基坑水平位移監(jiān)測方法的研究
2015-05-08
1、概述
隨著我國城市化進(jìn)程的加快和建筑水平的提高，基坑工程在數(shù)量、開挖深度和使用領(lǐng)域方面得到了快速增長。在城市中深基坑工程往往處于密集的既有建筑物、道路橋梁、地下管線、地鐵隧道或人防工程附近。在基坑開挖和施工過程中，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系、鄰近建筑物及道路管線的安全性、穩(wěn)定性顯得尤為重要。如果處理不當(dāng)，不僅將危及基坑本身安全，而且會殃及臨近的建構(gòu)筑物、道路橋梁和各種地下設(shè)施，造成巨大損失。系統(tǒng)、全面、高精度的基坑監(jiān)測工作能給基坑工程的安全提供有力的保障。
在基坑監(jiān)測的各個監(jiān)測項(xiàng)目中，支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平位移監(jiān)測是最直觀、最快速的反應(yīng)基坑及周邊環(huán)境安全的重要手段之一。深基坑工程一般集中在城市中心區(qū)域，基坑工程施工場地狹小，經(jīng)常發(fā)生基準(zhǔn)點(diǎn)間不通視、基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)間不通視以及設(shè)站條件困難等問題。監(jiān)測不能順利進(jìn)行，就會造成支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形情況不能及時、準(zhǔn)確地被反應(yīng)出來。另外一點(diǎn)，目前基坑監(jiān)測市場競爭非常激烈，如何在激烈的競爭中搶占一定的市場份額，需要我們在技術(shù)手段上有所創(chuàng)新。
針對上述情況，研究一種能保證監(jiān)測精度要求而又不受通視條件影響的水平位移監(jiān)測的綜合方法，對施工決策者提供及時準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)，使基坑工程的順利進(jìn)行有著重要意義。
課題研究的主要內(nèi)容是自由設(shè)站的監(jiān)測方法、強(qiáng)制對中基準(zhǔn)點(diǎn)形式和監(jiān)測點(diǎn)形式。下面分別對研究內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)論述。
2、監(jiān)測方法的研究
水平位移監(jiān)測的方法總結(jié)起來有視準(zhǔn)線法、坐標(biāo)法和交會法。通過多年的工程監(jiān)測實(shí)踐發(fā)現(xiàn)，對于基坑水平位移監(jiān)測，極坐標(biāo)法是最為簡便、快捷的方法，能夠完全反應(yīng)出變形體在水平方向的絕對位移，而且不受基坑形狀的限制。
在已知點(diǎn)A安置儀器，后視點(diǎn)為另一已知點(diǎn)B，通過測得AB—AP的角度，A點(diǎn)至P點(diǎn)的距離，計(jì)算得出P點(diǎn)坐標(biāo)。設(shè)A點(diǎn)坐標(biāo)為A（XA，YA），A—B的方位角為αA-B，則P點(diǎn)坐標(biāo)P（XP，YP）的計(jì)算公式為：
XP=XA+S*cos（αA-B+β）
YP=YA+S*sin（αA-B+β）
目前用于基坑水平位移監(jiān)測的儀器為電子全站儀。隨著科技的發(fā)展和計(jì)算機(jī)水平的提高，全站儀的測量精度越來越高，而且內(nèi)置了豐富的計(jì)算程序，使測量工作變得簡單易行。
在很多深基坑工程中，特別是在軟土地基開挖的深基坑工程，經(jīng)常會遇到設(shè)置有2～3道水平支撐。第二道、第三道水平支撐的水平位移監(jiān)測是深基坑工程監(jiān)測的重點(diǎn)和難點(diǎn)。一般情況下，由于通視條件十分困難，采用常規(guī)的監(jiān)測手段很難順利地完成監(jiān)測工作，如圖2所示。
即使在只設(shè)置一道水平支撐的基坑，由于基坑周圍放置大量的施工材料和機(jī)具，經(jīng)常造成水平位移監(jiān)測不能通視，使監(jiān)測工作不能順利進(jìn)行，如圖3所示。
A、B、C三點(diǎn)為基準(zhǔn)點(diǎn)，在基坑監(jiān)測過程中很容易出現(xiàn)三點(diǎn)不能相互通視的情況，給監(jiān)測工作帶來很大困難。
為了解決上述問題，課題組通過實(shí)驗(yàn)，研究了一種不受通視條件影響的自由設(shè)站方法，取得了很好的監(jiān)測效果。如圖4所示，P點(diǎn)為自由設(shè)站點(diǎn)，只要在P點(diǎn)的位置能夠同時看到兩個基準(zhǔn)點(diǎn)，P點(diǎn)的位置就可以隨意設(shè)置，監(jiān)測起來非常方便。此方法是本課題研究的重點(diǎn)，下面詳細(xì)介紹一下基本原理。
A、B為已知點(diǎn)（基坑水平位移監(jiān)測的基準(zhǔn)點(diǎn)），P為自由設(shè)站點(diǎn)，C1、C2、C3為監(jiān)測點(diǎn)。當(dāng)A、B兩點(diǎn)不通視，或者A、B兩基準(zhǔn)點(diǎn)與監(jiān)測點(diǎn)C1、C2、C3不通視，就無法完成監(jiān)測工作。自由設(shè)站法的基本思路是在適當(dāng)?shù)奈恢迷O(shè)置測站點(diǎn)P，在P點(diǎn)觀測PA、PB兩條邊長S1、S2和兩邊的夾角來解算出P點(diǎn)坐標(biāo)，在P點(diǎn)完成對C1、C2、C3的監(jiān)測。
自由設(shè)站點(diǎn)P的坐標(biāo)解算思路可以按附合導(dǎo)線的計(jì)算思路來解算，設(shè)導(dǎo)線從A點(diǎn)出發(fā)經(jīng)P點(diǎn)附合到B點(diǎn)，計(jì)算的關(guān)鍵是計(jì)算PA、PB的坐標(biāo)方位角。
①根據(jù)余弦定理 、 公式可分別計(jì)算出∠PAB=、∠PBA= 。
②根據(jù)導(dǎo)線測量中方位角傳遞公式可分別計(jì)算出AP和BP的坐標(biāo)方位角。公式含義為推算路線前進(jìn)方向上的前一條邊的坐標(biāo)方位角，等于后一條邊的坐標(biāo)方位角加轉(zhuǎn)折角，再加或減180°。具體計(jì)算時如轉(zhuǎn)折角為左角時，為正角，轉(zhuǎn)折角為右角時為負(fù)角。當(dāng)＞180°時就減去180°，當(dāng)＜180°時就加上180°。
③計(jì)算P點(diǎn)坐標(biāo)值可按下式計(jì)算，式中、分別為AP和BP的坐標(biāo)方位角。
從A點(diǎn)起算；
從B點(diǎn)起算；
?、苡?jì)算點(diǎn)位誤差：理論上從A、B兩點(diǎn)起算，解算出自由設(shè)站點(diǎn)P的坐標(biāo)值應(yīng)該相等。但因儀器自身或外界因素影響，測量存在誤差，兩者并不相等。此時坐標(biāo)誤差、，點(diǎn)位總誤差 。當(dāng)值小于設(shè)定的相應(yīng)等級監(jiān)測的誤差值時，可以進(jìn)行簡易平差，取兩個坐標(biāo)值的平均值作為自由設(shè)站點(diǎn)P點(diǎn)的坐標(biāo)值進(jìn)行設(shè)站觀測。如果大于設(shè)定的相應(yīng)等級觀測精度時，則需要查找原因重新測量。
自由設(shè)站方法中P點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算稍顯復(fù)雜，為了提高效率可以用可編程計(jì)算器編好程序，在監(jiān)測現(xiàn)場就能即時設(shè)站進(jìn)行監(jiān)測。在現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)中，課題組是用excel軟件編寫的計(jì)算程序，在工程現(xiàn)場即時計(jì)算進(jìn)行監(jiān)測。
3、監(jiān)測點(diǎn)形式的研究
在基坑水平位移監(jiān)測中，監(jiān)測點(diǎn)一般埋設(shè)在支護(hù)結(jié)構(gòu)上（帽梁、水平支撐等）。大多數(shù)情況下基坑的支撐結(jié)構(gòu)都在自然地面以下1.5m～3m左右，而基坑周邊還要搭設(shè)1.5m高的防護(hù)網(wǎng)，測量視線嚴(yán)重受阻。為了解決上述問題，課題組研制了一種簡單易用的監(jiān)測點(diǎn)，是在設(shè)計(jì)位置鉆孔埋入約5cm長螺紋鋼筋，在磨平的鋼筋頂面用電鉆鉆一直徑約5mm小孔。觀測時利用棱鏡對中桿的尖端放入監(jiān)測點(diǎn)的小孔內(nèi)，這樣就能保證每次觀測都能對中同一位置。
棱鏡對中桿只能靠圓水準(zhǔn)器整平，而圓水準(zhǔn)器的整平精度在3′左右，使棱鏡對中桿垂直誤差過大，不能滿足監(jiān)測精度要求。通過反復(fù)試驗(yàn)提出了利用旋轉(zhuǎn)棱鏡桿多次讀數(shù)的方法解決。考慮到棱鏡對中桿的垂直誤差影響，如果旋轉(zhuǎn)棱鏡對中桿測讀無窮多個讀數(shù)，讀數(shù)坐標(biāo)的點(diǎn)位軌跡應(yīng)該是以真實(shí)點(diǎn)位為圓心，以棱鏡對中桿垂直誤差為半徑的圓，作如圖11所示。經(jīng)過現(xiàn)場大量的試驗(yàn)數(shù)據(jù)證明，實(shí)際操作時旋轉(zhuǎn)棱鏡桿每90度讀一次數(shù)，即a、b、c、d四個位置共讀4次數(shù)，4個數(shù)值取中數(shù)為監(jiān)測點(diǎn)點(diǎn)位坐標(biāo)，可以滿足基坑水平位移監(jiān)測的精度要求。
4、現(xiàn)場實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用
按上述操作原理，并采用所研制的強(qiáng)制對中腳架和監(jiān)測點(diǎn)對中方式，課題組進(jìn)行了實(shí)地測量實(shí)驗(yàn)。為了減小起算誤差測量采用獨(dú)立坐標(biāo)系。如圖12所示，以A點(diǎn)為原點(diǎn)，坐標(biāo)設(shè)為（0，0），以AB邊為坐標(biāo)縱軸，精確測定AB距離為130.063m，則B點(diǎn)坐標(biāo)為（0，130.063），精確測定C點(diǎn)坐標(biāo)為（-40.323，20.538），以自由設(shè)站方法多次測量C點(diǎn)坐標(biāo)進(jìn)行數(shù)據(jù)對比分析。
通過以上實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析（見表3），測量的點(diǎn)位誤差W總=±1.3mm，參考《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB50497-2009）中的相關(guān)規(guī)定，最高安全級別的基坑水平位移報(bào)警值為累計(jì)10mm，變化速率2mm/d。說明此測量方法能夠滿足基坑監(jiān)測的精度要求。
在課題研究期間，按上述實(shí)驗(yàn)方法分別在天津新華世紀(jì)廣場、團(tuán)泊盛湖園、天津富力中心、咸水沽第四小學(xué)等工程中應(yīng)用，并取得了良好的效果。下面詳細(xì)介紹一下在天津新華世紀(jì)廣場基坑監(jiān)測工程中的應(yīng)用情況。
天津市新華世紀(jì)廣場工程位于天津市和平區(qū)營口道、和平路、承德道、大沽北路所圍地段。基坑設(shè)計(jì)深度14.3～15.3m（局部20.3m），基坑支護(hù)采用帶2道水平支撐的鋼筋混凝土灌注樁支護(hù)形式，腰梁、環(huán)梁及支撐采用鋼筋混凝土現(xiàn)澆結(jié)構(gòu)。支護(hù)結(jié)構(gòu)外側(cè)為水泥土攪拌樁止水帷幕?；釉O(shè)計(jì)安全等級為一級?；铀轿灰票O(jiān)測共布設(shè)4個基準(zhǔn)點(diǎn)，布設(shè)30個監(jiān)測點(diǎn)。
該工程基坑水平位移自2010年8月20日開始監(jiān)測，至今仍在監(jiān)測。前期水平位移采用常規(guī)方法監(jiān)測，2011年10月開始采用前述實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行監(jiān)測。因工程位于市區(qū)中心地帶，工程施工現(xiàn)場非常狹小，基坑邊緣距圍墻最近處僅有3m。圖14為工程施工場地一角，現(xiàn)場施工材料、施工機(jī)具等經(jīng)常阻擋監(jiān)測視線，采用常規(guī)監(jiān)測方法非常困難。2011年10月以前監(jiān)測時經(jīng)常因視線遮擋，有部分監(jiān)測點(diǎn)無法及時、準(zhǔn)確地提供監(jiān)測數(shù)據(jù)。表4所示為前期提供給甲方的監(jiān)測數(shù)據(jù)。
自2011年10月以后，通過安裝的強(qiáng)制對中裝置、采用自由設(shè)站的方法使水平位移監(jiān)測得以順利進(jìn)行。在實(shí)際監(jiān)測過程中此方法不僅提高了觀測精度、速度，而且以前測不到的監(jiān)測點(diǎn)，現(xiàn)在也能很容易的監(jiān)測到。特別是在水平支撐拆除期間，及時、準(zhǔn)確、全面地監(jiān)測數(shù)據(jù)，為基坑支撐拆除工作提供了安全保障。
