高层写字楼深基坑监测技术应用研究
孙选科 王海荣 贾兆琰
（中建新疆建工（集团）有限公司西北分公司，陕西 西安 710000）
随着城市规模的扩大和建筑水平的提高，高层建筑越来越多。在高层建筑建设中，深基坑工程将伴随整个土方开挖和地下部分施工，直至回填完成。在人口密集、建筑物林立的城市中，只有对基坑进行实时、连续地变形观测，才能保证基坑施工的安全，并保证项目临建与周边设施、建筑的安全。
2.1 开挖深度深，易受周边建筑物影响
由于基坑开挖深度深、城市建筑物较多，因此，基坑周边容易产生沉降和形变。大部分高层写字楼实际可用场地狭小、基坑面积占比大、基坑深度深，导致基坑容易产生沉降和形变。应加强对基坑及其周边建筑物的基坑监测频率，只有对基坑进行实时监测，才能保证基坑的沉降与位移在可控范围内，避免发生安全事故。
2.2 受天气因素的影响
由于基坑作业方式为露天开挖，因此，在雨雪季节时，大量降水容易破坏基坑结构，导致土壤的黏结能力下降，造成基坑沉降、位移，严重的可能发生滑坡等问题，而且雨水还会堆积在基坑内，给土方开挖带来麻烦。遇雨雪时，应加强排水措施，在基坑底部修建排水沟，保证基坑内无积水。同时，土方开挖应在地面干燥的情况下进行，防止因土壤潮湿造成土方开挖时塌陷。
2.3 受现场条件限制，监测工作难以开展
高层深基坑场地狭小，基坑周边可能存在大量物料堆积与周边大型机械行驶、运输、吊装作业等情况，加大了基坑周边的荷载。同时，由于基坑周围作业频繁，可能存在监测点被干扰的情况。因此，应把监测点布设在不易干扰的地方，如基坑冠梁内侧，在不通视的情况下新增设控制点，以保证基坑监测的准确性。
由于深基坑监测工作的重要性，现场施工人员在整个土方开挖阶段和地下部分施工阶段都会对基坑进行变形观测，并根据观测误差情况和工程的实际情况进行控制，主要变形监测技术应用如下：
3.1 水准路线沉降观测
（1）沉降观测主要是测定设置的沉降观测点相对于高程基准点的垂直位移。
（2）建筑物的沉降观测是根据高程基准点进行的，高程基准点埋设在基坑及基坑周边建筑物、道路沉降区外的2～3个水准点，并与城市水准点联测后，获得统一高程系统的高程，基准点之间的高差应经常复核，以保证基准点的稳定性。
（3）在基坑周边、毗邻建筑物沉降区内埋设沉降观测点，采用水准仪测量沉降观测点与高程基准点之间的高差，利用水准测量闭合环的高差进行检验。
3.2 极坐标法位移观测
（1）位移观测主要是测定设置的位移观测点相对于基准点或线的水平位移。
（2）主要位移观测方法为视准线法、激光垂直法、位移点边角观测法和极坐标法，其中常用方法为极坐标法和位移点边角观测法。
极坐标法，即使用全站仪在已知基准点建站，测设未知位移观测点，使用极坐标法进行方位角转化实际坐标。通过连续观测，得到水平方向的坐标增量ΔX、ΔY，ΔX、ΔY便是测设间隔期间基坑位移量。实际计算公式如下：
起始边方位角：
坐标增量与各个点坐标：
位移点边角观测法是以变形观测的位移点为基站，向基准点观测边长和水准角，以计算水平位移，其中两次观测角度的差值Δβ与水平位移的关系为：
因此，按水平角差Δβ计算水平位移的计算式为：
3.3 三维激光扫描仪变形观测
三维激光扫描仪通过高速激光扫描测量的方式，大面积、高精度地快速获取深基坑表面的三维坐标数据。三维激光扫描仪可以快速、大量地采集空间点位信息，为快速建立深基坑的三维模型提供了一种全新的技术，三维激光扫描仪基于3DM技术所采集的点云数据具有完整的坐标信息。相比于传统测量，三维激光扫描仪可全面监控深基坑内各部位的沉降情况，如腰梁、锚索、支护桩、冠梁、周边道路等都可以进行精细化点云数据分析，从而发现深基坑各部位的变形情况，具体技术实施方法如下：
3.3.1 外业数据采集
通过机载激光扫描仪或地面激光扫描仪获取具有影像真实感的高精度点云数据。点云数据是实际物体真实尺寸的复原，是目前完整、精细和快捷地对物体现状进行档案保存的手段。点云数据包括了对象物体的空间尺寸信息和反射率信息，结合高分辨率的外置数码相机，可以逼真地保留对象物体的纹理色彩信息；
结合全站仪、GPS测量仪器，可以将整个扫描数据放置在一定的空间坐标系内。通过Cyclone等软件可以在点云中实现漫游、浏览和对物体尺寸、角度、面积、体积等的量测，直接将对象物体移到电脑中，利用点云在电脑中完成传统的数据测绘工作。
3.3.2 点云数据配准、拼接
三维激光扫描仪每次扫描只能得到测区局部的数据，为了得到测区完整的三维数据，往往需要从不同的位置进行多次扫描，每次扫描得到的数据都处在以当前测站为原点定义的一个局部坐标系中。因此，需要在扫描区域中设置一些控制标靶，使相邻的扫描点云图有3个或3个以上的同名控制标靶，通过同名控制标靶将扫描点云数据统一到同一个坐标系下。然后将多余的点云数据进行删除与整理，再进行点云数据的拼接，拼接完成后需成为一个整体模型。
3.3.3 等高线生成
三维激光扫描时，为获得详细的地面信息一般扫描密度较大，深基坑整体点位太密，且分布不均匀。直接利用扫描点来勾绘三角网追踪等值线，由于其细节信息过多，会导致等高线紊乱。因此，一般将剔除非地貌因素后的点云数据按地形测绘要求的密度进行抽稀，将数据导入到大比例尺数字测图软件中，自动生成等高线。
3.4 数字近景摄影测量技术
随着摄影测量技术的发展，近景摄影测量技术应运而生。针对小面积、高精度测区，数字近景摄影测量技术可以清晰、准确地测量基坑形变情况，在拍摄的相片中建立相应的坐标系统，确定物体在地面坐标系下的坐标。
3.4.1 模板匹配与特征点匹配
模板匹配就是在整个图像区域发现与给定图像匹配的最小区域，利用模板图像与深基坑监测图像相匹配，利用模板图像与监测图像相同的尺寸进行对比，在监测图像中按一定方向滑动检查，确认生成图像的灰度值。
模板匹配后，通过特征点匹配算法对模板图像与监测图像进行比对，用像素比例尺计算出像素点实际位移，一般情况使用角点检测，利用图像角点确定检测窗口内的灰度值，从而判断特征点位置。若灰度均匀，则说明该区域没有特征点；
若灰度不均匀，则说明该区域存在特征点。
3.4.2 设立标靶
在基坑周边布设标靶，令标靶靶面向上，保证相机可以完整拍摄标靶，标靶材质一般为铝合金材质，安装方便、材质轻盈、稳定性高、不易变形。
3.4.3 拍摄
用无人机对基坑整体进行拍摄，保证标靶在图片中清晰显示。通过相机拍摄的监测图片进行数据处理，计算出相机拍摄中的像素位移。
3.4.4 内业数据整理
根据像素位移量计算标靶位移量，将水平位移与竖向位移量制作成基坑监测表，计算日平均沉降量。
3.5 BIM技术
在BIM技术日益成熟的今天，将BIM技术与基坑监测各项技术相结合，对基坑监测进行实时动态管控。
3.5.1 建立模型
建立基坑支护结构、基坑监测点、周边建筑物等三维模型，将基坑支护面作为基坑监测基准面。
3.5.2 外业数据采集
采集基坑竖向沉降与水平位移量，计算日平均沉降量，将数据导入三维模型中，观察形变量。
3.5.3 三维模拟视频制作
制作基坑形变视频，将基坑形变量直观、清晰地展现在动画中，同时根据测量的外业数据，以动画的形式进行模拟，起到提前进行基坑预警与排除潜在风险的作用，也可以通过动画分析基坑监测方案的可实施性，及时更新监测方案。
基坑监测基准控制点布设要求在永久路面或结构上，排除周边环境的影响。保证基准控制点的永久性十分重要，完好且不易位移的基准控制点是监测基坑变形的最佳保证。监测控制点应布设在基坑、内部道路、外部市政道路、基坑毗邻建筑物周边，并且可串联成闭合水准路线，闭合水准路线可用于检查高差闭合差，控制数据误差。同时，监测控制点也应布设在稳定、牢固、不易遮挡处，若因施工原因导致监测点被覆盖，应及时在被覆盖点周边设立新的监测控制点。
基坑进行土方开挖时，监测频率应为1～2d/次，并随着基坑分层分区开挖工作的进行，监测频率也要相应提高，以保证深基坑开挖时的安全。深基坑开挖完毕且完成底部基础（筏板及垫层）的浇筑后，监测频率应为2～3d/次，在肥槽回填且混凝土强度增强后，监测频率可适当放缓，但若监测结果出现较大波动，应及时增加监测次数。
5.1 连续性
常见的工程测量工作基本属于单独短效，而基坑监测具有很强的连续性，监测过程贯穿整个施工阶段，持续对基坑形变量进行观测。并且伴随着较强的现势性，只有频繁更新，提高测量数据的现势性，基坑监测数据才有意义。
5.2 精确性
基坑监测时，水准测量高差闭合差和水平闭合导线角度闭合差要求小，所以，对仪器的精度要求较高，基坑监测人员测量时应严格按照测量规范进行测量，根据基坑深度控制闭合差范围，闭合差过大时应及时重新测量。由于基坑形变量一般较小，且导线长度较长，所以，计算水平坐标增量时应考虑导线的全长相对闭合差，并计算坐标增量的改正值。
5.3 相对性
基坑形变量是相对于监测点与基准点之间的导线偏移量，只需保证相对方位角的精度，通过方位角与距离一样可以进行测算，免除了测量仪器的限制。但应在整个监测期间使用同一种仪器，避免因仪器不同而产生机械误差，导致测量结果超限。
5.4 协调性
相对于传统监测模式，三维激光扫描技术、近景摄影测量技术、BIM技术等新兴技术能够直观、完整地记录基坑整体形变情况，避免了因沟通不及时、不完整而导致的错误。也能通过直观的基坑形变成果影像资料，向相关方进行展示与规划，对基坑监测方案进行有针对性、可操作性修改。
基坑监测是深基坑施工安全的关键，影响着整个施工过程。随着时代的发展，基坑监测技术越来越成熟，保证基坑监测技术的先进性、信息性和经济性，才能更好地为工程建设服务。
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