任 鹏
（咸阳市勘察测绘院，陕西，咸阳，712000）
【摘 要】本文分析了全站仪自由设站法的原理，提出了在基坑水平位移监测中自由测站边角交会的测量方法及应用，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，可有效提高外业测量的效率与数据质量。
【关键词】自由设站；全站仪；基坑；水平位移监测
1 引言
随着城市的快速发展，高层和大型建筑物越来越多，建筑物基坑开挖的深度和规模也越来越大。在基坑开挖的施工过程中，基坑内外的土体将由原来的静止土压力状态向被动和主动土压力状态转变。应力状态的改变引起围护结构承受荷载并导致围护结构和土体变形。围护结构内力和变形中的任一量值超过容许范围，将造成基坑的失稳破坏或将直接危及基坑周围的建筑物，以及对施工人员造成安全隐患，考虑到现有基坑支护设计方法及地质条件，支护方案并不能完全保障基坑工程的绝对安全。因此，基坑变形监测工作显得尤为重要。
基坑围护墙顶的水平位移量的监测通常采用视准线法、小角法或前方交会法。这些方法均要求在基坑变形区外围埋设稳定的平面基准点，然后利用导线、前方交会等方法，根据平面基准点在基坑边上测设工作基点，最后在测设的工作基点上架设全站仪用极坐标的方法测设监测点，并保证工作基点与监测点通视的条件下才能实施。若基坑旁场地狭窄、施工障碍物多, 就难以找到稳定地点设置测量基点。常规的监测方法已不能适应基坑施工的复杂环境，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，能有效解决因基坑开挖施工引起周边土体变形而导致工作基点不稳定，影响监测精度的关键问题。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，可大幅提高测量效率；此外，不设置固定点可节省建造强制观测墩的费用，且不用担心固定测站点因被破坏而使得测量工作不连续。
2 自由设站法的原理
2.1 自由设站法测定站点点位的原理自由设站法（边角联合后方交会计算方法）用于由相邻测站重复点坐标交会下一测站点的坐标，进而可用于重复目标点的自动寻找。如图所示：
当观测的控制点数多于2 个时，按最小二乘原理组成法方程解算 XP、YP 的最或然值。
2.2 自由设站法测量基坑水平位移的原理
全站仪自由设站法观测，是一种以角度与距离同时测量的极坐标法为基础，应用高精度全站仪在基坑附近一方便观测的位置设一观测站，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方法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。
而随意设置测站点的坐标及任一个方向的方位角进行定向。这样实际上就是建立了一个自由坐标系，然后从观测站上观测若干个已知基准点及变形监测点的方向和距离。当联测这几个基准点时，基准点就有了自由坐标系和统一坐标系中的两套坐标数据。全站仪内置的自由设站观测程序就可以利用这些基准点将所有点 (包括测站点) 的自由坐标转换为统一坐标，通过对各点的周期性观测，便可得到各变形观测点的位移变化。
3 自由设站基坑监测工程实例
3.1 工程概况
以我市某高层基坑为例，该基坑长80m，宽32m，设计开挖深度为10.5m。距基坑东侧围护墙约3m 处有两栋6 层建筑物，南侧距基坑边约15m 有一栋15 层建筑物，距基坑西侧约18m 即为交通主干道。施工场地狭小，周围环境比较复杂。
3.2 观测方案
根据设计要求，该基坑围护墙顶水平位移按一级基坑标准进行监控。由于受现场通视条件的限制，在基准点上不能直接观测到14 个监测点，为了能及时准确地获取水平位移量，方案采用全站仪自由设站法监测水平位移量，既保证设站点与监测点通视，又不受基坑形状及周边场地的影响。
3.3 观测方法
本 次基坑的平面位移监测采用徕卡TS30 高精度智能型全站仪（测量机器人）进行，TS30 采用全新的压电陶瓷驱动技术（180o/s 转速）比使用传统马达驱动的全站仪的效率整整提高了3 倍，而且在一测回观测过程中半测回结束后可以自动进行倒镜测量，其一测回水平方向中误差为0.5″，ATR(自动搜索) 角度精度为1″ ， 测距精度为0.6mm+0.10ppm×D。其测量方法较传统边角网测量有很大差异。传统的边角网测量仪器都是架设在控制点上进行观测，仪器的对中整平误差以及测量员的瞄准误差都会对测量结果的精度产生影响。而测量机器人具有电子驱动、目标自动搜索功能，测量时采用全圆观测法多测回观测基准点和基坑监测点，记录自由测站到各基准点及各监测点的水平距离和水平方向观测值,首先采用自由设站后方边角交会测量的方式确定测站点的平面坐标，然后用极坐标测量的方式精确测量出监测点的平面坐标。精确测量过程均是仪器自动搜索、自动瞄准、自动读数，避免了人为瞄准和读数误差；测量采用自由设站法无需对中，避免了仪器的对中误差；测量标志也由永久性的预埋件和精密棱镜组成，具有强制对中功能，不需要采用传统的脚架架设棱镜，避免了棱镜的对中整平误差；对变形观测的精度要求，一般情况下观测中误差取小于其允许变形值的 1/ 10～1/ 20 。如本基坑围护墙顶水平位移按一级基坑30mm 允许值进行监控，如取其 1/ 15 允许值为监测中误差，则监测点中误差应小于2mm。本基坑水平位移共监测了26 期，通过对基坑实测的精度分析，以及本基坑监测点坐标中误差的统计分析结果，各期监测点中误差均小于2mm。
由此可知，使用TS30 高等级全站仪，采用自由设站加极坐标法，直接测定基坑围护墙顶水平位移，可以满足一级基坑的监测精度要求。
4 结语
采用自由设站法对基坑水平位移监测，可以满足高等级基坑水平位移监测的要求，特别适用于基准点之间不通视或一个测站只能观测到一个基准点时的情况。自由设站法自由灵活, 完全摆脱了传统的需要固定测站的测量方式，对于形状及周边环境比较复杂的基坑水平位移观测，它是一种比较方便快捷、准确可靠的方法。自由设站法不论其工作效率还是在精度方面都能满足目前基坑监测的要求, 具有较好的实用价值。应用于基坑监测中具有无可比拟的优越性。
参考文献：
[1]李锋.全站仪自由设站法的精度分析.现代测绘，2006,5
论文作者:任鹏
论文发表刊物:《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿
论文发表时间:2015/9/15
标签：基坑论文; 位移论文; 自由论文; 基准点论文; 测量论文; 水平论文; 误差论文; 《工程建设标准化》2015年5月总第198期供稿论文;