動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高層建筑糾偏中的應(yīng)用

張三福，鄧正定

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州730000；2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在高層建筑糾偏中的應(yīng)用

張三福1，鄧正定2

（1.中鐵西北科學(xué)研究院有限公司，甘肅蘭州730000；2.中國鐵道科學(xué)研究院，北京100081）

針對(duì)高層建筑糾偏工程風(fēng)險(xiǎn)性較大的特點(diǎn)，為確保糾傾過程中的萬無一失，建立多監(jiān)測(cè)手段相結(jié)合的全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系，除傳統(tǒng)的水準(zhǔn)儀沉降監(jiān)測(cè)外，引入水平管連通器及錨索監(jiān)測(cè)等新手段，多種監(jiān)測(cè)結(jié)果相互印證，對(duì)比分析，能夠及時(shí)發(fā)現(xiàn)監(jiān)測(cè)結(jié)果中可能的意外發(fā)生，為決策人員進(jìn)行下一步措施提供了可靠的信息，確保了整個(gè)糾傾期間大樓“線性、平穩(wěn)、安全”的回歸。多種監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比表明，監(jiān)測(cè)結(jié)果間數(shù)據(jù)基本吻合，說明動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具有較好的工程實(shí)用價(jià)值。

糾偏；連通器；錨索；高層建筑；動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)

1 概述

隨著國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，高層及超高層建筑不斷涌現(xiàn)，隨著城市的快速擴(kuò)張，一些高層建筑不得不坐落在地質(zhì)條件復(fù)雜的地基土上，由于勘察、設(shè)計(jì)、施工等原因的失誤，高層建筑物傾斜現(xiàn)象時(shí)有發(fā)生，對(duì)傾斜建筑物進(jìn)行糾傾扶正，恢復(fù)其使用功能，具有極高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

建筑物糾傾是一項(xiàng)技術(shù)難度大、影響因素多的技術(shù)密集型工作，有人戲稱為“繡花工程”，建筑物的回傾實(shí)質(zhì)是基礎(chǔ)各個(gè)部分的沉降在不斷調(diào)整、沉降差在逐漸縮小的一個(gè)動(dòng)態(tài)過程，由于在目前的技術(shù)水平下還不能進(jìn)行精確的科學(xué)計(jì)算，這就使信息化施工顯得格外重要。高層建筑造價(jià)高昂，糾傾過程中必須確保萬無一失，因而僅僅依靠單一的監(jiān)測(cè)手段難以確保建筑安全，本文依托定西某小區(qū)高層建筑（50m）糾傾工程案例，建立多手段全方位動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系，多種監(jiān)測(cè)手段相互印證，確保傾斜建筑物“線性、平穩(wěn)、安全”的回歸。

2 工程概況

某小區(qū)1#為地下1層，地上17層的商住樓。其地下室層高4.20m，地上1層為商鋪，層高3.30m，2層塔樓區(qū)域?yàn)樽≌?。其余為商鋪，層?.30m，3層塔樓區(qū)域?yàn)樽≌溆酁樯啼?，層?.60m，4～17層均為住宅，層高均為2.80m，建筑總高度為49.70m。建筑面積10606.77m2。2013年9月，1#樓主體結(jié)構(gòu)封頂，在進(jìn)行裝修和電梯安裝施工過程中發(fā)現(xiàn)外墻及電梯井道存在傾斜現(xiàn)象，各邊傾斜率如圖1所示。

圖1 大樓傾斜情況平面示意圖

3 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系

由于1號(hào)樓為新建框架剪力墻結(jié)構(gòu)，整體剛度和完整性較好，經(jīng)過檢查結(jié)構(gòu)沒有出現(xiàn)裂縫，因此在糾傾過程中無需做裂縫監(jiān)測(cè)，而是建立了以沉降觀測(cè)為主，傾斜監(jiān)測(cè)、吊線錘監(jiān)測(cè)、水位連通儀監(jiān)測(cè)、錨索傳感器監(jiān)測(cè)為輔的一整套監(jiān)測(cè)控制體系，隨時(shí)全方位的掌握大樓的變形信息，以指導(dǎo)糾傾施工的順利開展。

3.1 沉降監(jiān)測(cè)

1號(hào)樓糾傾工程中，在大樓周邊共布置7個(gè)觀測(cè)點(diǎn)，以便根據(jù)沉降觀測(cè)數(shù)據(jù)繪制各邊的沉降曲線、分析掏土引起的筏板基礎(chǔ)變位是否呈協(xié)調(diào)線性，水準(zhǔn)觀測(cè)點(diǎn)的平面布置如圖2所示。本工程采用了高精度萊卡電子水準(zhǔn)儀，由專人定時(shí)監(jiān)測(cè)大樓

各個(gè)部位的沉降變化，監(jiān)測(cè)頻率為：糾傾前兩天一次，糾傾過程中一天兩次，糾傾結(jié)束后三個(gè)月內(nèi)一周一次，沉降變形穩(wěn)定后一個(gè)月一次。在糾傾過程中，根據(jù)沉降數(shù)據(jù)的變化，及時(shí)繪制各點(diǎn)的沉降量變化曲線及沉降隨時(shí)間的變形曲線，以分析大樓的沉降速率、回傾方向以及筏板的線性變位情況等，為下一步糾傾措施的調(diào)整提供依據(jù)。

圖2 各沉降觀測(cè)點(diǎn)布置

3.2 水平連通計(jì)監(jiān)測(cè)

液體靜力水準(zhǔn)測(cè)量也叫水位連通觀測(cè)儀測(cè)量，水位連通觀測(cè)儀根據(jù)液體力學(xué)中連通器的原理設(shè)計(jì)安裝（如圖3所示），其具體做法為：將一個(gè)具有一定容量的水箱安放在不受建筑物沉降影響的位置，水箱液面保持在一個(gè)固定刻度作為基準(zhǔn)標(biāo)高，水箱與固定在建筑物上的各液面觀測(cè)點(diǎn)通過透明水管相連接，則透明水管的液面與水箱液面總是保持在同一標(biāo)高上。當(dāng)建筑物沉降時(shí)，透明水管將隨之下降，其中的液面對(duì)應(yīng)的刻度也將發(fā)生變化，此時(shí)可通過固定于透明水管上的刻度尺反映出來，每次觀測(cè)記錄液面對(duì)應(yīng)的刻度與初始液面對(duì)應(yīng)的刻度差即是建筑物在這一時(shí)段內(nèi)該點(diǎn)的沉降量。水位連通觀測(cè)儀原理簡(jiǎn)明，操作方便、成本低，可以重復(fù)利用，不受天氣變化的影響，觀測(cè)人員也不必進(jìn)行專門訓(xùn)練，具有較高的精確度，可以進(jìn)行24h不間斷地追蹤觀測(cè)。

圖3 水位連通器原理示意圖

3.3 經(jīng)緯儀投影法傾斜監(jiān)測(cè)

測(cè)量墻體、柱以及整幢建筑物的傾斜率時(shí)，要求經(jīng)緯儀安放的位置至墻、柱及建筑物的距離L應(yīng)大于墻、樁及建筑物的寬度。

如圖4所示，瞄準(zhǔn)墻、柱及建筑物的頂部M點(diǎn)，向下投影得M′點(diǎn)，然后量出N—M′的距離a。

圖4 投影法計(jì)算簡(jiǎn)圖

根據(jù)垂直角θ，計(jì)算測(cè)點(diǎn)的高度H，計(jì)算公式為

則墻、柱及建筑物的傾斜率i為：

則墻、柱及建筑物的傾斜量Δ為：

根據(jù)上述測(cè)算結(jié)果即可綜合分析墻、柱及四角的傾斜率及傾斜量，從而得知其傾斜情況及變化趨勢(shì)。

3.4 吊線錘監(jiān)測(cè)

垂準(zhǔn)線的建立可以利用懸吊垂球法，也可以利用激光鉛垂儀法，垂準(zhǔn)線法簡(jiǎn)單、直觀，一目了然，在有條件的情況下，應(yīng)優(yōu)先采用。利用垂球時(shí)，是將直徑為0.8～1.2mm的銦鋼絲固定于頂部的某點(diǎn)（如建筑物的幾何中心），懸線的下端懸掛10～20kg的錐形重錘，坐標(biāo)儀可以設(shè)在重錘的下方，垂球線的長度應(yīng)使垂球尖端剛不與底部接觸，通過坐標(biāo)儀即可直接讀出垂球尖至高處吊球點(diǎn)的在底部的理論投影位置的距離，即為高處該點(diǎn)的傾斜量。為減小垂球的擺動(dòng)幅度，可以加重垂球的重量；也可以把重錘置于水中，把坐標(biāo)儀固定在與建筑物底部固連的框架上。

3.5 錨索應(yīng)力傳感器監(jiān)測(cè)

由于本工程采用錨索加壓與掏土迫降相結(jié)合的糾傾法，具有可控性和靈活性，錨索的荷載大小可以根據(jù)糾傾效果隨時(shí)調(diào)整。為了更好地掌握錨索任意時(shí)刻的受力（荷載）大小，在1號(hào)、3號(hào)、4號(hào)豎井內(nèi)的錨索加力系統(tǒng)中分別安裝了XYJ—三弦式荷載傳感器，通過ZX-16T振弦頻率儀隨時(shí)采集傳感器發(fā)送的頻率信號(hào)，然后依據(jù)頻率與荷載之間的關(guān)系曲線計(jì)算出荷載值，從而得出錨索在任意時(shí)刻的預(yù)應(yīng)力

大小。傳感器監(jiān)測(cè)不但可以與千斤頂加壓時(shí)油壓表的讀數(shù)相互校核，而且可以測(cè)量出錨索鎖定時(shí)的應(yīng)力損失以及由于大樓沉降引起的錨索荷載衰減情況。當(dāng)錨索荷載衰減到一定程度，若大樓仍沒有達(dá)到預(yù)期的糾傾目標(biāo)，則根據(jù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行下一批次的掏土，然后再對(duì)通過錨索進(jìn)行加載，如此循環(huán)直至達(dá)到理想糾傾目標(biāo)為止，如圖5所示。

圖5 豎井內(nèi)錨索加載受力變化圖

4 動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理

4.1 沉降觀測(cè)結(jié)果

圖6 各觀測(cè)點(diǎn)沉降-時(shí)間曲線

由圖6可知，大樓沉降已經(jīng)趨于穩(wěn)定，位于東北側(cè)的1#2#3#觀測(cè)點(diǎn)沉降值為60～70之間，西南角的6#點(diǎn)沉降最小，約10mm,且主要發(fā)生在前期，為加固側(cè)豎井開挖及鋼管樁、石灰樁施工所致，后期基本穩(wěn)定。

4.2 經(jīng)緯儀傾斜監(jiān)測(cè)結(jié)果

如圖7所示，糾傾后大樓傾斜率由原來的平均約5‰回傾到2.4‰，由相似三角形原理，沉降觀測(cè)點(diǎn)的2#點(diǎn)與6#點(diǎn)的沉降差為62mm，兩點(diǎn)距離為24mm，沉降差與傾斜監(jiān)測(cè)結(jié)果基本吻合。

圖7 糾傾后各邊傾斜率

4.3 水準(zhǔn)儀與連通器監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

本工程在沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)6#點(diǎn)及7#點(diǎn)相對(duì)應(yīng)位置布置水平管連通器，并與沉降監(jiān)測(cè)結(jié)果的兩點(diǎn)沉降差進(jìn)行對(duì)比，繪制曲線，如圖8所示，沉降差與連通器監(jiān)測(cè)結(jié)果基本保持一致。

圖8 連通器監(jiān)測(cè)結(jié)果與水準(zhǔn)監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比

4.4 錨索監(jiān)測(cè)結(jié)果與出結(jié)果對(duì)比

根據(jù)錨索加壓期間大樓各點(diǎn)的沉降觀測(cè)結(jié)果，錨索加壓期間迫降區(qū)各觀測(cè)點(diǎn)均有沉降，壓力越大、沉降速率越大，可見錨索加壓起到了很好的促沉作用。各觀測(cè)點(diǎn)沉降速率與錨索各級(jí)加載的關(guān)系曲線如圖9～10所示。錨索加壓期間沉降最大的3#點(diǎn)35d的下沉量33mm，最大日下沉量為3.35mm，日平均沉降速率為0.95mm/d，大樓在整個(gè)加壓糾傾過程中處于安全可控狀態(tài)。

圖9 1#傳感器沉降速率隨錨索加力變化

圖10 2#傳感器沉降速率隨錨索加力變化

5 結(jié)論

本文依托高層建筑糾傾工程實(shí)例，采用多監(jiān)測(cè)手段建立動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)體系，得出以下結(jié)論：

1）糾傾工程是風(fēng)險(xiǎn)性較大工程項(xiàng)目，應(yīng)采取多手段監(jiān)測(cè)體系動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)；2）糾傾過程中，多種監(jiān)測(cè)結(jié)果應(yīng)相互校核，以確保監(jiān)測(cè)結(jié)果的可信度，確保了整個(gè)糾傾期間的安全；

3）引入連通器與錨索監(jiān)測(cè)輔助手段，豐富了監(jiān)測(cè)手段的多樣性。

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