第气毒箸２奇１年月ＶｏＬ．Ｏｃｔ２０１２１１１００２．ｏＮ．‘６交通工程测量技术研讨交流会论文集
自然放坡深基坑工程变形监测设计
李玉宝，王建锋，许立苑
（东南大学北极测绘研究院有限公司，江苏南京２１０００８）
摘要：基坑挖掘施工是土建工程的重要环节，也是劳动安全与社会公共安全监管的重点。在深基坑开挖过程中，影响基坑稳定性的因素非常多，且具有不确定性，这就使得贯穿基坑施工全过程的实时监测预报工作在基坑施工中不可或缺。对基坑工程施工过程进行变形监控是消除基坑工程事故，保障施工安全的重要途径。本文主要以具体项目深基坑开挖工程为例，对用自然放坡代替支护结构进行了安全监测的设计以及进行了土坡稳定性分析。并且对在护坡上变形监测采用全站仪配合固定反光板进行三维测量的方法进行分析和讨论。
关键词：深基坑；变形监测；支护；支撑；放坡；高程导线
１引论
为了获取更大的空间，城市建设的趋势设计向空中和地下拓展。所以不管是交通建设、还是民用建设，将有许多伴随相应深基坑的挖掘的工程。研究深基坑以及相关的地下工程挖掘建造中的变形监测，对于保证工程的质量、工程的顺利进行、验证工程的设计以及为以后的类似工程提供宝贵的经验具有重要的意义。
＜建筑基坑工程监测技术规范》规定：开挖深度大于５ｍ或开挖深度小于５ｍ、但现场地质情况和周边环境较复杂的基坑工程以及其他需要监测的基坑工程应实施基坑工程监测。
基坑的设计开挖形式大致分为：①无防护体系的自然挖掘的基坑（地质条件好，小规模、较浅）；②有支护体系、自然放坡的基坑（地质条件尚可，规模较大的深基坑，周边原有的建筑物较少。基坑影响的风险较小）；③有支护体系的基坑（地质条件较好，规模不大、较浅）；④有支护体系和支撑体系的基坑（地质条件不好，规模较大的深基坑）。
２拉坡的土坡的稳定性分析及监测点布设
基坑的拉坡施工的设计方案，由于土体受重力以及众多地质条件和环境的因素的影响，从理论上存在不稳定的问题，因而应加以分析后，有助于监测点的布设。２．Ｉ粘性土坡稳定性分析
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图ｌ１・影｜Ｒ均质土坡的整体圆弧滑动
２．１．１瑞典圆弧法
（１）基本假设：均质粘性土坡滑动时，其滑动面常近似为圆弧形状，假定滑动面以上的土体为刚性体，即设计中不考虑滑动土体内部的相互作用力，假定土坡稳定属于平面应变问题。
（２）基本公式：取圆弧滑动面以上滑动体为脱离体，图ｌ所示，土体绕圆心０下滑的滑动力矩为Ｍｓ＝Ｇａ，阻止土体滑动的力是滑弧三上的抗滑力，其值等于土的抗剪强度Ｔ，与滑弧ＡＣ长度Ｌ的乘积，故其抗滑力矩为Ｍ。＝下，ＬＲ
安全系数Ｋ＝抗滑力矩／滑动力矩＝可Ｍａ＝！譬＞１
式中：Ｌ为滑弧ＡＣ为弧长；Ｒ为滑弧半径；ｏｒ为滑动土体重心离滑弧圆心的水平距离。
该法适应于粘性土坡。所以当坡度较小、拉破较长时，对于基坑的稳定比较有利。
２．１．２直接重力分析
当坡度不大时又不具备滑坡条件时，放坡的土体基本处于重力的受力状态，其自身的巨大质量和稳定性又可抵偿基坑四周侧墙的内向应力的破坏作用。
放坡开挖基坑时，一般应对放坡开挖的边坡作稳定性验算，大多采用极限平衡法来计算边坡的抗滑安全系数，即在斜坡的断面图中绘一滑动面，如图２所示，算出作用在该滑动面上的剪应力，并以此剪应力与滑动面上抗剪强度相比较，从而确定抗滑安全系数Ｆｓ。
第２集李玉宝等：自然放坡深基坑工程变形监测设计
坡顶！！！！：
图２土体稳定性计算示意图
对于无粘性土，取一小滑块，坡角为Ｂ，其重量为ｗ，土的内摩擦角为‘Ｐ，则小滑块的重量在垂直和平行于坡面方向的分力分别为：
Ｎ＝Ｗ・ｃｏｓＢ
Ｔ＝Ｗ・ｓｉｎｌ３（１）（２）
与坡面平行的分力Ｔ将小滑块Ｍ向下滑动，而由垂直于坡面的分力Ｎ引起的摩擦力Ｆ阻止小滑块下滑，称之为抗滑力，则：
Ｆ＝Ｎ・ｔａｎｇｏ＝Ｗ・ｃｏｓ［Ｂ・ｔａｎｑ）（３）
（４）”’Ｆ；一Ｆ：里二型巫业：望业・２Ｔ２—可葛面一２蕊
坡角等于土体的内摩擦角，与坡高Ｈ无关，只要Ｂ＞‘Ｐ，Ｆ．＞１，土体就是稳定的。
２．２点位布设由上可见，当土的内摩擦角与坡角相等时，Ｆ．＝ｌ，边坡处于极限平衡状态。因此，边坡极限
基坑的挖掘范围和土建工程项目的平面位置相距一定的距离，期间的土石方不全部挖掉，二是保留一定坡度原生土方，这就是放坡。如图１所示。放坡的目的是使因基坑挖掘而造成土力失衡得到缓解和减弱，避免基坑四周土方的坍塌。适用于地基工程地质较好、开挖深度不深，以及对周边工程环境影响要求不高的工程。该项技术可使支撑工程的费用大大地降低、同时也减少了工程的复杂程度，有利于工程效率。
图３中，仪器测站设置于基坑两侧的安全地带，如测站位于Ａ处时，观测对面的监测点；测站位于Ｂ处时，则观测相反对面的监测点。测站设置在条件允许的情况下最好采用仪器墩、实施全站仪强制对中。可获得更好的测量成果。如观测墩长期存在会影响工地其他工程环节的施工时，也可采用埋设地面标志做法，更切合实际。
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图３基坑拉坡剖面示意图
土坡完成后应及时在坡面进行拉网喷浆，形成土钉墙，土钉墙用钢筋网格（如图３）、采用高强度水泥砂浆进行混合喷射浇筑，必要时还要布设“锚根”部件，已形成结构更为牢固的土钉墙，土钉墙坡面喷混凝土一般为１００ｒａｎｌ厚，如图４所示。这样做的目的一是使放坡的土体具有良好的整体性和凝聚性，更好地抵御向基坑内测的、不利于基坑稳定的单向的内部应力；－－是防止雨水或其他因素造成的土体流失，从而对工程产生的破坏作用。
坡面变形监测点设置如图５，具体方案：从坡面中线最中间（最弱点）处和向两侧对称设置点位，形成５个监测剖面，横向点距约为２０ｍ，纵向点距约为４０ｍ。这种布设有利于对变形的合理分析和判断。所布设的监测点是沉降和水平位移两种观测的共用点。（图中的圆圈点表示监测点示意图）。
图４拉网喷浆网格示意图图５坡面监测点设置略图
２．３在拉坡上的变形观测（全站仪三维测量）
在该基坑工程建设中，变形监测是其重要的工作内容。实际的工作中，采用的是自然放坡的支护形式，在拉网喷浆后的放坡上布设的变形观测点，由于坡度较大、很陡，测量员直接到达点位进行测量作业将是非常困难和危险的，这就给变形观测带来了很大的不便。在这种情况下采用全站仪三维测量的方法，设置固定在测点处的反光板作为目标，以配合
第２集李玉宝等：自然放坡深基坑工程变形监测设计‘１１７・一定的测量模式，无须每次人工设置目标的常规做法，实现对这些特殊点位的变形观测。
监测点设置反射的合作目标与采用的仪器类型有关系，如采用常规的全站仪，必须设置能反射电磁波的标志，如采用免棱镜的全站仪，则可只设置能供瞄准的几何目标即可。
在以后预测的观测周期内重复观测监测点的坐标和高程。通过数据的比较，来判断监测对象的变形情况。
２．４测距高程导线测量方法和精度分析
２．４．１测距高程导线测量方法
如图６所示，从高程测量的角度考虑，中点设站法测距高程导线测量的示意图。
中间设站法是将测距经纬仪置于基点和测点之间０，先照准基点上的棱镜，并观测竖直角和测距，然后再照准测点（方法相同）。
参照图７，计算得到的是测站至基点和目标测点的单向高差为：
ｈ基测２ｈｏｍ—ｈｏ基：（ｓ舅８ｉｎ仅翻一Ｓ基８ｉｎｔｘＮ）＋牮［（ｓ舅ｃ。吣嗣）：一（８基ｃ眦墓）：］＋（ｔ基一ｔ舅）（５）通过分析可知，在相邻的观测中，公式（５）右端后两项具有很强的相关性，在变形值的计算中，会作为系统性的误差或常数自动抵偿，对于最后的变形值不会造成影响。
２．５数据处理和精度分析
从平面和高程两个方面来考察其数据处理和必要的精度分析。
测量友自－
圈６中点设站法测距高程导线示意图
２．５．１平面位移的数据处理和精度分析
根据相邻两次测量的坐标，计算坐标变形值，即：
８ｘｉ＝ｘｉ奉一ｌ上
８Ｙｉ２Ｙｌ＊一ＹＩＸ．（６）则点的平面位移的距离值为：８ｓ＝∥孺（７）
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位移的方位为：ａ；＝ｔｇ一１羔＋（ｏ。，１８０７，３６０”）（８）根据坐标变形值的符号确定位移的象限，进而确定括号内需加的数值。
对以上的方法的精度，还需要进行必要的讨论和研究。以得到在测量手段与常规的方法改变的情况下，通过一定的措施，仍能得到可靠地结果。
监测点的坐标实际上是以极坐标方法测量的，点位的精度与测角、测边、定向、仪器对中等方面的误差有关系。考虑到工程坐标系的特点（坐标轴线与基坑的轴线平行或重合或正交），以本基坑监测的工程为例，如采用的全站仪为Ｊ：和±（２＋２ｐｐｍＤ），则有：
ｍｘ＝±（２＋２ｘ０－９）＝±２・２姗１
ｘ９００００＝±１・２ｍｍｍｙ＝±乏石Ｌ丽．Ｏ２ｇ－Ｊ｝（９）
上式中的２．８”是考虑到定向误差，极坐标法水平角观测一个测回时，被监测点的方向误差。９０ｍ数据是采用现场基坑长度一半的距离来参与精度的估算。相关的规范规定，二级基坑的监测点位的坐标中误差不超过±３ｍｍ。显然（９）式的精度估算值是合格的。所以在监测前要选择好合适的仪器和适宜的监测等级。
２．５．２垂直位移的数据处理和精度分析
在每一周期的观测点的高程都按（５）式计算，而在本周期的变形值则按下式计算：
６ｈ变２ｈ基测奉一ｈ基舅上
＝（Ｓ舅ｓｉｎａ—Ｓ基ｓｉｎａｉ）本一（Ｓ测ｓｉｎａｍ—Ｓｔｓｉｎａｉ）上
ｃｏｓａＮ）２－－（Ｓｉ＋（譬［（ＳＮｅｏｓａ∥］＋（ｔｔ－ｔｍ））土一｛警［（ＳｍＣＯＳＯｔ护２（Ｓ基ｃｏｓａ∥］＋（ｔ基－ｔｍ））．（１０）
如果在每一个周期的变形观测过程中，都按照“同仪器、同测站、同时间、同人员”的“四同原则”测量；同时在工作基点应用相同的棱镜高度（实际工作中测点直接照准反光板，故镜高都是０；将棱镜直接放置在基点上，而工作基点的镜高是棱镜直径的一半）；在相近的工作环境下，前后视折光差的差Ｋ基一Ｋ＿是一致的；还有一些相关的诸如正常水准面不平行改正、垂线偏差改正等都是具有很强的相关性的系统误差。所以按（１０）式计算的变形值中，各次的相关误差都得到了很好的抵偿，则计算可简化为：
６ｈ变＝（Ｓ＿ｓｉｎａ＿一Ｓ基ｓｉｎａ基）奉一（Ｓ舅ｓｉｎａ＿一Ｓ基ｓｉｖａ基）上
上式是实际应用的简化形式，非常方便，高程变形值的精度是很高的。（１１）
要使得变形值达到足够的精度，在严格执行“四同原则”的前提下，由式（５）得影响Ａ点的
第２集李玉宝等：自然放坡深基坑工程变形监测设计。１１９・两程梧度的误差主要采源于竖直角Ｏｔ、距离Ｓ以及大气折光系数Ｋ。对（１０）式取全微分线性化处理并按误差传播定律，得出：
ｍ；旷（ｓｉｎ２仪ｎ２＿＋８ｉｎ２ａＮｍ２Ｉ＋ｓ刍ｃ。ｓ２仅捌≯＋ｓ玺咖２ａ基坠ｐ＇２、Ｊ本
＋（８ｉｎ２ａｍｍ；ａ＋ｓｉｎ２ａｌｍ２Ｉ＋ｓ刍咖２ａ嗣≯＋ｓ釜哪２ａ基≯）上（１２）现取垂直角的概略值％、边长概略平均值Ｓ。，因测量时前后视边长都是较短的边长，故边长的测量精度为ｍ由，垂直角的精度为ｍ柚，则（１２）式可化为：
ｍｚ一＝４ｓｉｎＺａｏｍ二椭ｏｃ０２ｓ２‰尹ｍ２
关的技术参数，定量地估算出变形值的精度，再根据精度要求选用适宜的仪器和测回数。（１３）上式为全站仪测距高程导线法边坡围护系统沉降监测精度估算的一般的公式。可根据有
３工程应用
关于有支护体系、自然放坡的基坑深基坑工程开挖过程中变形监测的讨论，结合具体的工程应用比较容易理解和方便。现结合・・市新经济产业园区的一个深基坑工程来讨论。
３．１工程项目概况
本基坑项目开挖面积约为１．９万平方米。本工程基坑开挖最深处约为９．７米。基坑一层坑口尺寸、二层坑口尺寸等见图１所示。
图７基坑平面图（标长宽尺寸．单位：ｍ）
该基坑属于有支护体系、自然放坡的基坑（地质条件尚可，规模较大的深基坑，周边原有的建筑物较少，基坑影响的风险较小）。
采用该种类型的基坑挖掘方法，可节省工程经费。考虑到基坑周边环境和工程地质条件，采用自然放坡的形式进行基坑支护施工。基坑工程
・１２０。交通工程测量技术研讨交流会论文集第６卷一层地下室侧壁安全级设计为三级，二层地下室侧壁安全级设计为二级。
３．２变形监测的项目内容
在经过现场踏勘和充分理解设计资料的基础上，根据本基坑工程设计要求、施工工艺、施工流程的特点和施工分区，并结合监测经验，在本基坑施工中的主要监测内容分别如下：
①支护结构水平位移监测；②支护结构垂直位移监测；③深层水平位移监测；④基坑外侧水位监测。
３．３监测点的布设
变形监测点的布设，一般按以下要求，应设在规定的断面上；但在地表面或管线监测中，也可以设在能反映变形特征的位置上，点位要便于观测和保存。在特殊情况下，监测点的个数可增减。水位孔采用钻孔埋设，在基坑止水帷幕施工后埋设。
３．６报警值
监测值的控制标准原则上应由设计方提供，根据以往监测过程中积累的监测经验：竖向位移３—４ｍｍ／ｄ、水平位移２—３ｍｍ／ｄ。
３．７监测频率
施工过程中的监测频率，将视施工进展和监测结果的变化情况确定，本工程支护结构水平（垂直）位移、土体深层位移、基坑外侧水位监测频率其具体监测频率一般：基坑开挖初期（挖深小于３．０ｍ），每隔１－２天监测一次；基坑挖深超过３ｍ时，每隔ｌ天监测一次；基坑开挖接近坑底及挖到底标高后一周内，每天监测一次；基础底板施工期间，每隔ｌ天监测一次；基础底板浇筑完毕后，每隔２—３天监测一次。特殊情况再作调整。
４结语
自然放坡作为深基坑挖掘工程的支撑支护体系元素，是在条件比较适合的情况下的基坑挖掘技术，该技术的应用可大大提高工程的效率。本文结合具体的工程所探讨的问题，提出了一些新的观点和具体的方法，对于以后相类似的工程有很好的借鉴和对于变形检测的理论和实际工作有一定的价值。
参考文献
［１］潘国荣．土木工程变形监测［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版社，２００５
［２］ＧＢ５０４９７－２００９建筑基坑工程监测技术规范［Ｓ］．北京：中国计划出版社，２００９
作者简介：李玉宝（１９５３一），男，山东济南人，副教授，主要从事有关测绘工程学科教学和应用的研究工作。地址：江苏南京市进香河路３５号东南大学交通学院测绘工程系北极测绘院手机：１３９５１８２９６０６Ｅｍａｔｌ：ｌｉｙｕｂａ彻ｊ＠１２６．咖