基坑监测中几何水准测量精度控制措施

陈广友

江苏新亚勘测设计有限公司

随着国家经济建设的高速发展，城市建设步伐的不断加快，城市地铁、大型市政、高层建筑等工程快速建设，城市用地日趋紧张，城市发展地面的空间越来越小。伴随着人口、交通的密集和繁忙，人们开始向地下空间寻求发展，开发利用地下空间是未来建设发展的趋势和方向。地下空间的建设对深基坑工程有大量的需求，而大部分深基坑工程都位于城区，交通要道，人居密集区，其周边环境复杂，管线密布，邻近重要建（构）筑物等。基坑施工过程中，为确保工程安全，减少破坏，对支护结构、基坑周边环境及附近建筑全过程进行实时、有效的监测，能够及早发现事故苗头，杜绝事故隐患，使工程处于一个安全可控的状态。对于保证工程质量和基坑的施工安全具有极其重要的意义^[1]。

基坑监测涉及工程测量、岩土工程、结构力学等多门学科的相关技术。经过多年的发展，已初步形成一套较为完整的技术质量体系^[2]。基坑监测项目一般的监测项有测斜监测、轴力监测，水位监测，水平位移监测，沉降监测等。在监测项目中，测斜、支撑轴力、水位监测由于受到施工和工作场地的影响，对仪器要求精度高，成果质量精度普遍不高。在有限的监测类中，沉降监测尤为重要，围护墙边坡顶部、立柱、基坑周边地表、管线和邻近建筑的竖向位移都要靠沉降监测来实施。本文依托于苏州某地铁车站基坑工程，分析探讨基坑监测中几何水准测量的精度及其控制措施。

1.基坑监测中水准测量的误差分析

所谓误差就是观测值和真实值之间的差值，一般来说，误差是不可避免的，可以通过有效的手段和方法控制误差的影响，使误差减弱或变小，从而提高水准测量的精度。水准测量误差包括仪器误差、观测误差和外界条件影响误差三个方面。

（1）仪器误差

仪器误差主要包含水准仪和水准尺的误差。

水准仪由于本身制造工艺产生的残差主要是视准轴和水准轴不平行的误差，通常情况下i角的存在直接导致前、后尺读数与真值不符。为了减弱i角误差的影响，一般作业前应对i角进行检核，作业过程中尽量使前后视距相等或根据规范要求，将前后视距差，累计视距差控制在一定的范围内之内。

水准尺主要是尺长误差的影响，水准尺使用前应经过专门检测机构的检定，合格后方可投入使用，施测过程中的误差影响主要是通过偶数站的方法予以解决。

（2）观测条件误差

观测误差主要人为误差，不同的人观测的视差不同。基坑监测过程中减弱的主要方法有：采用精密的电子仪器、固定人员、固定仪器、固定线路等措施。

（3）外界条件影响误差

在基坑监测项目中实施的水准测量一般受施工影响外界条件复杂，干扰比较大，一般应选择在有利的观测时间段进行，温度高的夏日尽量避开正午前后1小时，视距不应过长。

2.基坑监测水准测量一般实施流程

基准点应布设在施工影响区以外稳定可靠的区域，根据工程范围和特点适当布设一定数量的工作基点，工作基点尽量布设在基坑附近稳定区域。基准点、工作基点定期进行联测，确保基准点数据稳定。

沉降观测分两级进行：

（1）水准基点-工作基点

一般采取二等水准测量观测方法进行，严格按照规范要求方法进行观测，形成闭合或附合水准路线。

（2）工作基点-监测点

监测过程中由于特殊情况的影响，水准测量很难按照规范要求那样，严格控制前后视距。一般采取的办法是，工作基点走水准路线，严格按照二等水准测量要求实施。在施测过程中，监测点测设一般按照不等距测量。

3.不等距观测数据质量分析

基坑监测规范中关于竖向位移监测精度的要求如表1所示，我们从表2种可以看出，视距差对观测精度影响很大，按照一、二等水准测量要求观测，控制视距差是关键。

表1竖向位移监测点的精度指标（mm）

等级	高程中误差mm	相邻点高差中误差
一级	±0.3	±0.1
二级	±0.5	±0.3
三级	±1.0	±0.5

实际工作中由于基坑周边监测点位分布密集，严格控制前后视距差进行观测，势必会增加转站次数，增加误差积累，降低作业效率。一般基坑监测竖向位移受施工影响较大，变化有一定的趋势，需要监测能及时高效的掌握这一阶段的变化速率和变化趋势。如何能高效的在保证精度的前提下，提高工作效率，保证监测任务的顺利完成。数字水准仪的普及和应用为解决此类问题提供了契机，数字水准仪具有自动精确读数、电子记录、误差(标尺热膨胀误差、地球曲率和大气折光影响等)自动修正、数据电子化处理等功能^[3]。我们以天宝数字水准仪为例，DINI03具有在进行水准路线测量的同时，不中断水准路线测量的情况下进行中间点测量功能。通过数据处理对中间点观测值施加上ｉ角形成的误差改正，在不等视距测量模式下满足监测水准测量精度要求。

（1）水准测量中i角的误差影响

水准测量观测中，由于i角的存在对测量结果的影响值表达式可以表述为 I ×D ,其中，I 为 i 角误差，(单位为 rad), D 为视距值。如图1所示

图 1水准测量的 i 角误差影响

在不考虑随机误差的情况下，通过对水准测量i 角误差 I 和视距 D关系表达式计的计算，结果如表1所示：

表2不等距水准观测i 角和视距变化产生的误差（mm）

i角 视距差m	5“	10“	15“	20“
0.5	0.012	0.024	0.036	0.048
1	0.024	0.048	0.073	0.097
5	0.121	0.242	0.364	0.485
10	0.242	0.485	0.727	0.970
15	0.364	0.727	1.091	1.454
20	0.485	0.970	1.454	1.939
25	0.606	1.212	1.818	2.424
30	0.727	1.454	2.182	2.909
35	0.848	1.697	2.545	3.394
40	0.970	1.939	2.909	3.879
45	1.091	2.182	3.272	4.363

根据上表结果分析，i角与视距的变化存在对应的关系，误差随着i角和视距的增大成正比例关系。只要水准仪ｉ角误差在当前的测量时段内具有足够的稳定性，则可对所有观测值按照公式进行改正。

（2）不等距观测精度分析

通过对苏州横山路车站基坑地面监测点进行观测分析不等距观测数据的质量精度。观测前对水准仪进行i角检验，检验结果i角为12秒。观测分两次进行，一次严格按照二等水准路线视距限差要求进行初始观测，一次按照不等距观测，根据基坑监测特点，方便观测前后视距离最大超过35米。观测结果如表2所示：

表2不等距观测结果分析

点号	等距观测	不等距观测		改正值 (mm)	改正后高差 (m)	高差较差 (mm)
	高差(m)	高差(m)	视距差(m)
p1	0.05384	0.05344	+5.5	+0.320	0.05376	-0.08
p2	0.05685	0.05633	+7.6	+0.442	0.05677	-0.08
p3	0.06174	0.06113	+8.4	+0.489	0.06162	-0.12
p4	-0.23156	-0.23248	+14.3	+0.832	-0.23165	-0.09
p5	0.13447	0.13398	+10.2	+0.593	0.13457	0.10
p6	0.15424	0.15441	-5.6	-0.326	0.15408	-0.16
p7	0.13507	0.13612	-12.8	-0.745	0.13537	0.30
p8	-0.12129	-0.12102	-8.0	-0.465	-0.12148	-0.19
p9	-0.23524	-0.23484	-9.3	-0.541	-0.23538	-0.14
p10	0.18533	0.18563	-4.5	-0.262	0.18537	0.04
p11	-0.13504	-0.13488	-6.2	-0.361	-0.13524	-0.20
p12	0.22436	0.22515	-11.5	-0.669	0.22448	0.12

通过数据分析我们可以看出，在电子水准仪调焦等误差影响的情况下，通过i角改正值施加改正，两次观测数据结果是吻合的，高程中误差计算结果为0.15mm,误差结果满足规范要求。监测过程中一般前视距离不大于后视距离，方便计算。

4.结语

1.采取水准线路的中间点测量模式观测监测点对整条水准线路的精度没有任何影响。

2.实例验证，采用电子水准仪进行前后不等视距的精密水准测量方法，通过改正，成果质量能满足监测精度要求，大大的提高了水准测量的外业工作效率和数据质量。

3.当ｉ角很小，基坑监测等级较低时，i角误差对每一站不等视距测量在限制的距离范围内结果影响可以不予考虑。

参考文献：

[1] 软土地区深基坑工程监测案例分析裴泉熠；[J]-《工程建设与设计》2018-02-10

[2] 浅析基坑监测中常见技术质量问题及其控制措施李新同；[J]--《中国市政工程》2018-02-05

[3] 视距非对称式水准测量方法与应用研究；[J]-黄声享；叶晓明；沈凤娇；-《武汉大学学报（信息科学版）》2010-07-05

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