RTK结合全站仪法在超深基坑复杂条件下的应用

RTK结合全站仪法在超深基坑复杂条件下的应用

谭震华

云南得旗建筑工程有限公司,云南 昆明 650224

摘要：某综合交通国际枢纽建设项目基坑土方工程，基坑面积大、基坑开挖深度大，土方开挖量大约100W立方米，由于基坑支护采用钢筋混凝土内支撑结构，导致50%以上基坑土方开挖施工作业面处于支撑梁投影面以下，梁下土方开挖施工复杂，同时开挖过程土方工程量测量难度较大。土石方工程作为各类工程项目的初始的第一项重要分部工程，其数据准确度和工期要求显得尤为重要。传统的土方测量工作是采用先挖后算，根据取运土量计算，精度极低存在很多人为因素的影响，且开挖过程中开挖工程量不可控。

本文运用实际施工案例，利用GPS-RTK技术结合全站仪技术测量准确地面点数据，再结合计算机辅助土方计算软件（南方CASS），在面对开挖面积大、开挖深度大的基坑土石方工程中，探讨如何在土方施工过程中可以迅速得到土方工程量数据，同时也可在基坑开挖过程中配合各种施工工艺及功法要求，随时测算准确的开挖土方数据，减少人为干扰，为整个工程施工安排，工期缩短，提高工程质量提供关键作用。

关键词：深基坑；钢筋混凝土内支撑；全站仪；土石方量；DTM法；方格网；南方CASS

1、工程概况

1.1主体建筑结构概况及基坑规模

（1）本项目主体建筑包含4栋高层住宅塔楼、2栋超高层塔楼，裙楼为5层/7层商业体。普遍设3层地下室，局部与6号线东郊路站相接侧地下室为2层，采用桩筏基础。

（2）基坑支护简介：

基坑总面积约为56467m2，基坑总长约1084m。基坑分为A、B两个区，其中A区基坑面积为56110.3m2，开挖深度17.7~20.5m；B区基坑面积为848.1m2，开挖深度13.35m。该项目属深基坑工程，基坑支护结构安全等级为一级。

基坑支护设计方案采用“灌注桩+盆式开挖、双排桩（被动区加固）、悬臂桩支护、放坡护面”的支护型式。基坑普通区域采用1000mm厚地下连续墙，西侧靠近医院及多栋多层居民楼侧采用1200mm厚地下连续墙，地下连续墙混凝土设计强度等级均为C30（水下浇筑，混凝土等级提高一级）。

A区基坑普遍竖向设置三道钢筋混凝土水平支撑，西侧靠近禽蛋公司宿舍区域在地下连续墙冠梁处增设一道水平角撑和一道竖向斜抛撑，西侧靠近医院区域在地下连续墙冠梁处增加一道竖向斜抛撑。

1.3环境概况

拟建项目用地基坑南侧为在建地铁6号线及其附属设施、盾构区间隧道，东侧为在建地铁4号线及其附属设施、已建清水河改造工程，北侧为河道，西侧为医院和多栋多层老旧居民楼。

本工程场地地处市中心，场地周边建构筑物多，环境较复杂。

基坑工程同时邻近两条地铁车站、出入口及区间隧道，为本工程基坑实施阶段的重点保护对象。西侧医院、多层住宅楼等建筑，距离基坑均较近，也须重点保护。

2、RTK结合全站仪进行高程数据采集

2.1全站仪测量技术

“全站仪”全称为“全站型电子速测仪”(Elec—tronic-Tachometer-Totolstation)通常又称为“电子全站仪”或“电子速测仪”。全站仪是一种把测距、测角和微处理机等部分结合起来形成一体能够自动控制测距、测角、自动计算水平距离、高差、坐标增量等的测绘仪器，同时全站仪可自动显示、记录、存储和数据输出，全站仪又因其实现了测距的发射轴、接收轴与望远镜视准轴三轴共轴的结构，更适合于对移动目标及空间点的测量，可方便快捷地进行操作。

另外全站仪通过传输接口与计算机、绘图仪连接起来，配以数据处理软件和绘图软件，可以实现测图的自动化，并具有坐标放样和自由建站等特点，最新型号全站仪具备无线通信能力，测量过程中可以与笔记本电脑实时交流数据。在利用全站仪进行土方测量时，主要是利用全站仪的高差测量功能，利用所测高差计算特征点位的高程，从而进行土方量的计算。

2.2GPS-RTK测量技术

RTK(Real-Time-Kinematic)技术就是载波相位差分技术，是建立在实时处理两个测站的载波相位基础上的。基准站通过数据链实时将采集的载波相位观测量及测站坐标信息一同发送给流动站，流动站接收GPS卫星的载波相位与来自基准站的载波相位。并组成相位差分观测值进行实时处理，同时通过输入的相应的坐标转换参数和投影参数。能实时给出流动站的三维坐标及精度。

RTK技术是GPS测量技术发展中的一个新的突破。具有定点速度快、误差不积累、节省人力、作业效率高等特，广泛应用于工程测量、数字化测图等领域。

近年来网络RTK新技术的运用，比如城市CORS系统的建立、双星甚至三星系统的运用，RTK的精度也越来越高，作业半径越来越大，极大的增加了工程测量效率。RTK技术有着极其多的优点，实时，快捷，但其受高耸建筑物、构筑物遮挡导致卫星信号不佳是其致命缺点，特别在内支撑基坑内测量时，信号差基本无法取得固定解，所以一般情况下还需要结合全站仪作业。

2.3基坑土方高程数据采集

在某综合交通国际枢纽建设项目基坑土方工程，第一层支撑梁以上土方开挖过程中，由于场地空旷，四周无高楼遮挡，卫星信号稳定，可直接使用RTK很采集到合适密度的高程数据。

但是在第一层支撑梁以下土方开挖过程中的测量，由于支撑梁对卫星信号的遮挡，信号差，RTK无法取得固定解，此时就需要配合使用全站仪。首先要检测RTK的精度，方法是利用RTK检测附近5公里范围内的高等级控制点，满足精度规定后即可开始测量。其次是控制点布设，选择在卫星信号良好的地方利用RTK根据测区的大小和形状布设，同时控制点建要具备通视条件，保证全站仪测量的方便。最后架设全站仪对支撑梁投影面以下的土方开挖面进行三角高程测量。

为保证测量效率，可在同时在A、B区域支撑梁大圆环中心区域无遮挡范围内，根据RTK卫星信号强度，利用RTK进行高程数据采集。

RTK与全站仪在数据采集过程中必须保证各项误差参数满足规范要求，利用三脚架稳定进行控制点采集，必须在固定解情况下存储，并平滑多次（大于10次）测量取平均值。测量过程中要注意特征点的采集，各种起伏，高低突变等都是重要的特征点，如果采集过程中不注意这些特殊意义的点，测量数据导入计算机后采用CASS软件生成三角网时就会严重失真，导致土方计算数据与实际值出现较大偏差。

3、基坑土石方工程量计算

3.1计算方法

目前用于土石方工程量计算的方法很多，其中普遍使用的有方格网法、DTM法、断面法、等高线法四种。这些方法都有各自不同的特点和适用范围，如方格网法适用于平整的场地、DTM法适用于地形起伏较大的场地、断面法适用于道路、管道等陕长带状地形、等高线法适用于山地等。

内支撑深基坑开挖过程，为保证土方开挖后，侧向土压力平稳传递至支护结构，开挖除了分层分段开挖外，还必须对称开挖，且在部分重点区域要预留反压土，以避免基坑土方开挖卸载后，土体反弹隆起，基坑支护失稳。因此，所测的开挖面起伏高错落差均比较大，根据各个土方计算方法的特点，在本基坑土方测量中采用DTM法计算的数据更为精确，和实际土方工程量更为一致。下面以DTM法为例论述土石方量计算的原理和在本工程中的实际应用。

3.2 DTM法土石方量计算原理与方法

DTM法计算土石方工程量，实际上是根据两组测定的地面点坐标（X，Y，Z），通过生成三角网来计算每一个三棱锥的填挖方量，最后累计得到指定范围内填方和挖方的土方量，并绘出填挖方分界线。

不规则三角网(TIN)，利用实测地形碎部点、特征点进行三角构网，对计算区域按三棱柱法计算土方。相对于规则格网，不规则三角网具有以下优点：

1、三角网中的点和线的分布密度和结构完全可以与地表的特征相协调，直接利用原始资料作为网格节点。

2、不改变原始数据和精度。

3、能够插入地性线以保存原有关键的地形特征。

4、能很好地适应复杂、不规则地形，从而将地表的特征表现得很真实等。因此利用DTM法计算算出的土方量就大大提高了计算的精度。

因此采用构件三角网来计算土方工程量的DTM法在运用于地形起伏较大的场地土方工程量计算时具有更高的进度，计算数据更为接近实际施工情况。

根据案例基坑土方和整体施工要求，基坑内施工过程中，土石工程量采用DTM计算二期间土方量（即两次测量数据间土方工程量）法进行计算。

DTM法土方计算中首先需要建立DTM，我们可以利用南方CASS软件直接生成。利用测量数据生产三角网，共有两种方法，一种是由坐标数据文件计算生成，一种是依照图上高程点进行计算生成。在CASS软件中采用第一种可直接在图中构建三角网，并且在数据文件夹中直接生成后缀.sjw的三角网文件，便于后面计算使用。

生成三角网面后，应检查与地面符合的程度，直接关系到土方量计算的精度，应确保三角网面与地面尽量接近，这样就需要我们的测量数据与地形地貌保持一致，另外，有时还需要对一些特殊地貌进行三角网调整，一般采用三角网重组和三角网内插，主要是在等高线遇到地物断开和陡坎地带。在点位稀疏部分根据等高线值人工采集一些点加入采集的数据中，以提高计算的精度。删除等高线与地形、地貌不一致部分的三角网删除与原貌不符合的三角网，然后就是三角网进行土方量计算（在CASS软件中内置了计算公式，在完成三角网构成后可直接计算的出结果），计算公式如下：V=（Z1+Z2+Z3）S3/3

3.3运用南方CASS软件DTM计算土方

采用人工方式计算土方量效率低下，在本工程案例里面，测算面积大，数据多，因此采用目前最常用的土方计算软件南方CASS，南方CASS是在最优秀图形与设计平台AutoCAD的基础上进行开发的，数据输入、计算、成图非常方便，是土方计算是其辅助功能之一。通过借助计算机和通信技术发展，无需抄录转换测量点数据，可直接从测量仪器中导出至软件直接使用，计算过程简单，计算速度快，计算无误差。

采用CASS软件计算基坑过程开挖土方时采用DTM两期间土方，通过以上建立DTM的步骤，分别对两期测量数据进行三角网构建，并分别命名保存三角网文件然后在工程应用菜单里面选择DTM法土方计算中的两期土方计算，分别选取之前保存的两期数据生成的三角网文件后，计算机便直接生成计算结果，计算过程文件为dtmtf.log，在CASS文件目录下demo文件夹里。

通过DTM得到填挖方量，完成土方工程量的计算。可得本期土方开挖工程量为挖方115807.2立方米，填方139.5立方米，由于基坑开挖过程的复杂性，会存在多次场内转土倒运的情况，因此在计算过程中会出现填方数据，我们采用挖方数据减去填方数据的得到的便是两期测量间土方开挖的准确工程量，即115807.2立方米-139.5立方米=115667.7立方米。

4、存在的问题与误差分析

4.1测量数据误差问题

RTK结合全站仪是目前深基坑内比较实用高效的过程土方开挖测量方法。在测量过程中为确保数据的精度，在利用RTK进行控制点测量前后都必须进行高级点位检测，测量过程中必须确保仪器对中，整平达到规定精度，而且确保测量中没有震动影响。

控制点测量完成后应使用全站仪对控制点进行闭合误差检测，确保控制点符合规定的精度。全站仪在支撑梁下架站后，进行碎部点高程采集的过程中，每一个地面测点一定要照准棱镜中心，花杆一定要竖直，这样测出来的数据才能符合精度要求。

4.2土石方计算方法问题

DTM法计算土方量精度较高，计算繁琐，虽然由于采用CASS软件，计算过程由计算机完成，节约了大量时间，但CAD图中生成的计算结果存在大量重叠不便于同对相应生成的dtmtf.log文件进行复核，因此主要适用于高差较大以及高程突变的小范围地区，由于范围较小，CAD图中生成的图形重叠较少，可轻易区分每个三角形内的数据并进行复核。

而在面积较大且测量开挖面平坦区域我们还是以方格网法为主要计算土石方量的方法，在条件具备的情况下我们可以结合采用这两种方法，在大面积平坦区域采用方格网法，例如基坑内土方开挖时，为下道施工工序开挖平整提供工作面的场地。而在分台、放坡、开挖坑槽、预留反压土等区域单独划分采用DTM法。在这样不仅可以提高精度，又可以减轻工作量，同时也方便对土方测算成果可有效直观的进行复核。

4.3误差分析

RTK结合全站仪技术结合某些计算软件计算土方量已经在很多土石方工程量项目中运用并取得了良好的经济效益和社会效益，它充分发挥了测量技术和计算机软件的优点，提高了计算精度，我们对比过这种方法计算的土方量和实际挖土折算量的误差，完全可以控制在允许误差范围内。

5、结论

通过利用GPS-RTK技术结合全站仪技术测量准确地面点数据，结合计算机土方计算软件（南方CASS），同时分析了各种土方计算方法优劣，并运用于综合交通国际枢纽建设项目基坑土方工程施工过程中。在案例项目土方施工过程中随时可测算出土方外运数据，有效的为开挖区域划分优化，机械人员调配优化提供了有力的数据支持，再结合测算期间运输车辆统计数据，为土方成本控制同样提供了有效准确的支撑。

参考文献

【1】张正禄，工程测量学[M]武汉：武汉大学出版社，2005。

【2】潘正风，程效军，等数字测图原理与应用[M]武汉：武汉大学出版社，2004。

【3】乔仰文，赵长胜，GPS卫星定位原理及其在测绘学中的应用[M]2版北京：教育科学出版社，2003。

【4】刘大杰，施一民，全球定位系统(GPS)的原理与数据处理[M]上海：同济大学出版社，1999

【5】CH/T2009-201.全球定位系统实时动态测量（RTK）技术规范[S].中华人民共和国测绘行业标准，2010。

【6】倪晓东.南方地形地籍成图软件CASS9.2参考手册[Z].广东南方数码科技有限公司，2014（2）。