摘要：近年来，我国建筑行业进入了黄金时代，但是建筑施工时，出现的问题也在逐渐增多，比如在进行高层建筑基坑施工时，如果没有对基坑变形做到一个合理的控制，就会有可能影响到整个建筑施工的质量。本文阐述了自动化全站仪监测技术，通过对自动化全站仪在高层建筑基坑变形监测中的实际应用的探讨和分析，希冀能够对建筑基坑变形监测工作提供借鉴和帮助。
关键词：高层建筑；基坑变形；自动化；全站仪
引言
为了充分利用有限的城市土地资源，城市高层建筑越来越多。当高层建筑基坑围护结构变形超过允许值时，就会造成基坑失稳，这不仅对在建建筑物带来安全隐患，同时也会导致周边建（构）筑物安全事故的发生。
利用先进测量仪器对建筑基坑变形进行监测，一方面可以获得基坑围护结构性能数据，进而指导工程设计和施工，达到提高工程建设质量、改善建筑结构、降低工程投资成本的目的。另一方面也可以及时预报深基坑施工过程中可能出现的险情，便于及时采取安全措施。
自动化全站仪又叫测量机器人，具有目标自动识别和智能照准定位等功能，它在基坑变形监测中可以根据现场情况灵活选择测量地点进行自由设站测量。自由设站法不仅能有效地避开基坑施工的影响，还可以快速、准确地获取被监测对象变形信息数据。
1.自动化全站仪监测技术
1.1 全站仪自由设站观测的原理
全站仪自由设站观测是指在进行建筑基坑变形监测时，首先根据监测点的分布情况选择较佳的测站点，然后在该测站点上架设全站仪，并在全站仪上任意设置该测站点的空间坐标和方位角，最后对监测点进行极坐标测量。这种方法以观测数据为基础，结合自动全站仪高精度数据智能采集分析能力和对监测目标进行自动识别定位性能，首先由测量人员建立测站坐标系，然后在测站点上通过观测若干个已知基准点方向值和距离，取得与基坑变形监测统一坐标系的联系，最后将基准点已知数据与监测数据进行联合处理，从而获得测站坐标系和统一坐标系下的两套测量成果。利用便携式计算机或全站仪内置程序自动分析计算就可以把自由测站坐标系下坐标数据换算成统一坐标系下的坐标数据。通过对各监测点的周期性观测数据采集分析，便可得到建筑基坑各变形监测点的位移变化数据信息。
1.2全站仪自由测站坐标系下坐标转换方法
从上述论述中可知，全站仪自由测站观测法主要包括基准点、自由测站点和监测点。假设基准点和自由测站点布置位置如下图所示。
自动全站仪自由测站原理
上图中，K1～K4是4个已知基准点，P是自由测站点。在自由测站点P上架设自动全站仪，分别观测基准点Ki，获得基准点的方向值Ni和距离值 Si，然后利用间接平差软件计算出P点在统一坐标系下坐标值。
在实际监测过程中，建筑基坑变形监测属于小范围短距离监测，可以结合最小二乘法得到自由测站点P点在统一坐标系下平面坐标为：
Xp = Xp0 + x^p
Yp = Yp0 + y^p （1）
式（1）中：Xp0，Yp0为自由测站点P进行坐标转换的近似值，x^p，y^p 为自由测站点P进行坐标转换的相应改正数。
相应的可以获得自动全站仪在测站点上水平度盘零方向的空间方位角为：
Zp = λ^ p + Zp0 （2）
2.自动化全站仪在高层建筑基坑变形监测中的应用
现举例说明使用徕卡TC 2003 高精度自动全站仪（该仪器精度指标：测角精度0.5″，测距精度1mm+1ppm），对高层建筑基坑变形监测情况。本例采用自由测站加极坐标转换法，对某高层建筑深基坑围护墙顶部水平位移进行监测分析。
2.1工程概况
某大型高层建筑深基坑长 130 m，宽 90 m，基坑设计开挖深度为 18m，建筑层数28层。该基坑东侧外6m 有一栋 10层住宅楼，基坑南侧为空地，基坑西侧外约 15 m 为某20层建筑物，基坑北侧外20m为城市交通干道。该基坑围护墙顶部水平位移报警值为40mm。按照国家相关规范规定，该基坑工程类别为一级，围护墙顶部水平位移监测精度为监测点坐标中误差不大于1.5mm。
2.2基坑监测方案
在基坑南侧空地，设置了两个平面基准点K1和K2，K1位于基坑的西南角，K2位于基坑的东南角。基准点距离基坑大约 60 m，两个基准点均位于基坑变形影响区域以外。在进行K1，K2基准点布置时，保持了K1，K2连线与基坑南侧边线近似平行。假定K1平面坐标为（500，500），用TC 2003全站仪精确测量了K1和 K2间的平距为111m，假设K1 至 K2的方位角为 90°，由此建立了本基坑监测统一的直角坐标系统。按上述数据计算K2平面坐标为（500，611）。根据监测点分布情况，设置自由测站点P位置。在采用自由测站加极坐标方法监测基坑顶部水平位移量时，首先调用全站仪自由设站模块程序，在可视化界面上依次输入K1，K2两点坐标数据，并测量PK1，PK2方向值和距离，由全站仪解算出自由测站点P在统一直角坐标系下坐标值。然后对基坑围护墙顶部水平位移监测点进行测量。本基坑共布设顶部水平位移监测点25个，其间距不大于20m。监测点采用钻杆送入式标志，其标志顶部采用自行设计可供直接旋入棱镜的强制对中装置。
2.3监测结果分析
为验证监测数据的准确性，任选基准点与自由测站点P交会角为β= 45°54'17″，β1 = 52°56'12″，边长PK1 = 100.02 m 为例，计算交会定点的精度，其计算公式如下：
（3）
式（3）中：σp 为交会定点点位中误差；S为交会三角形中β1 夹角的对边；σ为测角中误差。
按（3）式计算交会定点点位中误差为σp = ± 0.539 mm。
结合 TC 2003 高精度自动全站仪精度指标，并考虑整个测量过程中测角误差、测距误差、监测点棱镜对中误差以及自由测站点的起始误差，可以计算出基坑围护墙顶部水平位移监测点点位中误差为：
其坐标中误差为1.21mm。小于规范规定监测点坐标中误差不大于1.5mm要求。
这说明使用TC 2003 高精度自动全站仪采用自由测站加极坐标转换法是能够满足一级基坑监测精度要求的。
3.结束语
综上所述，自动化全站仪在高层建筑基坑变形监测中通过采用自由测站加极坐标转换法可以有效地解决了城市高层建筑深基坑变形监测问题，同时由于自动全站仪自由设站加极坐标法具有设站灵活方便、操作简单、计算效率高等特点，可以为深基坑施工和设计提供快速、准确的变形监测数据，值得推广。
参考文献：
[1] 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（3）：239-241.
论文作者:刘亚平
论文发表刊物:《基层建设》2018年第33期
论文发表时间:2018/12/18
标签：基坑论文; 基准点论文; 自由论文; 全站仪论文; 坐标系论文; 坐标论文; 站点论文; 《基层建设》2018年第33期论文;