全站仪非固定站差分法监测深基坑坑壁位移
张 伟,李会青,洪树生
(深圳职业技术学院,深圳518055)
Application of Difference 2method to Safe Monitoring of Deep Pit
Setting with Total Station Actively
ZHAN G Wei ,L I Hui 2qing ,HON G Shu 2sheng
摘要:全站仪固定设站用于大坝、边坡等建筑物变形监测已有了不少成功实例,应用到深基坑坑壁位移监测则受到场地的。
提出全站仪非固定站差分方法,并通过对某深基坑实测验证该方法的有效性。
关键词:非固定站差分法;深基坑位移监测;全站仪
收稿日期:2002206204
作者简介:张 伟(19622),男,湖南长沙人,讲师,硕士,主要研究建筑施工与安全监测。
一、引 言
深基坑坑壁位移包括沉降和水平位移。采用精密水准测量只能监测坑壁的沉降。全站仪作为多功能的测量仪器已越来越多地应用到大坝、边坡等建筑物的变形监测,除沉降外还可以测量监测点的水平位移,但监测时通常需将全站仪固定设站于基准点上。对于深基坑而言,由于施工场地的诸多以及坑壁位移对其周围地面的影响,在深基坑内及边缘附近采用固定设站安置全站仪进行监测几乎无法实现。为此,本文提出用于深基坑监测的全站仪非固定站差分方法,并使用徕卡TCA1800对深圳某深基坑进行了坑壁位移监测。实测表明,该方法精度高,全站仪设站灵活、简便。
二、非固定测站差分法原理
1.基准点和监测点的布置
根据场地情况布设基准点A ,B ,C ,D 和监测点P 1,P 2,P 3,P 4,P 5,P 6等,见图1。监测点设置在基坑四周边缘顶部,根据结构要求布置,相邻点最大间距≤30m 。基准点A ,B ,C ,D 设置在基坑四周不受基坑变形干扰处,如已建成的建筑物或构造物上,以便监测基坑四周监测点时均能通视。基准点和监测点均设置固定棱镜。S 1,S i (i =2,3,…,n )为初始观测设站点和第
i 次观测设站点。由于现场施工条件,观测点S 1,S i (i =2,3,…,n )一般不会重合,也不要求重合。
图1 基准点和监测点布置图
2.非固定测站差分法原理
观测时,根据现场条件安置全站仪在S i (i =1,2,3,…,n )处直接测量各基准点和监测点的坐标及
高程。设基准点和监测点的坐标为(X ,Y )i ,高程为(H )i 。并有
(X ,Y )i =
X A
Y A X B Y B X P 1
Y P 1X P 2
Y P 2
…
…
X C Y C X D Y D
i
(H )i =
H A H B H P 1
H P 2
…
H C H D
i
5
42002年 第10期 测 绘 通 报
i
,高程差分值为(ΔΗ)i。
(ΔX,ΔY)i=
ΔX
AB
ΔY
AB
ΔX
B P
1
ΔY
B P
1ΔX
P
1
P
2
ΔY
P
1
P
2ΔX
P
2
P
3
ΔY
P
2
P
3
……
ΔX
CD
ΔY
CD i
(ΔH)i=ΔH
AB
ΔH
B P
1
ΔH
P
1
P
2ΔH
P
2
P
3…
ΔH
CD i
利用坐标差分值可以计算图1中AB、CD的初始坐标方位角α1和第i次观测坐标系里的观测方位角αi。
α
AB
1=arctan
ΔY
AB
1
ΔX
AB
1
α
CD
1=arctan
ΔY
CD
1
ΔX
CD
1
α
AB
i =arctan
ΔY
AB
i
ΔX
AB
i
α
CD
i =arctan
ΔY
CD
i
ΔX
CD
i
令
β
1
i =αAB
i
-αAB
1
β
2
i =αCD
i
-αCD
1
β
i =
1
2
(β1
i
+β2
i
)
(i=2,3,…,n)
β
i
为第i次观测坐标系和初始坐标系的夹角,由此得到第i次观测坐标系转化为初始坐标系的旋转矩阵N i
N i=cosβi-sinβi sinβi cosβi
不管是初始坐标系还是观测坐标系,应兼顾(ΔX)差分值不要太小。以免计算误差带入。
利用基准点的初始差分值与第i次测量差分值的比例关系引入坐标比例矩阵K i
K i=
ρΔ
X0
0ρΔY
ρΔ
X
,ρΔY为比例系数,且有
ρΔ
X=
1
2
ΔX
AB
1
ΔX
AB
i
+
ΔX
CD
1
ΔX
CD
i
ρΔ
X=
1
2
ΔY
AB
1
ΔY
AB
i
+
ΔY
CD
1
ΔY
CD
i
将第i次所测基准点、监测点相邻点间的坐标差分值(ΔX,ΔY)i换算成初始坐标系中的坐标差分值并表示为(ΔX,ΔY)1
i
,有
(ΔX,ΔY)1
i
=(ΔX,ΔY)i N i K i
以(ΔX,ΔY)1
i
(i=2,3,…,n)为第i次基准点和监测点在初始坐标系中的观测值,以基准点的初始坐标及初始坐标差分值为已知数据进行平差计算,即可得到本次观测各监测点在初始坐标系里的坐标值。与其初始坐标值比较,即可确定监测点的水平位移量。
观测点高程为:
H测=H站+D tanα+i-v+Δ
式中,Δ为球气差影响,相邻点间Δ相同或相近。以各棱镜为观测点,目标高v=0。站点高程H站与仪器高i相同,在高程差分值中不含有量高误差的影响,球气差也得到消除或减弱。
利用基准点的初始高程差分值和测量高程差分值的比例关系确定高程比例系数ρΔH,则
(ΔH)1
i
=(ΔH)iρΔH
以相邻点的高程差分值(ΔH)1
i
为观测值,以基准点的初始高程和初始高程差分值为已知数据进行平差,并计算得到各监测点本次观测的高程值。与初始高程比较得到监测点的沉降量。
三、实施步骤
TCA系列全站仪具有自动目标识别、自动搜索、自动跟踪功能,测角精度:±1″,测距精度:±(1mm+2×10-6D)。可以在短时间内完成多个点位测量。由于观测时间短,可以认为观测期间大气等环境因素相对稳定,外界条件的影响在差分值中得到有效的消除或减弱。观测时无须读记温度和气压,直接测量基准点和监测点的观测坐标和观测高程便可。
对深基坑坑壁位移的监测步骤为:
1.合理设置基准点和监测点;
测 绘 通 报 2002年 第10期2.高精度测定基准点与监测点在初始坐标系的初始坐标和初始高程。
3.根据现场情况适时对基准点和监测点进行测量,并将各观测值转换为初始坐标系中的值。
为了提高监测精度,每次观测可在不同两处安置全站仪,分别得到各监测点的位移,取平均值作为本次观测结果。
四、工程实例与结束语
利用本文所提出的方法,对深圳某深基坑坑壁位移进行了监测,布置基准点4个,监测点18个,每个点均固定特制棱镜架安置棱镜。共观测28次,平均每3天1次。将基准点每次的坐标差分与初始坐标差分比较,差值≤±2mm;高程差分值与初始值比较,差值≤±1mm。监测点单次最大位移量±18.3mm,累计最大位移量±76.6mm;单次最大沉降量±9.3mm,累计最大沉降量±40.2mm。
采用非固定站差分法,结合TCA1800全站仪实测表明:
1.采用非固定站差分方法可以对深基坑位移尤其是施工场地狭小、基坑周围地层存在变形的情况进行高精度监测。
2.采用非固定站差分法,可使全站仪设站更灵活、更简便,对深基坑监测具有较强的实用性。
3.该方法同样可用于大坝、桥梁等重要建筑物位移的监测。
参考文献:
[1] G B/T1531421994,精密工程测量规范[S].
[2] 徐忠阳,张良琚,包 欢,朱 江.自动极坐标实时差分
监测系统及其在大坝外部变形监测中的应用[J].测绘通报,2001,(9):28230.
[3] 汪祖民.对深基坑施工安全监测的实践[J].测绘通报,
2002,(1):63265.
[4] 王 源,刘建永,胡 灿,潘庆林.简易导线法在基坑水
平位移中的应用研究[J].工程勘察,1999,(4):48253.
[5] 王爱公,刘小生,张学庄.矿山边坡自动监测系统研究
[J].工程勘察,1998,(5):60263.
(上接第44页)
此坐标系下,可以采用极坐标法进行放样。长直线测设可建立以JD为坐标原点的相对坐标系,利用交点和就近导线点的北京54坐标,建立设计中线与初测导线间的联系,它们形成了一个闭合导线环。将角度闭合差和坐标闭合差调整到观测值上而对坐标反算值不予调整,这样可以计算出中线和导线的假定坐标,直接供极坐标法放样用。一条直线以一个组连续同方向敷设为好,不宜两个组对向敷设。
3.交点。两直线的交点以先从导线点上放出直线边(加投影变形)后以骑马桩方式设定交点为佳,或直接以副交点方式通过,不设交点。若采用拨角法以副交点形式通过交点时,应考虑长度变形。
4.放线误差处理。拨角法放线一段中线后,交点位置产生了一些偏离,在与导线进行联测,闭合差计算以后,应对放线误差进行处理,使下一交点重新回到纸上定线位置。为将地面中桩放到图上,应将放线导线按附合导线进行处理,调整坐标闭合差后计算控制桩坐标。
2.建立分段坐标系法
坐标系是有效克服长度变形的最佳方法,青藏线独特的高海拔地势,大跨度的东西间距,仅建立一个坐标系远远不能满足要求,由于青藏线长度变形主要以高程归化为主,所以主要以地势高低进行分段,以每公里长度变形小于4cm为原则建立坐标系。经过适当的分段后,各段坐标系的长度变形均可在±4cm/km以内,能满足定测放线的要求,中线坐标及导线点坐标转换到定测坐标系后即可采用现行的各种方法放样。采用此法在实际工作中也会因分带太多,给外业测量带来不便,需要全线采用统一方式作业,否则在勘测分界处无法正确连接,因此需要结合初测资料进行详细设计。
五、结束语
1.青藏线定测工作采用了加投影长度变形法,各个作业组互不影响,放线长度可按规范规定进行闭合,生产中易于实施。
2.今后进行铁路工程测量时,坐标系统的选择应当引起足够的重视,收集资料时应收集符合规定的坐标系统的图纸及坐标资料,若既有坐标系统长度变形超过规定,则应当建立坐标系。
3.在修订《新建铁路工程测量规范》时应考虑坐标系统的设计,并在条文说明中加以详细说明。
参考文献:
[1] TB10101299,新建铁路工程测量规范[S].
[2] 孔祥元,梅是义.控制测量学[M].武汉:武汉测绘科技
大学出版社,1996.
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