高精度全站仪在基坑监测中的应用

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1、高精度全站仪在基坑监测中的应用【摘 要】 我国正在进行大开发、大建设，很多的建设工程均涉及到基坑工 程，高精度全站仪在基坑监测中的作用日益重要。本文对高精度全站仪在基坑监测中的 应用进行了详细的分析，主要得出以下结论：(1) 基坑周围的岩土介质原有的应力平衡状态遭到破坏，使周围地层产生扰 动，导致基坑支护结构内倾、变形，基坑变形失稳甚至引起基坑相邻的周边建筑 物或地下设施损坏。(2) 高精度的全站仪对基坑进行监测，可有效地实现及时准确获取监测点发 生的位移量，及时向施工人员反馈，帮助他们及时采取有效措施控制基坑变形。(3) 全站仪的自由设站法是最常采用的方法，其原理是先建立观测坐标系， 预先设

2、定好基准点，对多个基准点的观测数据进行联合，借助计算机数据处理技 术对监测数据进行转化，最终实现自由设站观测。(4) 全站仪广泛用于大型建筑、地下工程的基坑水平位移与竖向位移的观测。 江苏某车间楼基坑工程施工中，采用高精度全站仪对基坑变形进行了全过程监测 保证了基坑支护结构的安全和施工安全。【关键词】 全站仪；基坑监测；变形失稳。前言1.基坑工程变形失稳案例分析随着我国人口数量的不断上升，城市居民变得越来越多，对土地竞争变得越 来越激烈，为了能够对城市有限的土地资源进行尽可能充分的利用，各种地上建 筑及地下建筑进行大建设。工程建设中不可避免的开挖各种基坑工程，而基坑工 程是临时工程，其安全储备

3、性能低，事故频繁，导致基坑支护结构内倾、变形， 严重时会导致整个基坑支护结构的倒塌损坏，同时引起基坑相邻的周边建筑物或 地下设施开裂、倾斜、倒塌，甚至发生人员伤亡事故，造成了重大损失和严重后 果。广州市某基坑概况基坑周长约330m，原设计为地下4F，基坑开挖深度为 17.0m。基坑东侧为道路和地铁，基坑东侧围护边与地铁隧道结构距离约5.70m； 基坑南侧与该侧7F的宾馆酒店距离约为20.0m，该宾馆基础为锤击灌注桩基础； 基坑北侧和西侧为河道。基坑施工中发生了坍塌，导致房屋的开裂、建筑物的垮 塌。南京某国际商城基坑开挖深度12.40-13.90m，基坑平面为89mX218m。东侧 为市主干道中

4、央路，人行道及马路下管线密布，南 北侧分别是童家巷、马 家街，西侧紧靠南京军区干休所，基坑开挖后，支护结构产生较斜，造成严重的 经济、财产损失。基坑的施工具有一定的风险性，其安全与基坑变形密切相关，所以在基坑的 施工过程中，要严格控制基坑变形量。因为变形量一旦超出了变形的容许范围值 就会造成深基坑的破坏。这主要是由于土的特性决定的，在进行基坑的施工过程 中，岩土介质原有的应力平衡状态会遭到破坏，使周围地层产生扰动。其中，地 层移动和地表沉降就是其表现形式，如果变形过大，将会对基坑周边建筑物、构 筑物、地下管线以及道路等产生恶劣影响。由此可见，在基坑的施工过程中，正 确定量评价并预测基坑变形，对

5、基坑施工全过程安全起着重要作用，能有效遏制 事故的发生 Error: Reference source not foundError: Reference source not found。2、全站仪在基坑监测中的意义基坑周围土体结构和原来相比，发生了一定的变化，土体的内部结构也会产 生于一个重力重分布和约束的过程，土体内部的结构会由在未开挖之前的静止土 压力状态逐步转变为复合力压力状态，对应的基坑周边的土体就会出现变形回弹 现象Error: Reference source not found。这种变形会随着周围工程施工的不 断进行，荷载的不断增加而逐步增加，当基坑变形到一定程度之后整个建筑

6、物就 会存在很大的安全隐患。要想对基坑变形做好有效的预防，就需要借助先进的监 测设备，实时监测变形情况，关注基坑的动态变化，为施工人员提供准确的数据 指导他们采取正确的措施，控制基坑变形Error: Reference source not foundError: Reference source not found。吴江市某高层住宅地基为湖积软土淤泥及淤泥质土，基坑南侧区段在开 挖过程中，支护结构外软弱土体发生较大的蠕变变形，再加上南侧局部工程桩接 桩，存在超挖现象，后由于基坑南侧场地外大量堆土，基坑南侧支护结构在土压 力作用下，向基坑内侧发生较大的变形。通过基坑旁的监测点，记录了地表水平

7、位移、深层水平位移和地表沉降曲线，结果表明:基坑南侧外堆土和双排桩间粉 喷桩强度不能满足设计要求是变形发生的外因，土体中有机质含量较高，致使土 体抗剪强度较低是变形发生的内因Error: Reference source not found。总的来说，利用先进的仪器对建筑物变形进行动态观测，一方面可以通过仪 器现场实时监测到工程特性数据，动态指导工程设计和施工，有效提高工程建设 质量、降低工程投资成本；另一方面可以及时预报和发现深基坑施工过程中可能 出现的险情及险情点位置和发展程度，给设计和施工人员提供相应可靠数据，便 于及时采取准确可靠的安全补救措施。当前，基坑变形监测中应用最多的要数全 站

8、仪，借助这种装置所具有的自动识别功能、智能照准定位功能、自由设站法等 功能，不仅能够有效减少施工周边土地变形的程度，还能够实现及时准确获取监 测点发生的位移量，并及时向施工人员反馈，帮助他们及时采取正确的措施，有 效控制基坑变形。1.本文研究内容我国地质条件复杂，大型建筑基坑变形失稳往往造成不可挽回的经济损失， 甚至是人员伤亡，采用高精度全站仪对基坑进行监测，可以及时发现基坑异常位 移变形，及时采取补救措施，由此可见，基坑监测对基坑工程的安全实施有着极 其重要的影响。本文从以下几个方面对高精度全站仪在基坑监测中的应用展开研 究：（1）基坑变形失稳的案例分析，阐述高精度的全站仪在基坑进行监测中的

9、 意义。（2）全站仪的监测原理与应用情况分析。（3）通过江苏某车间基坑工程监测实例，分析高精度全站仪在基坑工程监 测中的应用。1.全站仪原理1、高精度全站仪概述自动全站仪也叫测量机器人，具有监测目标自动识别和智能照准定位等功能 是一种基坑变形监测随架随测的先进仪器。全站仪即全站型电子测距仪，是集光 机、电为一体的高技术测量仪器，是集水平角、垂直角、距离、高差测量功能于 一体的测绘仪器 Error: Reference source not foundError: Reference source not found。当前看来，高层建筑的基坑变形监测中，采用最为广泛的技术要数 全站仪的自由设站法

10、。在借助全站仪对建筑物基坑变形进行监测时，首先需要在 基坑的附近设置一个便于观测的观测站点，然后还需要随意设置测站点的方位角 以及空间坐标，借助全站仪所具有的智能化数据采集分析功能实现对监测目标的 自动识别定位。简单来讲全站仪的自由设站观测原理其实就是观测人员通过对基 坑周边的环境状况进行分析，借助建立观测坐标系，然后通过预先设定好的基准 点，对多个基准点的观测数据进行联合，从而获得自有坐标系下多套精确的数据 信息，最后在借助计算机数据处理技术，就可以把监测所得的数据信息，进行转 化，最终实现自由设站观测。在借助全站仪对基坑变形进行监测时，可以充分借 助它所具有的全天候连续监测功能，将对基坑的

11、全天候监测数据，通过自动分析 处理，然后再借助光纤专网或者是公网实现数据的远程传输，便可实现对基坑变 形观测点的远程监测 Error: Reference source not found。2、高精度全站仪监测原理在基坑施工影响外的任意稳定牢固的地方设置几个差分基准点，在差分基准点和变形监测点上安装永久性反射棱镜Error: Reference source not found。第一次观测，可以根据基坑的形状任意设一测站用方向法观测各点的三维坐标(XO, YO, ZO)。采用多次观测的数据经差分和平差后，作为以后变形监测数据 处理的基准本底三维数据。按每天一个或几个周期进行水平位移和垂直位移三

12、维方向观测；从第二次观 测开始,每次测站不要求和上一次重合,但必须利用差分基准点测量出本次测量 的测站三维坐标。尔后，测量计算出该次各监测点坐标值(X ,Y,Z)。差分 平差计算出每一监测点在水平位移两个方向的变形值(dx, dy)和沉降方向变形 值(dz)，即三维方向的变形值(dx, dy, dz)。再按不同基坑边缘形状，将三 维方向的位移值(dx, dy, dz)中的dx, dy值换算成基坑边缘法线方向水平位 移值dL和垂直沉降值dz。为了减少量测仪器高的误差对成果的影响,提高沉降(高程)测量精度,采 用全站仪测量相对高差，无仪器高测量方法。基本原理是：假设测站点高程为H0, 仪器高为i,

13、从测站监测第一个目标点设为已知高程点，高程为H1, 目标高为0, 则第一点的高程传递表达式为： - . | - : - : - ( 2一1)若仪器高i不变，则监测第j点的高程传递表达式为：；：:、I -(2一2)S斜距；V天顶角。由以上公式可得： : (23)第j点高程=已知高程H1+已知高程点至第j点的间接高差hlj。由于hl或 hj均为全站仪望远镜旋转中心至目标点的高差，并不涉及仪器高，故间接高差 hj也与仪器无关。根据这一原理，可得：首先监测测站到基准点间的高差hl, 然后将全站仪置于三维坐标测量状态，输入测站点的坐标XO, Y0,而Z0以虚拟 高程HO （H0=基准点高程-h1）输入，

14、仪器高、棱镜高均输入0。对仪器设置好 已知数据后，即可进入三维坐标测量状态，测量各监测点的三维坐标即水平 位移和沉降值（X，Y，Z），通过比较本次与前次的坐标后，就可得到各监测 点的 三维位移量一一即水平位移量和沉降量（dx, dy, dz），通过与第一次测 量的本底数据比较得到累加变形量，即该点从第一次测量到本次测量的累计变形 量，累加值是反映该处变形的最终结果，也是判断基坑安全状态的标准。1.全站仪应用全站仪应用概述基坑水平位移监测的常用方法主要有经纬仪视准线法、小角度法等，这些方 法的特点是使用经纬仪即可进行观测，基于基坑附近有相对稳定的地面基准点为 基础，并保证在监测点通视的条件下才能

15、实施。但在观测基坑不同边水平位移时 需进行仪器搬站，观测所需时间较长。常规的监测方法已不能适应城市深基坑施 工的复杂环境。目前，随着智能型全站仪的普及和应用，采用极坐标法或以极坐 标法为基础的自由设站法（统称为全站仪坐标变化法，简称为全站仪坐标法），可 直接测定任意方向位移监测点的坐标，通过计算两次坐标的变化量就可确定位移 量。用全站仪坐标法进行基坑水平位移监测通常不需要搬站，一次测完所有点， 可节约大量观测时间，能有效排除基坑施工干扰及周边土体变形的影响，通过相 邻周期坐标计算可以快速、准确地获取监测点的位移量和累计位移量。目前，全站仪广泛用于大型建筑、地下工程施工等精密工程测量或变形监测

16、领域，全站仪可用于测量水平位移与竖向位移观测的，利用全站仪进行水平位移 监测时，可根据监测点的分布情况采用后方交会法、前方交会法、极坐标法等； 竖向位移可利用高精度全站仪采用精密三角高程测量法观测。随着高精度自动化全站仪的出现和推广使用，在基坑周边找到2个以上的稳 定目标是可以做到的。假设在周边稳定目标上埋设棱镜（或固定观测墩）作为基 准点，在基坑施工区域任意位置选择工作基点并架设全站仪，按全站仪后方交会 的内置程序自由设站测量工作监测点。然后再依据其中的一个基准点作为后视， 利用全站仪的自动监测的功能采用极坐标的方法对每个监测点进行观测。高绍伟 Error: Reference source

17、 not found利用日本索佳NET05全站仪后方交会自由 设站法进行基坑水平位移监测。全站仪后方交会的原理及精度估算、监测点位移 的精度，并结合实践工程进行了验证。该方法具有外业操作简便，受施工影响小 不受施工现场场地狭窄的限制等优点，能取得较好的水平位移监测精度。全站仪任意设站进行基坑壁侧向水平位移监测方法的基本思路是建立两套坐 标系，即监测坐标系（全站仪任意设站所赋坐标的系统）和基坑坐标系（以基坑 东西边或南北边为轴的坐标系统），并将在监测坐标系下所测的各观测点的坐标 转化为基坑坐标系下的坐标，就可求得基坑壁侧向水平位移量。段全贵Error: Reference source not

18、found介绍了全站仪任意设站进行基坑壁侧向水平位移监 测的方法，该方法的基本思路是建立两套坐标系，即监测坐标系和基坑坐标系， 并将在监测坐标系下所测的各观测点的坐标转化为基坑坐标系下的坐标，根据此 坐标就可求得基坑壁侧向水平位移量。随着智能型全站仪的普及应用，采用全站仪随架随测的自由设站法能有效排 除基坑施工干扰及周边土体变形的影响，通过相邻周期坐标计算可以快速、准确 地获取监测点的位移量和累计位移量。赵雪云Error: Reference source not found结合某一重点工程基坑水平位移监测实践，阐述了基准点、后视点、监测 点的布设要求，建立了基坑坐标系统并确定了基准点、后视点

19、坐标，推导了水平 位移量的计算公式；概述了监测频率、监测周期要求，最后分析了监测结果。三、案例分析1、项目概况江苏某车间基坑，最大开挖深度约7.5m，基坑上口尺寸约42mX81m。该基 坑涉及到的土主要为层耕（填）土、层粉土夹粉质粘土及层粘土（粉质粘 土）。基坑内部采用管井降水，同时用排水沟+集水井疏干坑内明水的地下水控 制方案。开挖涉及到的水主要为地表水以及地下水中的上层滞水，施工开挖时需做好 地表水及地下水的控制工作。基坑支护由专门资质的设计单位进行设计。基坑主要采用拉森钢板桩支护。基坑开挖面积较大，开挖深度较深，基坑边坡较高，为了保障基坑施工的安 全，采用全站对基坑变形进行监测。监测基准

20、网采用独立坐标系统和独立高程系 统，并进行一次布网 Error: Reference source not foundError: Reference source not found。该项目共布设4个基准点，构成监测基准网，基准点全部布 设在施工区以外稳固的结构物上。基准点布设完成后，对基准网经过多次复测， 确认基准点处于稳定状态后使用。变形监测点应直接埋设在要测定的变形体上， 而且点位应设置于变形体的特征部位，要求设置牢固，便于观测，结构合理。根 据基坑设计文件及现行规范要求确定基坑变形监测点的布设。该项目沿基坑周边 共布置32个监测点，并采用水平位移和竖向位移同点观测的布点方式，采用多

21、点后方交会的方法观测监测 点的变形。测点布置平面如 下图所示：该基 坑呈长方形, 两长边分别布置两排监测点， 每边5个，两短边分别布置3 个监测点。图1基坑变形测点布置示意图基坑变形监测采用高精度全站仪，该全站仪的测角精度为2，测距精度 为(2+lppm)，高精度仪器为精密测量提供了技术保障。该高精度全站仪次运 用了压电陶瓷驱动技术，使得全站仪拥有极佳的动态跟踪性能，保证了苛刻环境 下动态跟踪的最佳精度，同时具备最快的加速度和转速，能帮助监测技术人员极 大地提高作业效率。2、监测数据处理与分析监测数据的处理与信息反馈宜采用专业软件，并具备数据采集、处理、分析、 查询和管理一体化以及监测成果可视

22、化的功能。数据处理时主要注意以下几个方面：观测数据出现异常时，应分析原因，必要时应进行重测；仪器监测项目 各监测点的本次测试值、单次变化值、变化速率及累计值等，必要时绘制有关曲 线；对达到或超过报警值的监测点应有报警标示，并进行分析和提出施工建议在工程基坑开挖、主体结构施工和基坑回填过程中，对基坑变形进行了全过 程观测和巡查。监测过程中，基坑变形测点累计最大水平位移为25. 7mm，小于 预设报警值30.0mm；测点水平位移变形速率最大值为2.73mm/d，小于预设报警 值4.00mm/d。基坑变形测点累计最大竖向位移为8.5mm，小于预设报警值30.0mm； 测点竖向位移变形速率最大值为0.

23、69mm/d，小于预设报警值3.00mm/d。详见图2 坡顶监测点PD14位移量-时间过程曲线、图3坡顶监测点PD16位移量-时间过程 曲线、图4坡顶监测点PD11沉降量-时间过程曲线、图5坡顶监测点PD6沉降 量-时间过程曲线。在监测期间，测点变形量及变形速率均未超过报警限值，监测期间未发现基 坑支护结构或周边土体未出现过大变形；基坑未出现流沙、管涌、隆起、陷落或 较严重的渗漏；基坑周边建筑的结构部分、周边地面未发现裂缝或危害结构的变 形裂缝。基坑周边管线未见明显变形或出现裂缝、泄露等；坡顶监测原位移鼻-时间过程曲蛙图2坡顶监测点PD14位移量-时间 过程曲线坡烦监測点PD16&移至-时同过

24、程曲敎1也整旦图3坡顶监测点PD16位移量-时间 过程曲线坡顶监测点|11沉阻莖-时间过程曲线时间-30 2016/7/2201 即曲22013/10/2 2018/13/2 2D30/12/2图4坡顶监测点PD11沉降量-时间过程曲线图5坡顶监测点PD6沉降量-时间 过程曲线四、结束语变形监测是基坑监测的重要内容之一，现场监测应制定合理的监测方案和采 用科学的监测方法，以保证监测数据的及时、可靠。运用高精度全站仪可实现其 水平及竖向位移的快速监测和数据分析与评价，为基坑的安全信息化施工提供了 可靠的保障。本文对高精度全站仪在基坑监测中的应用进行了详细的分析，主要 介绍了全站仪在基坑监测中的重

25、要性、全站仪的应用情况及全站仪的工作原理， 并通过工程案例对全站仪在基坑监测的应用进行了详细分析，主要得出以下结论:（1）基坑的施工过程中，岩土介质原有的应力平衡状态会遭到破坏，使周 围地层产生扰动，从而导致基坑支护结构内倾、变形，同时引起基坑相邻的周边 建筑物或地下设施损坏，造成了重大损失和严重后果。（2）监测设备可以实时监测变形情况，关注基坑的动态变化，为施工人员 提供准确的数据，指导他们采取正确的措施，控制基坑变形。高精度的全站仪对 基坑进行监测，有效地实现及时准确获取监测点发生的位移量，及时向施工人员 反馈。（3）全站仪基坑变形监测中，广泛采用的是全站仪的自由设站法。其原理 是观测人员

26、对基坑周边的环境状况进行分析，建立观测坐标系，然后通过预先设 定好的基准点，对多个基准点的观测数据进行联合，从而获得自有坐标系下多套 精确的数据信息，最后再借助计算机数据处理技术对监测数据进行转化，最终实 现自由设站观测。(4) 全站仪广泛用于大型建筑、地下工程施工等精密工程测量或变形监测 领域，全站仪可用于测量水平位移与竖向位移观测。江苏某车间楼基坑工程施工 中，采用高精度全站仪对基坑变形进行了全过程监测，保证了基坑支护结构的安 全和施工安全。参考文献1.谢晓武论深基坑工程中基坑监测的作用J.建材与装饰,2018(43):1-2。2.邱宇高层建筑基坑变形监测中自动化全站仪的运用研究J.西部探

27、矿工 程,2018,30(07):36-37。3.代雪梅某深基坑工程基于监测成果的变形分析J.重庆建 筑,2019,18(02):37-39。4.武蒙深基坑变形监测分析J.山西建筑,2019,45(04):88-89。5.蔡梅广州某综合楼基坑变形监测及数值模拟分析J.广东土木与建 筑,2018,25(12):37-41+61。6.张琳.软土地区基坑支护结构失稳案例分析J.中国煤炭地 质,2018,30(05):67-71。7.张代,刘海宽，胡锋，王统宁高精度全站仪在基坑变形监测中的应用J.河南 科技,2017(09):111-113。8.占景辉.自动化全站仪在高层建筑基坑变形监测中的应用J.建

28、材与装 饰,2015(47):59-60。9.冯梅,朱怀汝，王永生，闫文政全站仪在深基坑变形监测中的应用J.测绘与 空间地理信息,2011,34(05):237-239。10.高爱林，许文学，蔡军全站仪自由设站法在地铁基坑水平位移监测中的应用 J.都市快轨交通,2013,26(05):93-96。11.高绍伟，姜晶，郭彤全站仪自由设站法用于基坑水平位移监测J.工程勘 察，2012，40(11):59-63。12.段全贵，廖东军,刘云锋全站仪任意设站法监测基坑壁侧向水平位移J.测 绘技术装备，2012，14(03):34-37。13.赵雪云.TS09全站仪自由设站法在基坑支护水平位移监测中的应用J.施工 技术，2013，42(23):104-107。14.刘沛.自动化全站仪在高层建筑基坑变形监测中的应用J.测绘与空间地理 信息，2011，34(03):239-241。15.金建平，赵仲荣.自由设站法在深基坑水平位移监测中的应用与分析J.勘察 科学技术，2008(05):55-58。