沉降变形观测水准测量等级选择及精度评定

沉降变形观测水准测量等级选择及精度评定

1、目的

（1）在技术设计中，根据竖向位移监测精度、沉降观测精度要求，选用合适的的水准测量等级。

（2）在施测过程中，判断观测数据质量是否符合监测精度要求。

2、规程规定

竖向位移监测可采用几何水准的方法。

围护墙（边坡）顶部、立柱、基坑周边地表、管线和邻近建筑物的竖向位移监测精度应根据其竖向位移报警值按表1确定。

表1 竖向位移监测精度要求（mm）

竖向位移

报警值	累计值S （mm）	S＜20	20≤S＜40	40≤S＜60	S＞60
	变化速率vs（mm/d）	vs＜2	2≤vs＜4	4≤vs＜6	vs＞6
监测点测站高差中误差		≤0.15	≤0.3	≤0.5	≤1.5

注：监测点测站高差中误差是指相应精度与视距的几何水准测量单程一测站的高差中误差。

3、理论计算

测站高差中误差是直接评定观测作业质量的指标，是在平差前进行的粗略评定。其计算方法为：

（1）按照水准网环线闭合差

其中：

N闭合环数，一般应大于20个。

n闭合环测站数。

ω环线闭合差。

（2）按照测段往返高差不符值

其中：

N往返测段数。

n测段测站数。

Δ测段往返高差不符值，单位为毫米（mm）。

（3）每千米水准测量的偶然中误差计算公式

其中：

n测段数。

R测段长度，单位为千米（km）。

Δ测段往返高差不符值，单位为毫米（mm）。

（4）每千米水准测量的全中误差计算公式

其中：

N水准环数，一般应大于20个。

F水准环周长，单位为千米（km）。

W经过各项改正后的水准环闭合差，单位为毫米（mm）。

（5）水准测量精度

根据《国家一、二等水准测量规范》和《国家三、四等水准测量规范》，每千米水准测量的偶然中误差和每千米水准测量的全中误差不应超过表2规定。

表 2 水准测量精度

单位为毫米（mm）

测量等级	一等	二等	三等	四等
	0.45	1.0	3.0	5.0
	1.0	2.0	6.0	10.0

（6）由于每千米的测站数量根据等级水准的视线长度可以大致推算出来，见表3。

表 3  视线长度与测站数

单位为米（m）

测量等级	一等	二等	三等	四等
视线长度（S）	≤30	≤50	≤100	≤150
单站长度	≤60	≤100	≤200	≤300
每千米最少 站数	18	12	6	4

注意区分上述公式中，同样的其含义不同，但根据测站数量与公里数的关系，设定1千米为一个测段，设定测站均匀，则可以推算出测站高差中误差与每千米偶然中误差的关系。

由表 2、表 3推算等级水准的测站高差中误差为：

表  4  等级水准的测站高差中误差表

 单位为毫米（mm）

测量等级	一等	二等	三等	四等
	0.45	1.0	3.0	5.0
每千米最少 站数	18	12	6	4
测站高差 中误差	0.11	0.29	1.22	2.50

《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007）条文说明中，有根据单程观测测站高差中误差计算公式，以国家水准测量规范规定的一二三等水准测量每公里往返测高差中数的偶然中误差为依据，其公式为：

其中：

  单程观测测站高差中误差，单位㎜。

等级水准每千米往返高差中数的偶然中误差，单位㎜。

S 建筑变形测量规范规定的各级别水准视线长度，单位m。

表  5  建筑变形一二三级沉降观测精度指标计算

等级	（mm）	S （m）	换算的值 （mm）	取用值 （mm）
一级	0.45	30	0.16	0.15
二级	1.0	50	0.45	0.5
三级	3.0	75	1.	1.5

特级精度的建筑变形沉降观测，以DS05水准仪单程观测每测站高差中误差的经验公式为：

其中：

S 为视线长度，且S≤10m。

计算 ≤0.054㎜，取0.05㎜作为特级精度指标。  

根据表1竖向监测精度的要求，从表 4的测站高差中误差表选择应使用的水准测量等级如表5。

同理，根据《建筑变形测量规范》，按照上述思路，由建筑物变形观测的等级也可以进行水准测量等级的选择，见表 6。

有了这样的理论计算，可以根据竖向位移报警值选用水准测量的等级。避免选用的等级过低造成观测数据不合格的问题。

由于在实际作业过程中，测站数量往往是理论值的四至五倍，表 4中的高差中误差可以减少一半，但不足以降低水准等级标准。

表  6   水准等级选用表

竖向位移

报警值	累计值S （mm）	S＜20	20≤S＜40	40≤S＜60	S＞60
	变化速率vs（mm/d）	vs＜2	2≤vs＜4	4≤vs＜6	vs＞6
监测点测站高差中误差		≤0.15	≤0.3	≤0.5	≤1.5
选用水准等级		一等	二等	二等	三等

表  7  建筑变形等级精度及水准等级选用表

等级	特级	一级	二级	三级
观测点测站高差中误差 （㎜）	0.05	0.15	0.5	1.5
视线长度（m）	≤10	≤30	≤50	≤75
选用水准等级	一等	一等	二等	三等

注：应按表中规定的视线长度观测。

4、实测数据验证

使用清华山维NASW2000，分别以测站定权、以路线长定权进行测算，得到的观测值中误差应分别为测站高差中误差和每千米水准测量的偶然中误差。

（1）以测站数定权的测站高差中误差

表8  闭合差统计表（以测站数定权）

单位为毫米（mm）

序号	闭合差	权倒数 （站数）	观测值中误差 （测站高差全中误差）	限差	闭合环中的点号
1	-0.2	2	0.177	0.849	10-9-10
2	-0.05	2	0.177	0.849	A7-A6-A7
3	0.85	10	0.177	18.97	6-7-8-9-  II1-A6-5  -6

测站高差中误差的计算过程：

由于软件是按照水准环准闭合差测算的全中误差，因此计算结果为：

（2）以路线长定权的每千米水准测量的全中误差

表  9 闭合差统计表（以水准路线长度定权）

单位为毫米（mm）

序号	闭合差	权倒数 （段长度）	观测值中误差 （每千米水准测量 全中误差）	限差	闭合环中的点号
1	-0.2	0.06	1.032	1.46	10-9-10
2	-0.05	0.04	1.032	1.20	A7-A6-A7
3	0.85	0.29	1.032	3.25	6-7-8-9-  II1-A6-5  -6

观测是以三等水准观测的，计算也以三等水准计算，限差按照中误差的三倍。从计算结果看，每千米水准测量全中误差1.036㎜，符合三等水准每千米水准测量全中误差6㎜的要求。

推测测站高差全中误差为，虽然较按照测站数定权计算的测站高差全中误差大，但也符合监测精度要求。

以监测精度0.3㎜至0.5㎜选择二等水准，但实际采用三等水准也达到了精度要求。原因有两个：一是采用数字水准仪，没有读数误差的影响，提高了测量精度；二是，测站距离短，平均每站只有28米，导致测站数的增加，在同样的精度下，测站高差精度有提高。

从实际观测情况看，由于建筑施工场地的复杂性，无法拉开视距，适合于尽量采用高等级的水准测量。

5、结论

在基坑变形监测中，围护墙（边坡）顶部、立柱、基坑周边地表、管线和邻近建筑物的竖向位移监测精度应根据其竖向位移报警值选择合适的水准测量等级。

在主体建筑沉降观测，应根据其变形测量级别选择合适的水准测量等级，并尽量采用较短的视距长度，其他水准观测的技术要求也应当遵守。