°00′00″，则β_C1＝0°00′00″，则：

γ₁＝β_C2

γ₂＝β_W1-β_C2

其中β_C1、β_C2、β_W1均为全站仪对基准点和监测点观测时的水平盘度读数，而γ₁和γ₂为水平盘读数差，即水平角值。

由式(3)、(4)和(5)可知，自由设站对基准点和基坑监测进行对边距离测量时，所观测的基准点到监测点的水平距离和方位角与自由设站点的坐标(x_p,y_p)和起始方位角(水平盘度起始读数β_C1)无关。无论是自由设站还是任意设站，只要在一测回中对基准点和所有的监测点进行连续观测，所观测的基准点至监测点之间的水平距离就与自由设站点坐标和起始方位角(水平盘度起始读数)无关。因此，自由设站中的误差、起始数据误差和后视精度误差均对对边测距没有影响，提高了基准点至监测点之间水平距离的观测精度，达到提高基坑水平位移的监测精度。

优选的，所述步骤S3中，基准点到监测点之间水平距离的变化量即水平距离的收敛值Δd_C2W1，就是基坑支护结构顶部监测点相对基准点的水平位移量，即：

其中：为第n期的水平距离观测值，第n+1期的水平距离观测值；

如果每一期的水平距离观测值均与第一期比较，则每一期的收敛值Δd_C2W1即为基坑顶部监测点相对基准点的累积水平位移量，即为基坑坡顶水平位移累积监测值：

进一步优选的，如果建立以基坑南北方向的边坡为x轴，东西方向的边坡为y轴的施工坐标系统，则南北方向的基坑边坡(即基坑的东西边坡)水平距离在垂直基坑方向上的分量为Δy_C2W1；东西方向的基坑边坡(即基坑的南北边坡)水平距离在垂直基坑方向上的分量为Δx_C2W1。

所述步骤S4中，根据基准点C2到监测点W1的水平距离D_C2W1和方位角α_C2W1，即可计算基准点至各监测点之间的坐标差Δx_C2W1和Δy_C2W1，则坐标差Δx_C2W1为D_C2W1在x轴方向上的水平距离分量，Δy_C2W1为D_C2W1在y轴方向上的水平距离分量，即：

Δx_C2W1＝D_C2W1·cosα_C2W1 (8)

Δy_C2W1＝D_C2W1·sinα_C2W1 (9)

dΔx_C2W1为x轴方向上的水平分量的收敛值，即为x轴方向上的水平位移量，dΔy_C2W1为y轴方向上的水平收敛值，即为y轴方向上的水位移量，则：

基坑顶部监测点在x轴和y轴方向上的水平位移累积变化量分别为：

本发明的有益效果为：

1)本发明的基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，自由设站中的误差、起始数据误差和后视测量误差均对对边测距没有影响，大大减少了每期的监测数据不确定性，提高了基准点至监测点之间水平距离的观测精度。

2)本发明在整个过程中，测站点的坐标仅起传递作用，从而每次测量时，其位置可以随意设置，这种方式能很好地适应施工现场复杂环境，应用更加广泛。

附图说明

图1为本发明的对边测距的原理示意图；

图2为本发明的基坑监测点与基准点水平观测示意图；

图3为实施例2中水平位移监测点分布示意图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述，但不仅限于此，本发明未详尽说明的，均按本领域常规技术。

实施例1：

如图1所示，一种基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，包括如下步骤：

S1，C1、C2为任意两个已知的基准点，P为自由设站点，在P点安置全站仪，以必要的精度观测P点到基准点C1、C2的倾斜距离S_c1、S_C2和夹角γ₁，及P点到基准点C1、C2的天顶距V_C1、V_C2，通过平差计算，根据公式(1)、(2)得到P点的坐标(x_p,y_p)：

其中：

S2，自由设站点P安置全站仪，观测完两个基准点后，紧接着观测基坑监测点W1，或者说是以相等的精度观测全站仪到基准点C1、C2和监测点W1的倾斜距离、天顶距和水平盘度读数，分别为S_C1、V_C1、β_C1、S_C2、V_C2、β_C2及S_W1、V_W1、β_W1，根据余弦定理即可得到基准点C2到监测点W1的水平距离D_C2W1：

基准点C2到监测点W1的高差h_C2W1为：

h_C2W1＝S_W1·cosV_W1-S_C2·cosV_C2 (4)

基准点C2到监测点W1的方位角为α_C2W1：

其中：

如果将全站仪的起始读数设置为β_C1，全站仪瞄准基准点C1时水平盘度读数设置为β_C1，则：

γ₁＝β_C2-β_C1

γ₂＝β_W1-β_C2

如果将全站仪的起始读数设置为0°00′00″，则β_C1＝0°00′00″，则：

γ₁＝β_C2

γ₂＝β_W1-β_C2

其中β_C1、β_C2、β_W1均为全站仪对基准点和监测点观测时的水平盘度读数，而γ₁和γ₂为水平盘读数差，即水平角值。

S3，基准点到监测点之间水平距离的变化量即水平距离的收敛值Δd_C2W1，就是基坑支护结构顶部监测点相对基准点的水平位移量，即：

其中：为第n期的水平距离观测值，第n+1期的水平距离观测值；

如果每一期的水平距离观测值均与第一期比较，则每一期的收敛值Δd_C2W1即为基坑顶部监测点相对基准点的累积水平位移量，即为基坑坡顶水平位移累积监测值：

S4，建立以基坑南北方向的边坡为x轴，东西方向的边坡为y轴的施工坐标系统，则南北方向的基坑边坡(即基坑的东西边坡)水平距离在垂直基坑方向上的分量为Δy_C2W1；东西方向的基坑边坡(即基坑的南北边坡)水平距离在垂直基坑方向上的分量为Δx_C2W1，值得注意的是，本发明中在设置监测点时，如图2所示，可在位于基坑左边的南北边坡设置一基准点(即C2点)，位于基坑右边的南北边坡设置另一基准点(即C4点)，方便观测和计算。

根据基准点C2到监测点W1的水平距离D_C2W1和方位角α_C2W1，即可计算基准点至各监测点之间的坐标差Δx_C2W1和Δy_C2W1，则坐标差Δx_C2W1为D_C2W1在x轴方向上的水平距离分量，Δy_C2W1为D_C2W1在y轴方向上的水平距离分量，即：

Δx_C2W1＝D_C2W1·cosα_C2W1 (8)

Δy_C2W1＝D_C2W1·sinα_C2W1 (9)

dΔx_C2W1为x轴方向上的水平分量的收敛值，即为x轴方向上的水平位移量，dΔy_C2W1为y轴方向上的水平收敛值，即为y轴方向上的水位移量，则：

基坑顶部监测点在x轴和y轴方向上的水平位移累积变化量分别为：

实施例2：

如图3所示，为济南某基坑顶部水平位移监测点分布图，基坑形状如图3所示，其监测方法与实施例1相同，不同的是，将实施例1中的监测点W1换成本基坑中的W01、W02、W03…W08，得到8个点的监测数据，如表1所示为某天的监测日报，同一基坑采用常规的极坐标法进行监测得到表2的数据；

表1：基坑坡顶水平位移(距离收敛法)监测日报表

表2：基坑坡顶水平位移(极坐标法)监测日报表

利用本发明所提出的距离收敛法，对济南某基坑顶部水平位移监测，基坑形状如图3所示，建立了以基坑南北方向为x轴东西方向为y轴的施工坐标系统，从表1和表2监测数据可知，南北方向上的基坑边坡(即东西边坡)上，基坑顶部水平位移主要表现在Δy的数据变化，这与理论计算相一致。表1是利用距离收敛法对基坑西边坡上的部分监测点进行监测，表2是采用极坐标法(常规基坑顶部水平位移监测方法)进行监测。

由表1和表2可知道，本发明的距离收敛法的观测精度能达到亚毫米级，而极坐标法的观测精度只有毫米级，距离收敛法的计算精度高于极坐标法。

从监测数据可知，常规的极坐标法的观测数据变化比较大，变形量不规则，数据离散性宽，不易找到变形规律。而采用本发明的距离收敛法的观测精度高，数据连续性较好，累积变形量较明显。由于距离收敛法不受自由没站点的安置精度、测量误差的、起始数据的影响，大大减少了每期的监测数据不确定性，使每期的观测精度基本一致，达到了同精度影响原则。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1，在基坑周围任意一点P点自由安置全站仪，通过观测任意两个已知基准点C1(x_C1,y_C1)、C2(x_C2,y_C2)，计算得到自由设站点P点的坐标P(x_P,y_P)；

S2，步骤S1后，紧接着观测基坑监测点Wi，得到全站仪到基准点C1、C2的倾斜距离、天顶距和水平盘度度数，并计算得到基准点C2到监测点Wi的水平距离及方位角；

S3，计算基坑顶部监测点水平距离的收敛值；

S4，计算基坑顶部监测点水平距离在边坡方向上的分量、水平位移量及水平位移累积变化量。

2.根据权利要求1所述的基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S1中，全站仪观测P点到基准点C1、C2的倾斜距离S_c1、S_C2和夹角γ₁，及P点到基准点C1、C2的天顶距V_C1、V_C2，通过平差计算，根据公式(1)、(2)得到P点的坐标(x_p,y_p)：

其中：

3.根据权利要求2所述的基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S2中，自由设站点P安置全站仪，观测全站仪到基准点C1、C2和监测点W1的倾斜距离、天顶距和水平盘度读数，分别为S_C1、V_C1、β_C1、S_C2、V_C2、β_C2及S_W1、V_W1、β_W1，根据余弦定理即可得到基准点C2到监测点W1的水平距离D_C2W1：

基准点C2到监测点W1的高差h_C2W1为：

h_C2W1＝S_W1·cosV_W1-S_C2·cosV_C2 (4)

基准点C2到监测点W1的方位角为α_C2W1：

其中：

如果将全站仪的起始读数设置为β_C1，全站仪瞄准基准点C1时水平盘度读数设置为β_C1，则：

γ₁＝β_C2-β_C1

γ₂＝β_W1-β_C2

如果将全站仪的起始读数设置为0°00′00″，则β_C1＝0°00′00″，则：

γ₁＝β_C2

γ₂＝β_W1-β_C2

其中β_C1、β_C2、β_W1均为全站仪对基准点和监测点观测时的水平盘度读数，而γ₁和γ₂为水平盘读数差，即水平角值。

4.根据权利要求3所述的基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S3中，基准点到监测点之间水平距离的变化量即水平距离的收敛值Δd_C2W1，就是基坑支护结构顶部监测点相对基准点的水平位移量，即：

其中：为第n期的水平距离观测值，第n+1期的水平距离观测值；

如果每一期的水平距离观测值均与第一期比较，则每一期的收敛值Δd_C2W1即为基坑顶部监测点相对基准点的累积水平位移量，即为基坑坡顶水平位移累积监测值：

5.根据权利要求4所述的基于对边测距的基坑顶部水平位移监测方法，其特征在于，所述步骤S4中，根据基准点C2到监测点W1的水平距离D_C2W1和方位角α_C2W1，即可计算基准点至各监测点之间的坐标差Δx_C2W1和Δy_C2W1，则坐标差Δx_C2W1为D_C2W1在x轴方向上的水平距离分量，Δy_C2W1为D_C2W1在y轴方向上的水平距离分量，即：

Δx_C2W1＝D_C2W1·cosα_C2W1 (8)

Δy_C2W1＝D_C2W1·sinα_C2W1 (9)

dΔx_C2W1为x轴方向上的水平分量的收敛值，即为x轴方向上的水平位移量，dΔy_C2W1为y轴方向上的水平收敛值，即为y轴方向上的水位移量，则：

基坑顶部监测点在x轴和y轴方向上的水平位移累积变化量分别为：