（大地测量学与测量工程专业论文）深基坑工程的综合监测与安全预报.pdf

信息工程大学硕士学位论文 摘要 本文基于深基坑变形特点，结合某工程实际，综合应用多种测量技术，实现了深基坑 变形的实时综合监测。在研究全站仪测量系统的基础上，开发了可移动式自动极坐标机载 测量程序，并在自动测量模式下测试了全站仪配合标准圆棱镜的测量精度。对深层测斜仪、 压力计的原理进行了说明，对影响测斜仪测量精度的因素进行了分析，提出了减小测斜误 差的方法。在数据处理方面，对监测数据进行了粗差探测，并用小波变换对其进行了信噪 分离，最后编制程序应用神经网络技术对变形量进行了预测，分析了影响网络预测精度的 因素，提出了提高预测精度的方法。在工程实践环节，对某深基坑工程的变形监测提出了 测量方案，实现了非固定站式自动监测，缩短了工期，提高了精度，同时根据监测中基坑 变形的问题，分析了变形发生的原因，提出了控制变形的措旅，为该基坑工程的施工安全 提供了可靠保障，也为今后深、大基坑工程的安全监测积累经验。 关键词：深基坑工程，变形监测，信息化施工，变形预报，小波变换 第1 页 信息工程大学硕士学位论文 a b s t r a c t b 嬲e do nm ed e f o m l a t b nm o t l i t o r i r 培c t i a r a c t e r i s 此o ft h ed e 印e x c a v a t i o n ，t h i sp a p e r l i n l 【i n gt os o m ep r o j e c t 豫a l i 坝也r o u g hm a n yk i n d so fs u r v e y h gt e c l l n o l o g y r e 址i z e sm o n i t o r i i 喀 t h ee x c a v a t i o nd e f b 咖a t i o n t h r o u 咖咖d y i i l gt o t a ls t a t i o nm e 嬲u r e l n e n ts y s t e m ，ih a v e d e v e l o p e dt l l e 廿a n s p o r t a b l ea u t o m a t i cp o l a rc o o r d i l l a t ea i r b o m es u n r c yp r o 鲜n ，a 1 1 dt e s t e d 1 e t o t a ls 僦o n ss u n ，e yp r e c i s i o nc 伽曲i 1 1 e d 、 ，i t l ls t 柚d a 柑p r i s mi np o l a rc o o r d i n a t o ru n d e rt l l e 卸t o m a t i cs i l r v e yp a t t 锄i ti 1 1 啪妣st l l ep d n c i p l eo f i n d 印恤i n c l 岫i n e t e ra n dp r e s s u r eg a u g e ， 趾d 撇l y s e st h e 白c t o rw h i c h 缸f 色c tt h ei i l c l i n o m e t e rp r c c i s i o i l ，锄dp r o p o s e sm e t h o dt or e d u c e m e 鹳u f ee r r o r i nn l ed a t ap r o c e s s i i 培a s p e c t ，i th 舔d e t e c t e dg r o s se 肿rt os u r v e y i n gd a t a ，a n d 璐e sw a v e l e t 仃a n s f o r m a 垃o nt os 印锄把m en o i f b ms i 掣l a ld a t a ，锄df i r l a l l yl l s e sa n nt o f o r e c a s tt h ed c f 0 姗a t i o nq u 趾t i 够i ta l s oh 嬲锄a l y z c dt l l ef 配t o r 、v ：i l i c ha f r e c tn e t w o r k sp r e c i s i o n ， a n dh 鹊p m p o s e dt h em e 出0 dt oe n l l a n c ef o r e c a s tp r e c i s i o n h lp r a c 廿c e ，i tp u tf o ，a r dt l l e n l o n i t o f i n gs c h e i n eo fap r o j e c t ，a n da c l l i e v e da u t o m a t i cm o l l i t o r i n gi ni l o n - f 故e dp o i n t ，w i l i c h s h o r tt h ep r o j e c tt i f n ea n di n c r e a s em ep r e c i s i o i l k 龇州l ea c c o r d i i l gt os o m eq u e s t i o no f m o i l i t o r i l l 舀i ta n a l y z e st h er c 翘o nw h yt h ed e f o 册a t i o no c c u r s ，锄dp m p o s e ss o m em e a s u r e st o c o n 1m ed e f b m a t i o n 舢lt l l e s e 、】l ，o r k sp r o v i d et l l er e l i a b l es e c l l r i t yf o rt l l i sp i t ；a l s oa c c u n l u l a t e e x p e r i e n c ef o rd e 印觚db i ge x c a v a t i o np r o j e c ti i lt l l e 如t i l r e k e yw o r d s ：d e 印e x c a v a ：t 王0 ne n g i i l e e m g ，d e f o m a t i o nm 0 n i t o r i n g ，i n f o m a t i o n o r i 衄t e d c o l l s n l l c t i o n d e f o 彻a t i o nf o r c c a s t w 打e l e tt r 锄s f b r m 第1 i 页 原创性声明 本人声明所提交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外。论文中不包含其他人已经发表和撰写 过的研究成果，也不包含为获得信息工程大学或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢 意 学位论文题目；涯基拭王程的绽金监测量童全瑟拯 学位论文版权使用授权书 日 日 本人完全了解信息工程大学有关保留、使用学位论文的规定。本人授权信息工程大学 可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子文档，允许论文被查阅和借 阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书。) 学位论文题目；连基缝王程鲤缝金监型生塞全亟退 学位论文作者签名：隆查宝日期：五，) 7 年卜月f ，日 作者指导教师签名： 日期：庐 月，甲日 信息工程大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 引言 近十年来我国深基坑工程得到迅猛发展。随着工程规模、难度、质量的不断提高，基 坑已不再局限于单纯的施工结构、国防战备设施或是小规模的地下室等，其在城市建设、 道路交通、水利水电方面发挥着越来越重要的作用。 伴随城市建设的快速发展，带来的是人们的生活空间、活动空间日益紧张。在不断建 设高楼大厦、高速公路的同时，城市地下空间的合理利用也为各方所重视。大型地下室、 停车场、仓库、大型管道的深沟槽、越江隧道的暗埋矩形段以及地铁线路、车站的建设都 促使了大规模、高质量的深基坑工程的出现。这一点在发展较快、人口较拥挤的大城市表 现的尤为突出。另一方面，在大跨悬索桥结构的建设中，锚碇工程发挥着十分关键的作用， 跨江跨海的悬索桥往往都需要一个超深基坑来实现其锚碇的稳定。与城市中的基坑工程相 比，由于其工地四周的空间往往比较空旷，其施工精度的要求也不是那么苛刻，但是在基 坑深度上会远远超出前者，必然给设计、施工、监测等各方面带来更多的困难和风险。由 此可以看出，未来基坑向深度大、面积大方向发展已成为必然趋势。 深基坑工程是地下工程施工中内容丰富且富有变化的领域，是土木工程中最为复杂的 技术领域之一。它是集地质工程和结构工程等多学科于一体的系统工程，具有强烈的地域 性、综合性、实践性和风险性。基坑工程不仅存在基坑本身的安全与稳定问题，而且还存 在因土方开挖引起的周围地层移动而危及相邻建筑物、地下管线网和城市市政设旅的正常 使用等问题。近年来，在基坑工程中发生工程事故的概率往往高于主体工程，尤其是东南 沿海开放城市，其中有的城市发生较大事故的基坑数竟然占到基坑总数的1 3 左右【1 1 。基 坑工程事故后果严重，给国家经济和人民生命财产造成不同程度的损失，小到虚惊一场， 大到造成的直接经济损失达数百万甚至数千万元，造成人员伤亡、延误工期、追加造价以 及影响周围居民生活等负面效应，加大了投资方的负担，同时也给城市建设和企业形象造 成了不良影响。所以，基坑工程是当前大家十分关心的地质工程热点，也是技术复杂、综 合性很强的难点，又是提高工程质量、减少工程事故的重点。 基坑工程是面对各种各样的地基土和复杂的环境条件进行施工作业，其存在诸如外力 不确定性、变形不确定性、土性不确定性和一些偶然变化所引起的不确定因素。因为存在 以上这些不确定因素，很难对基坑工程的设计与施工订出一套标准模式，或用一套严密的 理论计算方法来把握施工过程中可能发生的各种变化。目前只能采用理论计算与地区经验 相结合的半经验、半理论的方法进行设计。基坑工程定量计算不能很精确，计算结果只能 给设计者提供一个大概可能的数值，所以工程原型监测就显得十分重要了，只有这样才能 最有效地防止或减少基坑工程事故的发生。 对于大型复杂工程，原型监测是保证基坑工程的关键。基坑工程设计时规定一些限制 第1 页 信息工程大学硕士学位论文 值，同时密切关注其变化发展，当超过限制值时，应适当改变施工步骤或采取一定的工程 措施，以阻止变形的进一步发展。近年来，一些学者提出动态设计信息化施工法，即根据 定期监测得到的信息，与原来设计计算结果比较，并反演计算参数，根据反演计算参数重 新分析计算，必要时适当修改设计或施工步骤，再继续施工和监测，如此一次一次地反复， 一次一次地趋于正确，这就是反分析法或信息化施工的内涵。可以看出，信息化施工的过 程是一个动态反复的过程，在这过程当中，施工阶段的跟踪监测与预测分析是信息化施工 成功的重要保证。 在基坑变形预测中，通过对过去已经记录的数据进行分析来预测监测项目的未来的变 化趋势。然而，由于影响基坑的因素非常复杂，其函数关系是非常复杂的高度非线性关系， 没有一种本构模型能对它进行很好的描述，因此，人们很难通过理论分析的方法来进行预 测。人工神经网络则擅长于借助已有的数据来对未来进行比较准确的预测，它具有良好的 非线性映射能力、自学习性能、容错性、自适应性等优点，特别适合于处理各种非线性问 题。它可以通过大量样本的学习来抽取隐含在样本中的因果关系，是一种功能模拟方法。 本文基于神经网络算法，分别采用并行预测和串行时延两种数据组织方式对变形趋势进行 了预测，取得了不错的效果，其预测数据完全可用于深基坑工程的信息化施工。 1 2 基坑监测研究进展 我国深基坑工程的全方位监测于2 0 世纪9 0 年代才开始起步，经过多年来大量的研究 工作，基坑工程监测技术得到了很大的进步和发展。一是监测方法及仪器本身的进步。二 是监测内容的不断扩大与完善。近几年来，国内工程界对于基坑监测的技术和方法做了大 量的研究和尝试，有关基坑安全监测的文章也呈现增多的趋势。 王正晓，刘保信1 2 j 结合具体工程对某基坑支护工程及周围建筑监测的技术方法产生变 形及突变原因作了深入的分析，从而说明在大型建筑施工过程中变形监测的意义。胡友健， 李梅 3 j 应用深基坑工程监测数据处理与预测报警系统对深基坑的监测数据实施数据库管 理，采用灰色系统理论建立变形预测模型，采用若干定性和定量指标进行深基坑工程极限 状态的分析判别与险情预报。杨卫东【4 】结合工程实例，介绍了动态变形监测的方法，并对 重要建筑设施实施了安全监测。张云君【5 】由监测数据分析认为被动土压力设计值一般都比 实际值偏大，桩体周围土的主、被动区不是一成不变，而是随着基坑的开挖不断变化的。 提出在支护结构的设计和施工过程中应经常注意桩体周围土体主、被动区的互换，采取加 固必要的措施。宁志新，何鹏【6 】介绍了安全监测系统中利用传感、测量、监测的各种自动 化仪器及其优缺点、国内外应用现状。总结了近年来的先进技术、设备及安全监测自动化 系统的发展方向。袁勇军，李新【_ 7 】尝试应用测地型g p s 对基坑基点进行监测，证明使用该 方法不仅避开了常规方法对工地条件的限制，还可提高工作效率和工作精度，保证工程质 量。黄秋林，邱冬炜【8 】对深基坑工程变形监测的主要内容和实施方法进行了介绍，探讨了 对监测数据进行及时计算分析和信息反馈的方法，并提出了应用稳健估计数据探测法对基 第2 页 信息工程大学硕士学位论文 坑变形监测数据进行抗粗差处理的方法。姚黔贵【9 】介绍了城市深基坑变形监测的意义、内 容、监测点的布设、数据观测等，通过深基坑变形监测的实施，指出须依靠变形监测的动 态信息反馈来保证深基坑施工安全和优化设计。 李秋【l o j 等探讨了应用地面激光三维扫描地表沉陷，并对其获取的数据精度进行了分 析，就地表沉陷监测就其技术优势与存在问题对几个相关问题进行了讨论。张维正【n 】以实 际深基坑支护及降水工程在密集建筑群中施工为例，介绍了支护工程的设计与施工，阐述 了该工程变形监测方法并对其结果进行了分析，总结了在密集建筑群中进行基坑开挖的设 计与施工经验。任丽芳1 1 2 j 等从基坑安全监测的角度对深基坑的监测项目、监测方法和研究 现状进行阐述，并在此基础上对深基坑监测今后的研究方向进行展望，指出信息化施工以 及建立完善的险情预警系统的重要性。黄小明，黄清明 t 3 i 等通过某基坑施工的监测实践， 提出如何在密集的已有建筑中对深基坑开挖施工进行全过程监测，及时反馈监测信息，实 行动态管理和信息化施工，以保证围护结构稳定及周边建筑物的安全。 为了在建筑基坑支护设计与旌工中做到技术先进、经济合理、确保基坑边坡稳定、基 坑周围建筑物、道路及地下设施安全，近年相继颁布实旄几部有关基坑工程的技术规程。 如中华人民共和国国家标准建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) ，中华人民共和 国行业标准建筑基坑支护技术规程( j g j1 2 0 9 9 ) 和中华人民共和国行业标准建筑基 坑工程技术规范( y b 9 2 5 8 9 7 ) ，同时各地也针对当地地质性质的具体情况发布了一些地方 规程，如上海基坑工程设计规程、深圳地区建筑深基坑支护技术规范，这些规程已 经成为基坑工程施工中必不可少的组成部分。 1 3 基坑变形预报进展 由于基坑结构、组成物质的物理力学性质、外力作用的复杂性和不确定性，建立合适 的确定性模型困难，因此，通过揭示变形监测数据序列的结构与规律，建立动态预测模型， 反映变形特征，推断变化趋势，就成为一种有效的方法。近年来，用数学模型来逼近、模 拟和揭示变形体的变形和动态特性成为新的研究方向，其中比较有代表性的模型是：确定 函数模型、回归分析模型、时间序列分析模型、灰色系统模型、卡尔曼滤波模型、神经网 络模型、马尔柯夫模型和尖顶突变模型。 许多学者在变形的预测方面进行了研究，取得了一些成果。比如：刘学增，柳荣华【1 4 】 针对软土深基坑开挖具有明显的流变特性，利用m a 】( w e l l 模型对深基坑的墙体变形进行了 预报，效果良好，从而为软土深基坑开挖墙体变形的及时预报提供了新的方法。潘洪科， 饶运章【15 】提出了基坑工程施工过程中地表沉降预测的人工神经网络分析方法，并结合具体 工程实例进行了分析和程序应用，结果是令人满意的。袁金荣，赵福勇【1 6 】在分析灰色系统 与神经网络基本原理的基础上，结合前人研究成果和实测分析，提出灰色系统用于基坑变 形预测存在的一些问题，认为灰色系统不宜用于地下连续墙水平位移的预测，在其它变形 预测中也要慎用，并认为神经网络是解决基坑变形预测的有效方法。王坚等则提出采用 第3 页 信息工程大学硕士学位论文 灰色理论进行定量预报的方法。讨论g m ( 1 ，1 ) 沉降预报模型的建立以及应用问题，并使 用建立的预报模型对沉降控制点沉陷量进行预报。李国蔚，李文彪【1 8 】在研究和应用深基坑 开挖二维平面有限元正分析的基础上，针对深基坑工程中的不确定性，在基坑土性参数 反分析中考虑了受施工扰动卸载作用下土体的变形，建立了基坑开挖过程中土性参数位移 反分析模型。在此基础上建立了正反分析优化算法和预报方法。 吴贤国l l 卅将神经网络和模糊系统相结合，采用模糊神经网络对深基坑支护变形进行预 测，研究表明，该方法具有较高的预测精度。李爱荣，王增道【2 0 】探讨了按基坑开挖过程中 监测得到的实测位移等资料信息反演土体参数的方法，介绍神经网络在基坑工程信息化施 工中用于参数反演的作用机理和具体方法。杨林德，颜建平【2 1 】在假设围岩地层的性态服从 三元件粘弹性模型的基础上，结合对位移量测数据的分析，提出一种确定地层时效特征参 数和预报地层变形的方法。梅红，岳东杰【碉从时间序列分析的基本原理及方法出发，研究 了如何使用这种方法对变形监测数据进行识模、建模、与预报。原太平】据现场量测的深 基坑围护结构变形信息资料，结合参数优化反分析技术及弹性地基梁有限元计算，建立了 深基坑开挖中支护结构变形的预报方法。 在所有变形预测方法中，基于神经网络的变形预测成为预测领域的一个重要分支，正 越来越受到人们的关注。人工神经网络( a n i f i c i a ln e l l r a ln e t w o r k s ，缩写越呵n ) 是对人脑 若干基本特性通过数学方法进行的抽象和模拟，是一种模仿人脑结构及其功能的非线性信 息处理系统。神经网络模型的优点是不需要建立反映物理规律的数学模型，可以模仿人脑 进行智能化处理，对大量非结构性、非精确性规律具有自适应功能，它将训练数据间复杂 的非线性关系存贮在网络之中，可以达到较高的预报精度。 1 4 本文研究的主要内容 在基坑工程实践中，工程的实际工作状态与设计预估值相比往往存在一定的差异，设 计预估值一般不能全面而准确地反映工程的各种变化，进行现场监测保障基坑工程的安全 就显得十分重要。本文的主要研究内容如下： ( 1 ) 结合某基坑维护结构的水平位移、沉降变形、土体压力的监测实践，本文较全 面总结了基坑监测技术的进展、监测布置的原则、监测内容、监测数据的处理方法、变形 趋势分析预报及基坑施工的信息化服务等内容。 ( 2 ) 基于自动全站仪特点探讨了用于基坑监测的方法，开发机载自动测量程序，测 试全站仪对圆棱镜的自动测量精度，实现了非固定站的基坑变形监测，达到了监测要求， 提高了监测数据的时效性，降低了测量人员的劳动强度。基于伺服加速度计测斜仪原理， 分析影响测斜的因素，提出降低影响因素的措施。 ( 3 ) 在数据处理方面，将监测数据入库前对监测数据进行了预处理，以保证数据的 准确性。对变形数据进行了粗差探测，剔除有明显错误的数据，并利用小波变换原理对数 据进行了信噪分离，提取准确的变形信息，保证数据的有效性。 第4 页 信息工程大学硕士学位论文 ( 4 ) 结合岩土学理论、支护结构与监测数据，综合分析研究基坑土体变形的原 因，提出控制变形的措施，达到了预期效果，保证了基坑工程的安全。 ( 5 ) 采用神经网络对基坑监测信息进行动态预测，选择不同数据组织形式预测变形 量，比较各自优势与不足，分析影响预测精度的因素，提出提高精度的方法。为基坑工程 的信息化施工提供依据。 第5 页 信息工程大学硕士学位论文 第二章基坑监测技术 2 1 深基坑工程监测的目的和意义 在岩土工程中，由于地下建( 构) 筑物的受力状态和力学机理是一个非常复杂的课题， 迄今为止，岩土工程还是一门不够严谨、不完善、不够成熟的科学技术。所以无论用何种 理论、软件、计算方法、设计的定量计算往往与实际情况存在一定的差距，计算结果只是 一个近似可能的数值。对于目前全国城市建设中大力提倡开发的地下空间涉及的深基坑工 程则是岩土工程中较为突出的问题之一，基于勘察报告和传统理论模式计算的围护结构受 力，采用的施工参数是否能保证围结构的安全、设计的安全储备有多少、施工质量如何、 工序的安排到底是否合理以及一旦发生危机应从何处着手、采取补救措施的效果如何、何 种补救措施较为合理可靠等问题的决策和解决必须建立在拥有一个严密的、科学的、合理 的监测控制系统的基础上，以此作为基坑工程决策的参考。 在全国范围内，近年深基坑工程开展广泛的上海市和深圳市相继颁布实施了地方性的 基坑工程专业规范，如上海市在1 9 9 7 年颁布实施的基坑工程设计规程( d b j 0 8 6 1 9 7 ) 、深圳市颁布实施的深圳地区建筑深基坑支护技术规范是其中较为突出且具有一 定代表性的两本规范。在这两本规范中，基坑监测作为一个重要章节均予以了详细的规定 和叙述洲。经过多年的实践，在岩土工程尤其是深基坑工程中实施监测，不仅已成为城市 建设和管理部门强制性指令措施，同时也日益被业主、设计、监理、施工、科研等工程实 施的相关单位认同，在广州市己出现对于同一基坑不仅施工单位要进行监测，而且还引入 第三方监测甚至第四方监钡0 ，这充分显示出基坑监测的重要性。 概括而言，通过监测工作，可以达到以下目的： 1 及时发现不稳定因素 由于土地成分和结构的不均匀性、各向异性及不连续性决定了土体力学性质的复杂 性，加上自然环境因素的不可控影响，人们在认识上尚有一定的局限性，必须借助监测手 段进行必要的补充，以便及时采取补救措施，确保基坑稳定安全，减少和避免不必要的损 失。 2 验证设计、指导施工 客观地说，目前深基坑工程的设计尚处于半理论半经验的状态，通过监测可以了解周 边土体的实际变形和应力分布，用于验证设计和实际符合程度，通过监测掌握周边建筑物 和管线的变化趋势，并根据基坑变形和应力分布情况为施工步骤的实施、施工工艺的采用 提供有价值的指导性意见。 3 保障业主及相关社会利益 在城市施工中，通过对周边建筑物、地下管线监测数据的分析，调整施工参数、施工 工序、重车进出及停靠位置，确保建筑物和地下管线的正常运行，有利于保障业主及相关 第6 页 信息工程大学硕士学位论文 社会利益。 4 分析区域性施工特性 通过对围护结构、周边建筑物和周边地下管线等监测数据的分析、整理和再分析，了 解各监测对象的实际变形情况及施工对周边环境影响程度，分析区域性施工特性，为类似 工程累积宝贵经验。现场监测的实施也是一次l ：l 的实体实验，所取得的可靠数据是基坑 自身和周边土体在施工过程中真实的反映，这对基坑工程设计水平的提高和进步大有裨 益。 2 2 监测级别和项目的确定 参照我国现行规范，在多本规范中出现监测方面的要求和内容，但监测的级别尚无明 确划分，当然也尚无统一的划分标准。在现行建筑地基基础设计规范( g b5 0 0 0 7 _ 之0 0 2 ) 中参照地基基础设计等级标准列于表2 1 ，可作参考。 表2 1 不同等级基坑工程主要监测项目 监测墙顶墙孔土体 墙体墙支撑基地立周边周边 项目 水平顶 隙深层水平侧轴力坑下柱建筑地下 位移沉水水平位移土或变隆水沉物沉 管线 基坑 降 压 位移压形起位降降或 位移 等级 力力倾斜 一级 二级 三级 注：为必测项目，为宜测项目。 基坑工程施工现场监测的内容分为两大部分，即围护结构本身和相邻环境。围护结构 中包括围护桩墙、支撑、围檩和圈梁、立柱、坑内土层等五部分，具体见下表2 2 。 表2 - 2 基坑监测项目与常用监测仪器 序号测量对象监测项目 监测元件与仪器 ( 一) 围护结构 1围护桩墙 ( 1 ) 桩墙顶水平位移与沉降经纬仪，水准仪 ( 2 ) 桩墙深层挠曲测斜仪 ( 3 ) 桩墙内力钢筋应力传感器、频率仪 ( 4 ) 桩墙水土压力 压力盒、孔隙水压力探头、频率仪 ( 5 ) 围护墙湿温监测 湿度传感器、温度传感器 2 水平支撑轴力 钢筋应力传感器、位移计、频率仪 3 圈粱、( 1 ) 内力钢筋应力传感器、频率仪 ( 2 ) 水平位移 经纬仪 4 立柱 ( 1 ) 立柱应力监测钢筋应力传感器、频率仪 ( 2 ) 立柱垂直沉降水准仪 第7 页 信息工程大学硕士学位论文 续表2 2 基坑监测项目与常用监测仪器 ( 3 ) 支撑两端的差异沉降监测分层沉降仪、频率仪 5 坑底土层垂直隆起水准仪 6 坑内地下水水位测斜井、孔隙水压力探头、频率仪 ( 二) 相临环境 7 坑外地基土 ( 1 ) 分层沉降分层沉降仪、频率仪 沉降监测 ( 2 ) 水平位移经纬仪 8 周边地下管( 1 ) 垂直沉降水准仪 线 ( 2 ) 水平位移 经纬仪 9 周边建筑物( 1 ) 垂直沉降水准仪 ( 2 ) 倾斜经纬仪 ( 3 ) 裂缝 裂缝监测仪 1 0 坑外地下水( 1 ) 坑外地下水水位监测井、孔隙水压力探头，频率仪 ( 2 ) 坑外承压水水位监测井、孔隙水压力探头、频率仪 ( 3 ) 坑外孔隙水压力孔隙水压力探头、频率仪 ( 4 ) 坑外土压力监测压力盒、孔隙水压力探头、频率仪 2 3 监测方法与仪器 2 3 1 支护结构水平位移与沉降位移监测 目前，水平位移监测与沉降位移监测的主要方法是用高精度测量仪器( 如经纬仪、测 距仪、水准仪、全站仪等) 测量角度、边长的变化来测定变形。常用前方交会法、距离交 会法、自由设站法监测基坑的二维( x 、y 方向) 水平位移；用视准线法、小角法、测距 法观测变形体的水平单向位移；用几何水准测量法、精密三角高程测量法观测变形体的垂 直( z 方向) 位移。 测量机器人( m e a s u r e l n e n tr o b o t ，或称测地机器人，g c o r o b o t ) 代表着当今全站仪监 测系统的最先进水平。它是一种能代替人进行自动搜索、跟踪、辩识和精确照准目标并获 取角度、距离、三维坐标以及影像等信息的智能型电子全站仪。图2 1 、2 - 2 、2 3 分别为 徕卡t c a 2 0 0 3 、徕卡t c a l 2 0 0 系列、拓普康g p t 8 0 0 0 。 第8 页 信息工程大学硕士学位论文 图2 - 1 徕卡t c a 2 0 0 3 图2 2 徕卡t c a l 2 0 0 系列图2 3 拓普康g p t 8 0 0 0 测量机器人是在全站仪基础上集成步进马达、c c d 影像传感器和其他传感器对现实测 量世界中的“目标”迸行识别，迅速作出分析、判断与推理，实现自我控制，并自动完成 照准、读数等操作，以完全代替人的手工操作。测量机器人再与能够制定测量计划、控制 测量过程、进行测量数据处理与分析的软件相接合，完全可以代替人完成许多测量任务口5 1 。 表2 3 是瑞士徕卡测量系统有限公司研制生产的t c a 智能全站仪的技术参数【2 6 】。 表2 - 3t c a 系列仪器技术参数一览表 t ：a 全站仪 1 a 1 8 0 0 1 a 1 2 0 11 a 1 2 0 2t c a l 2 0 3t c a 2 0 0 3 测角精度 l ”l ” 2 ， 3 ”o 5 ” 测距精度l m m + 2 阿n 2 m m + 2 p p ml i 啪+ l p p m 测程 2 5 i d n3 k m2 5 l 口n ( 单棱镜，通常大气条件) 双轴液体补偿范围 3 4 7 ” 3 4 7 3 4 7 ， 机重( 不包括基座、电池)7 1 k 5 5 k g7 1 l ( g 测量各种棱镜及反射片 ， 手控测量、自动测量 ， 2 3 1 1 水平位移监测原理 由于基坑工程施工现场情况一般较为复杂，施工现场常常会堆放建筑材料，所以不可 能将全站仪始终立于固定一点进行基坑支护结构的变形监测，因此考虑采用自由设站法测 定基坑支护结构的平面位移会更便于实施，同时也会得到更高的效率【2 7 】【2 扪。其具体计算思 想与操作方法为：在远离变形监测区域的构筑物上选取疗个稳定观测点作为监测基准点， 为保证监测精度，要求基准点的个数大于2 。于监测基坑周围方便位置设置测站，要求能 同时观测基准点与监测点，然后进行测站定向，同时假定测站点坐标，依次测量各基准点 与监测点，将首次所测数据作为基准数据。设e 、只、只为基准点，监测原理如图2 - 4 所 示： 第9 页 信息工程大学硕士学位论文 4 图2 - 4自由设站示意图 1 任意假定测站点p 的测站坐标，利用极坐标测量原理测定测站p 至测量点的水平 角口、天顶距口、和斜距s 就可以计算出待测点的坐标。 全站仪极坐标测量的原理公式为： f r = s s i n 口s i n 1 j ，：s c o s 心n 泣1 ) 设水平角的测角精度为脚。，天顶距的测角精度为聊。，测距精度为所。，则测量点的点 位水平精度计算公式为： 肌= ( 2 2 ) 2 依据以上原理，依次测量各基准点与监测点的水平坐标，将首次点位坐标测量值 作为本底数据。此时基准点的本底坐标为( 石。，m ) 。以后各期测量按同样步骤操作进行，后 期基准点观测数据为( 彳，曰，) ，其中( f = l ，珂) ，竹为基准点个数。由于测站点坐标和测站 定向的不同，任意同名点的后期观测坐标值与首期观测坐标值有如下关系： 就： + ：谁 ( 2 3 ) 其中，( ，) ，。) 为后期测量坐标系原点在首期测量坐标系中的坐标，口= 后c o s 口，6 = j s i l l 口， 口为后期测量坐标系的a 轴在首期测量坐标系中的方位角，七为后期测量坐标系的单位长 度在首期测量坐标系中的长度口州。 由公式2 3 可看出，进行两个坐标系的换算，必须知道以上4 各参数。这些参数可由 两个基准点分别在两期中的坐标值计算获得。为了保证监测精度，基准点的个数选择为 一 2 ) ，这时可按最小二乘法的原理推求精确的4 个坐标换算参数。分别将( x 。) ，。) ， 似，曰，) 代入( 2 1 1 ) 列误差方程，根据最小二乘原理得法方程： 第l o 页 信息工程大学硕士学位论文 窆琶7 l - l 窆4 7 f - l 窆4 i - l 杰e - l ( 4 ：2 + b ：2 ) l 一e ， 4 l 1 0 o ( 4 ：2 + 口：2 其中对( 4 ，目) 做中心化处理，令 从而由( 2 4 ) 式可得 4 ， 4 = 4 一生 e b ：= b i j ：l ( 4 而+ 助，) 口= 旦了一 ( 4 + 影) l ；l ( 卅y ，+ 耳x ，) 6 = 旦7 一 ( 4 + 彰) ) ( 群t 一助，) ( 卅乃一f t ) 以上四个参数为首期监测坐标系与后期监测坐标系间的转换参数，关系式如下： 阱卧 ； ( 2 4 ) ( 2 5 ) ( 2 - 6 ) ( 2 - 7 ) 3 根据求得的转换参数将后期各监测点的坐标值转换到首期坐标系中，设 ，) ，矗) 、 o 乃，) ，) 分别为本底首期测量点坐标和后期测量点坐标，则后期测量点坐标减去首期测量 点坐标所得为监测点位移，即： 第1 1 页 静翌珂 = i i “ 、一 b 一 。_|栉。旦撵 一 一 4 口 rl州000il 西口 信息工程大学硕士学位论文 2 3 1 2 测量精度分析 f x r = 膏巧一x 矗 1 a y r = ) ，正一y ( 2 8 ) 由于基坑变形监测需要很高的测量精度，所以在进行监测前要对所用测量仪器进行检 测，以掌握仪器所能达到的分辨精度。 双频激光干涉测量系统的距离测量精度很高，与全站仪测量系统相比可以认为是约定 真值。因此，用全站仪测量的结果与激光干涉仪进行比较，可以用来评定全站仪测量系统 的进度。 检测实验在信息工程大学测绘学院设立的激光干涉基线测量系统上进行该系统为一 条长约3 0 米的基线，其测长精度为( o 1 6 肛m + 5 1 0 7 l ) 。如图2 5 所示，在固定导轨上有 一可控电动小车，小车板上安装两块角锥棱镜，分别指向全站仪和双频激光干涉仪。全站 仪测站置于基线轨道轴线。全站仪测量小车上棱镜三维坐标的同时，激光干涉仪测量小车 上另一棱镜的距离。当小车在激光干涉仪测量指示之下行走一已知距离后，全站仪测得另 一位置相应棱镜点的三维坐标。由全站仪测得的两点三维坐标求出该两点之间的距离反， 并与双频激光所测距离一进行比较，就可得到全站仪通过测量两点坐标所求距离的误差， 进而求得全站仪极坐标点位测量的精度。 全站仪 图2 5 全站仪极坐标自动测量精度检测装置示意图 对于测量机器人来说，一个很重要的特性就是机器人能自动搜索棱镜并测量数据。因 此，基于干涉仪检测系统，我们对t c a 2 0 0 3 全站仪配合标准圆棱镜的自动测距性能进行了 检测，检测结果如表2 4 所示 表2 4 t c a 2 0 0 3 全站仪对圆棱镜自动测量测距外精度 序号激光全站仪极距离差序号激光全站仪极 距离差 ( m m )( m m )( m m ) ( m m )( m m )( m m ) 1 1 0 0 0 1 31 0 0 0 1 9o 0 6 1 5 9 9 9 ，9 71 0 0 0 3 40 - 3 7 2 9 9 9 9 8l o o o 0 1o 0 3 1 6 9 9 9 8 4 9 9 9 6 8 - o 1 6 3 9 9 9 9 8l 0 0 0 2 5o 2 7 1 7 1 0 0 0 0 51 0 0 0 1 80 1 3 4 9 9 9 9 19 9 9 6 3o 2 8 1 8 1 0 0 0 4 51 0 0 0 3 40 1 l 5 1 0 0 0 1 6l 0 0 0 2 0 o 0 4 1 9 9 9 9 5 79 9 9 5 50 0 2 6 9 9 9 8 81 0 0 0 0 6 o 1 8 2 0 1 0 0 0 11 0 0 0 1 9o 0 9 第1 2 页 信息工程大学硕士学位论文 续表2 4t c a 2 0 0 3 全站仪对圆棱镜自动测量测距外精度发 7 9 9 9 9 79 9 9 7 0o 2 7 2 1 1 0 0 0 1 31 0 0 0 2 80 1 5 8 l o o o 0 7l 0 0 0 1 7o 1 0 2 2 9 9 9 8 39 9 9 3 9o 4 4 9 l o o o ，0 5l o o o 1 0o 0 5 2 3 9 9 9 9 39 9 9 9 9o 0 6 1 0 9 9 9 9 29 9 9 7 3o 1 9 2 4 l 0 0 0 1l o o o 3 4o 2 4 1 1 l o o 0 0 71 0 0 0 0 9o 0 2 2 5 9 9 9 9 49 9 9 7 io 2 3 1 2 9 9 9 9l o o o 1 30 2 3 2 6 9 9 9 9 91 0 0 0 0 8o 0 9 1 3 1 0 0 0 0 29 9 9 8 5 一o 1 7 2 7 1 0 0 0 0 21 0 0 0 0 lo 0 1 1 4 1 0 0 0 1 3l o o o 1 5o 0 2 2 8 1 0 0 0 1 1 0 0 0 0 2 o 0 8 最高精度：o 0 1最低精度：o 4 4 平均精度：o 1 5 上表所列数据说明，监测用全站仪t c a 2 0 0 3 的精确性很高，能够达到监测精度要求。 可是对于监测用测量机器人来说，仅有这些还不够，如果测量仪器的测量状态不够稳定， 加之监测时周边复杂的影响因素，还是不能完成高精度的监测工作。 为了检测测量机器人在施工条件下的稳定性和测量精度，我们在基坑施工环境下，由 机载程序控制机器人进行监测点的测量，i 面、n 面分别测量数据两次，取其均值，然后 计算测量机器人的测距内精度，以此检测真实工况下机器人自动测量的稳定性。具体结果 如表2 5 所示。 表2 5t c a 2 0 0 3 全站仪对圆棱镜自动测量测距内精度 点号测程( m )测距精度点号测程( m )测距精度 ( m m ) ( m m ) 14 1 3o 1 31 36 9 ，7 9o 1 7 25 0 9o 0 61 47 7 5 60 1 4 38 4 2o 0 51 59 0 4 20 1 3 43 3 7 4o 0 81 61 0 0 3 9o 0 8 53 4 4 60 1 41 71 0 5 4 1o 1 0 63 4 9 6 o ，1 0 1 81 0 9 ，4 0o 2 9 73 6 4 3 0 2 2 1 9 1 1 0 3 30 0 6 83 9 2 5 o 1 0 2 0 1 5 4 2 2o 0 6 94 2 0 6 o 1 62 11 5 9 8 80 1 7 1 04 4 6 5o 0 82 21 7 1 4 10 1 5 1 15 2 3 60 1 52 32 1 4 3 20 1 5 1 26 0 9 3 o 1 0 最高精度：0 0 5最低精度：0 2 9 平均精度：o 1 2 通过试验结果可以看出，基于机载程序，t c a 2 0 0 3 型全站仪自动测量的精度完全能满 足基坑工程变形监测的要求，并且拥有较好的准确性和稳定性，可以用来实施基坑监测。 第1 3 页 信息工程大学硕士学位论文 2 3 2 基坑周边沉降位移监测 电子水准仪是在自动安平水准仪的基础上发展起来的。各厂家的电子水准仪采用了大 体一致的结构，其基本构造由光学机械部分、自动安平补偿装置和电子设备组成。电子设 备主要包括：调焦编码器、光学传感器( 即线阵c c d 器件) 、读数电子元件、单片微处理 机、g s i 接口( 外部电源和外部存储记录) 、显示器件、键盘以及影像数据处理软件等，标 尺采用条形码标尺供电子测量使用。各厂家标尺编码的条码图案不同，不能互换使用。目 前采用电子水准仪测量，照准标尺和调焦仍需人工目视进行。人工完成照准和调焦之后， 标尺条码一方面被成像在望远镜的分划板上，供目视观测，另一方面通过望远镜的分光镜， 标尺条码又被成像在光电传感器( 又称探测器) ，即线镇c c d 器件上，供电子读数。如果 使用传统水准标尺，通过目视观测，电子水准仪又可以象普通自动安平水准仪一样使用， 但是由于电子水准仪没有光学测微装置，当成普通自动安平水准仪使用时，测量精度低于 电子测量时的精度p o 】。各公司标尺的编码方式和电子读数求值过程由于专利的原因而完全 不同。 对于基坑周边沉降的监测我们采用徕卡生产的电子水准仪d n a 0 3 ，它具有读数准确， 操作简单等特点。使用电子水准仪进行水准测量时，读数与记录都由仪器自动完成，这缩短 了读数时间，减少了读数误差，避免了读数、记录和抄写错误。它的使用大大提高了作业效 率，提升了监测工作的时效性。搭配铟钢尺使用时，d n a 0 3 往返1 k m 的测量闭合差为o 3 m m ， 使用标准水准尺时的闭合差为1 咖。使用光学测量时，其公里闭合差也达到了2 姗。可 以看出，d n a 0 3 数字水准仪能够满足基坑水准测量的要求。以下是几种常见的电子水准仪。 图2 _ 6 徕卡d n a 0 3 1 0图2 - 7 蔡司d i n l l 0图2 8 拓普康d l l 0 1 1 0 2图2 - 9 索佳s d l 2 2 3 3 围护结构深层侧向变形监测 在基坑工程施工中，不光需要知道基坑围护结构外部的水平位移，经常还需要掌握围 护结构内部或所围护土体内部随工程施工所发生的位移情况。对于这种工程需求，通常是 采用测斜仪进行测量的。 2 3 3 1 测斜原理 测斜仪是一种可精确地测量沿垂直方向土层或围护结构内部水平位移的工程测量仪 器。测斜仪可分为活动式和固定式两种，在基坑开挖支护监测中常用活动式测斜仪。在基 第1 4 页 信息工程大学硕士学位论文 坑开挖之前先将有四个相互垂直导槽的测斜管埋入支护结构或被支护的土体。测量时，将 活动式测头放入测斜管，使测头上的导向滚轮卡在测斜管内壁的导槽中，沿槽滚动，活动 式测头可连续地测定沿测斜管整个深度的水平位移变化。测斜管的工作原理是根据摆锤受 重力作用为基础测定以摆锤为基准的弧角变化。当土体产生位移时，埋入土体中的测斜管 随土体同步位移，测斜管的位移即为土体的位移量。放入测斜管内的活动探头，测出的量 是各个不同分段点上测斜管的倾角变化从，而该段测斜管的位移增量s 为： s = 三，s i n 蜀，式中厶为各段点之间的单位长度。测斜仪原理如图2 1 0 所示。 图2 一l o 测斜仪原理图 当测斜管埋设得足够深时，管底位于基坑开挖平面以下，可以认为管底是位移不动点， 管口的水平位移值。就是各分段位移增量的总和：。= 厶s i n 五 1 测斜管可以用于测单向位移，也可以测双向位移。测双向位移时，由两个方向的测量 值求出其矢量和，得出测斜管某深度处位移的最大值