新型變形監(jiān)測裝置的研制

胡建平，鈕建定，虞祖培

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 201612）

新型變形監(jiān)測裝置的研制

胡建平，鈕建定，虞祖培

（中交第三航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司，上海 201612）

建筑物施工過程中需要通過變形監(jiān)測獲取觀測數(shù)據(jù)，由于施工或運營的緣故，往往沒有條件澆筑強制歸心觀測墩，而用傳統(tǒng)測量來架設(shè)測量覘標(biāo)，則人為及外界環(huán)境等因素容易使監(jiān)測數(shù)據(jù)產(chǎn)生較大誤差。介紹一種新型變形監(jiān)測裝置，提高了變形監(jiān)測的精度，可對建筑物進行安全評估，解決了這一長期困擾工程監(jiān)測領(lǐng)域的難題。

覘標(biāo)；變形監(jiān)測；隱蔽式；升降式

0 引言

建筑物變形監(jiān)測是為了觀測工程結(jié)構(gòu)物及設(shè)施等點位移動狀態(tài)而進行多次、重復(fù)的測量工作，其關(guān)鍵在于獲取變形敏感部位在各觀測周期的變化信息。建筑物的變形監(jiān)測主要分為以下三類[1-2]：

1）工業(yè)與民用建筑物：主要包括基礎(chǔ)沉降與建筑物的變形監(jiān)測?；A(chǔ)監(jiān)測涉及基礎(chǔ)均勻沉降與不均勻沉降；建筑物變形監(jiān)測主要包括傾斜、裂縫等。

2）地下工程：主要包括隧道、深基坑等。其中隧道除了本身變形進行監(jiān)測外，還要對開挖引起的地面沉降、地面建筑變形進行監(jiān)測；深基坑施工監(jiān)測還應(yīng)包括周邊環(huán)境、基坑圍護狀態(tài)等監(jiān)測。

3） 水工建筑：主要為橋梁、碼頭、大壩等，重點是監(jiān)測位移、伸縮縫隙的變化狀況等。

1 目前監(jiān)測狀況

縱觀國內(nèi)外近10 a監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展，建筑物變形監(jiān)測采用點、線、面立體交叉的測量機器人、攝影測量、GPS 測量、三維激光掃描等技術(shù)得到了飛速進步，但也受到了監(jiān)測成本及精度所限制，以致傳統(tǒng)的測量仍然是高精度變形監(jiān)測信息獲取的主要手段[3-4]。傳統(tǒng)的工作方式[5]：

1） 在監(jiān)測點，將測量覘標(biāo)放在三腳架上，通過測量人員的整平、對中等操作，使覘標(biāo)的中心與監(jiān)測點十字線保持在同一鉛垂線上。

2） 在基準(zhǔn)點上，經(jīng)整平、對中后，儀器直接對監(jiān)測點進行周期性沉降、位移監(jiān)測。

由于在整平、對中等人工操作過程中，測量人員的視差、操作技能、三角架的不穩(wěn)定性等因素均會產(chǎn)生各類誤差，從而影響到變形監(jiān)測的精度。一般而言，位移觀測基準(zhǔn)點設(shè)在后方安全區(qū)內(nèi)，有條件設(shè)立強制歸心的觀測墩，而監(jiān)測點往往需設(shè)在建筑物的邊緣，如碼頭角、碼頭分段處、大壩邊上等，由于施工或運營的緣故，在這些地方經(jīng)常無法設(shè)置強制歸心的觀測墩。變形觀測的位移量是以毫米計的，覘標(biāo)的整平、對中誤差等環(huán)節(jié)均存在影響變形監(jiān)測精度的因素，這個問題始終困擾著測量技術(shù)人員，由此引發(fā)研發(fā)一種既不影響碼頭施工或運營，又能提高監(jiān)測精度，且降低監(jiān)測成本的裝置。

2 隱蔽式覘標(biāo)裝置設(shè)計

獨創(chuàng)一種隱蔽式覘標(biāo)設(shè)計及制造技術(shù)，用于各類建筑物、碼頭、橋梁、公路等工程沉降、傾斜、變形等監(jiān)測，產(chǎn)品設(shè)計精度達(dá)到國際《建筑變形測量規(guī)范》一級或以上基準(zhǔn)要求。

2.1 設(shè)計方案及實施

1） 設(shè)計一個測量覘標(biāo)芯，預(yù)先埋設(shè)在監(jiān)測點，旋上覘標(biāo)帽，成為隱式，達(dá)到測量規(guī)范“固定永久式覘標(biāo)”的效果；

2） 選用奧氏體不銹鋼制造強制歸心測量覘標(biāo)，基體以立方晶體結(jié)構(gòu)的奧氏體組織為主，無磁性，標(biāo)桿要求同心；

3） 根據(jù)國家 JGJ 8—2007《 建筑變形測量規(guī)范 》第四章 4.3.2-4.3.5 對中誤差精度標(biāo)準(zhǔn)，變形控制基準(zhǔn)點一級（或特級 ）誤差≤±0.1mm，標(biāo)桿的加工精度必須滿足此要求。

設(shè)計的隱蔽式覘標(biāo)有三部分組成（如圖1所示），標(biāo)芯（永久埋設(shè)在地表中）；標(biāo)芯帽；標(biāo)桿（長度規(guī)格為 30 cm、50 cm、80 cm 等系列）。

圖1 各部件示意圖Fig.1 All the partsdiagram

覘標(biāo)部件全部采用不銹鋼 316 牌號制作，它由標(biāo)芯、標(biāo)芯帽、標(biāo)桿及觀測覘標(biāo)（購置測量儀器時的配套產(chǎn)品）所組成。

標(biāo)芯的外型尺寸凸肩厚度為 2.5mm，外徑 φ為25mm，中間 φ 為 18mm，長度為 22.5mm。下端外徑 φ 為 18mm，長度是 30mm，倒角 2mm，內(nèi)螺紋為 M12，有效深度 18mm，總深度 20mm。

標(biāo)芯帽采用內(nèi)六角螺釘替代，材質(zhì)是不銹鋼316 牌號。標(biāo)桿上端為快速接頭，外徑 φ 為 12 mm，中間標(biāo)桿（如圖 1 標(biāo)桿 101 所示）外徑 φ 為22mm，下端采用 M12 內(nèi)螺紋接口?？焖俳宇^凹槽中心是以標(biāo)桿上端為基準(zhǔn)點向上 30mm，凹槽內(nèi)徑 φ 為 9.6mm，快速接頭上端為 2mm 的倒角，快速接頭長度為 40mm，。

標(biāo)桿外徑 φ 為 22mm，長度可視實際需要而定，一般在 300~800mm 之間，倒角為 2mm。螺紋接口為 M12，長度是 16mm?？焖俳宇^同螺紋接口保持同心，同心度控制在≤±0.1 mm 之內(nèi)。表面粗糙度允許誤差為 3.2 μm，采用頂針一刀落工藝來保證同心度的要求。標(biāo)桿頂部設(shè)計了一個通用標(biāo)準(zhǔn)公接口，用來安裝各類測量儀器設(shè)備，形成的系列產(chǎn)品如圖2所示。

圖2 裝配示意圖Fig.2 Assemb ly diagram

2.2 同類產(chǎn)品比較

目前國內(nèi)外存在兩款與本產(chǎn)品相對比較類似的專利技術(shù)。2008 年申報的“標(biāo)點引伸式強制定位測量覘標(biāo)”（中國 CN201110763）實用專利： 在被測標(biāo)點上安裝標(biāo)點引伸式強制定位測量覘標(biāo)，通過標(biāo)桿把地面觀測點引伸到椎體椎尖上，反復(fù)調(diào)整該裝置上水平和垂直氣泡，使椎尖與地面觀測點同心定位。因存在中間環(huán)節(jié)較多，又宜受外界因素、操作熟練程度影響，且屬間接引測，故監(jiān)測精度難以滿足高等級精度要求。另外，該裝置4個調(diào)節(jié)支腿需安置在地面上，無法安置在建筑物、碼頭邊上；整平對中要進行多次，因人而異，難以保證每次同心。國外 2001 年申請的“Preciseaim sighting target”（ 美國 US6213470 ）實用專利：覘標(biāo)上設(shè)定X刻度，白底黑字，便于遠(yuǎn)距離觀察，該項專利專用于武器（軍事）定位和槍炮準(zhǔn)心瞄準(zhǔn)。由于用途和功能不同，無可比性。

由于技術(shù)方案獨特，采用強制歸心結(jié)合隱蔽式設(shè)計，在國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)中，未見報道，具有創(chuàng)新性。經(jīng)文獻(xiàn)對比分析后認(rèn)定，該產(chǎn)品優(yōu)于國內(nèi)外現(xiàn)有同類產(chǎn)品，成果達(dá)到國際先進水平[6]。

2.3 應(yīng)用效果

發(fā)明一種隱蔽式強制歸心測量覘標(biāo)[7]，標(biāo)芯預(yù)先埋設(shè)在需監(jiān)測的建筑物上，并強制歸心，作為長期的監(jiān)測基點，取代了澆筑強制歸心裝置的混凝土墩。由于標(biāo)芯及標(biāo)芯帽嵌入在地平表面，處于隱蔽式狀態(tài)，它對建筑物施工及運營沒有任何影響。隱蔽式覘標(biāo)無需安裝三腳架，避免了儀器整平、對中等誤差。以標(biāo)芯帽頂端為監(jiān)測基點，用于沉降觀測；卸下標(biāo)芯帽，旋上上部為快速接頭的專用標(biāo)桿，安裝覘標(biāo)后可直接用于位移監(jiān)測，便可無人值守。該產(chǎn)品低成本、高精度，安裝快速簡便，產(chǎn)品能反復(fù)循環(huán)使用，從根本上改變了傳統(tǒng)的工作模式。

該裝置已在上海國際航運中心洋山深水港、上海液化天然氣LNG 工程監(jiān)測等國家大、中型工程中應(yīng)用，取得良好的效果（如圖 3、圖 4 所示）。

圖3 上海國際航運中心洋山深水港區(qū)工程Fig.3 Yangshan deepwater harbor projectof Shanghai international shipping center

圖4 上海液化天然氣LNG工程Fig.4 LNG project of Shanghai

3 升降式覘標(biāo)設(shè)計

在實際應(yīng)用中，我們發(fā)現(xiàn)監(jiān)測點與觀測點之間有時存在堆積物或障礙物遮擋，影響了監(jiān)測工作的正常進行。平面設(shè)計的標(biāo)芯帽與地平平行帶來隱式的優(yōu)點，也伴隨著作為平面標(biāo)芯帽沉降監(jiān)測基點的弱點，當(dāng)標(biāo)尺前、后視轉(zhuǎn)向時，難以保證原點位置，從而影響沉降監(jiān)測精度。由此啟發(fā)我們設(shè)計一種升降式標(biāo)桿、圓弧式標(biāo)芯帽的設(shè)想。

3.1 升降式標(biāo)桿設(shè)計

升降式標(biāo)桿外桿、內(nèi)桿的材質(zhì)均為鋁合金。標(biāo)桿由空心硬質(zhì)材料（鋁質(zhì)）制成，材料輕，整個裝置安裝快速簡便，攜帶方便。而且整個裝置能反復(fù)循環(huán)使用，符合環(huán)保理念。外桿相對于內(nèi)桿作上下運動，外桿的下端上固定有夾緊環(huán)，該夾緊環(huán)露出外桿的一端設(shè)外螺紋，且該外螺紋沿圓周方向上開有多條收縮槽（如圖5所示），夾緊環(huán)外還套有夾緊螺母，收縮槽于夾緊環(huán)中心軸對稱，夾緊螺母的內(nèi)螺紋孔的形狀為錐形，且該夾緊螺母與夾緊環(huán)螺紋連接，將夾緊螺母旋上（如圖6所示），螺紋間產(chǎn)生壓緊力使夾緊環(huán)朝中心收縮，抱緊內(nèi)桿，由此實現(xiàn)外、內(nèi)桿的固定，使整個升降式裝置形成一體。

圖5 標(biāo)桿夾緊裝置Fig.5 Pole clam ping device

圖6 標(biāo)桿旋入示意圖Fig.6 Sketchmap ofpole screw-in

內(nèi)桿的下端上固定接頭—帶有多條收縮槽與絲口，外桿上端與覘標(biāo)連接，標(biāo)芯帽的端面為平面（ 如圖 7（a）），該平面上設(shè)有凹槽，凹槽設(shè)計成特殊規(guī)格，通過專用工具旋入，起到知識產(chǎn)權(quán)保護作用。非工作狀態(tài)時，標(biāo)芯帽旋入標(biāo)芯，對標(biāo)芯起到保護作用，并阻止垃圾及雜物侵入。另外由于設(shè)計了球式標(biāo)芯帽（ 如圖 7（b）），球頂圓弧觸點小，可用作于沉降觀測中的監(jiān)測點。

加工中主要關(guān)鍵技術(shù)及特點：采用高精度機床加工升降桿，升降桿內(nèi)外壁之間間距控制是確保升降桿同心的關(guān)鍵。為了保證和提高加工精度，采用減小、補償、轉(zhuǎn)移、均分原始誤差等法，以及“就地加工”法（也稱自身加工修配法），就可很方便地解決看起來非常困難的精度問題。就地加工法在機械零件加工中常用來作為保證零件加工精度的有效措施。

升降式測量覘標(biāo)[8]，克服了視線遮擋的影響，可用于各類建筑物的變形監(jiān)測。觀測高度能根據(jù)需求確定，效果好，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。而且低成本、精度高、重量輕、攜帶方便，保證了變形監(jiān)測任務(wù)得以進行。

3.2 圓弧形標(biāo)芯帽

對平面標(biāo)芯帽設(shè)計成球式標(biāo)芯帽（如圖 7（b）所示），球頂圓弧觸點小，用于沉降觀測中的監(jiān)測點，標(biāo)尺前、后視轉(zhuǎn)向時，均能確保沉降監(jiān)測讀數(shù)的準(zhǔn)確。非工作狀態(tài)時，旋出球式標(biāo)芯帽，換上平端標(biāo)芯帽 （如圖 7 （a） 所示） 旋入標(biāo)芯，對標(biāo)芯起到保護作用，并阻止垃圾及雜物侵入。

升降式測量覘標(biāo)，解決了視線遮擋的影響，可用于各類建筑物的變形監(jiān)測。監(jiān)測的高度能根據(jù)需要調(diào)整，效果好、重量輕、攜帶方便，保證了變形監(jiān)測任務(wù)得以順利進行（如圖8所示）。但升降式標(biāo)桿加工精度難以控制，產(chǎn)品驗收時應(yīng)特別關(guān)注。

圖7 平、弧形標(biāo)芯帽Fig.7 Flatand curved corecaps

圖8 升降式覘標(biāo)結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.8 Constructureof elevation target

4 結(jié)語

《建筑變形測量規(guī)范》規(guī)定的變形控制基準(zhǔn)點一級（或特級）誤差≤±0.1mm，需要澆筑強制歸心的混凝土墩等。本文創(chuàng)新設(shè)計的系列新型變形觀測裝置，從根本上改變了傳統(tǒng)的工作模式。這些技術(shù)的開發(fā)研究依托洋山深水港等工程，在工程實踐中形成產(chǎn)品，產(chǎn)品的技術(shù)性能得到了全面的應(yīng)用、檢驗和完善，形成了一套較完整、可操作、低成本、高效益的系列監(jiān)測產(chǎn)品，具有廣闊的應(yīng)用市場和推廣前景。

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Development of a new deformation observation device

HU Jian-ping，NIU Jian-ding，YU Zu-pei
（CCCCThird HarborConsultantsCo.，Ltd.，Shanghai201612，China）

Passing the building deformationmonitor has been gained observer data，because of constructing or operation reason，no condition built observation pier of forced centering； using the traditional plattingmounted survey maker，factors of manual operation and external environmentcan cause data of inaccuracy，this paper introduces a new deformation observation device now，which raised the precision of a deformation observation and canmake the security assessment for buildings，have resolved a problem ofa long-term besetment in theengineeringmonitor field.

surveymaker；deformationmonitor；hidden；rising-falling

TU415

A

1003-3688（2014）01-0066-04

10.7640/zggw js201401013

2013-05-21

胡建平 （1956 — ），男，江蘇溧陽人，教授級高級工程師，主要從事港口工程勘察技術(shù)開發(fā)與管理。E-mail：hu_jp2004@163. com