既有建筑沉降變形遠(yuǎn)程監(jiān)測方法探討

■ 代紅超 Dai Hongchao

0 引言

我國既有建筑存量大，截至2 0 1 3年底的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，我國建筑業(yè)房屋面積已經(jīng)超過4 0 0億m2，其中，一半以上的房屋建筑使用已經(jīng)超過1 0年，接近1/3的房屋使用已經(jīng)超過20年，為老舊房屋。由于房屋的自然老化、人為破壞、自然災(zāi)害等因素影響，房屋安全的相關(guān)問題逐年顯現(xiàn)。特別是建造在軟土地基上的砌體結(jié)構(gòu)房屋，由于地基長期變形大、上部結(jié)構(gòu)抗變形能力差，容易出現(xiàn)不均勻沉降引起的安全隱患問題，如2014年全國老樓危樓安全排查時了，已發(fā)現(xiàn)一定數(shù)量的房屋存在整體嚴(yán)重傾斜現(xiàn)象。為明確上述房屋的地基變形發(fā)展情況，預(yù)防突發(fā)事故發(fā)生，需要進(jìn)行沉降變形監(jiān)測。

另外，隨著城市化進(jìn)程的高速發(fā)展，地鐵隧道、城市道路隧道、深基坑等市政工程或城市建設(shè)工程施工不斷進(jìn)行，上述施工可能會導(dǎo)致周邊土體的應(yīng)力狀態(tài)變化、附近地下水位變化等，從而影響周邊建筑安全。通過對相鄰周邊房屋的沉降變形監(jiān)測，明確施工過程中既有建筑的穩(wěn)定性和安全性，同時，根據(jù)現(xiàn)場的實(shí)際情況，適當(dāng)調(diào)整施工工藝方案與控制進(jìn)度，確保周邊建筑物的安全。

1 沉降監(jiān)測方法及原理

在既有建筑沉降監(jiān)測方面，常用的方法為人工水準(zhǔn)監(jiān)測、靜力水準(zhǔn)儀自動化監(jiān)測、測量機(jī)器人自動化監(jiān)測。

1.1 人工水準(zhǔn)監(jiān)測

人工水準(zhǔn)監(jiān)測首先在既有建筑周圍豎向承重構(gòu)件上布置沉降觀測點(diǎn)，監(jiān)測點(diǎn)的高程通過設(shè)置在周邊的基準(zhǔn)點(diǎn)高程形成一條閉合環(huán)線水準(zhǔn)路線。然后，采用WI L D N A 2或D S Z 2精密自動安平水準(zhǔn)儀加測微器和銦瓦標(biāo)尺，依照國家二等水準(zhǔn)的閉合差標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行測量。

1.2 靜力水準(zhǔn)儀自動化監(jiān)測

靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)又稱連通管△水準(zhǔn)儀，系統(tǒng)至少由兩個觀測點(diǎn)組成，每個觀測點(diǎn)安裝一套靜力水準(zhǔn)儀。靜力水準(zhǔn)儀的貯液容器相互用通液管完全連通，貯液容器內(nèi)注入液體，當(dāng)液體液面完全靜止后系統(tǒng)中所有連通容器內(nèi)的液面應(yīng)同在一個大地水準(zhǔn)面上0，此時每一容器的液位由傳感器測出，即初始位值分別為：（圖 1）。

假設(shè)既有建筑監(jiān)測點(diǎn)中，測點(diǎn)1作為基準(zhǔn)點(diǎn)，測點(diǎn)2～4相對測點(diǎn)1有所上升或下降，當(dāng)系統(tǒng)內(nèi)液面達(dá)到平衡靜止后形成新的水準(zhǔn)面 i0，則各測點(diǎn)連通容器內(nèi)的新液位值分別為：圖2）。

系統(tǒng)各測點(diǎn)的液位由靜力水準(zhǔn)儀傳感器測得，各測點(diǎn)液位變化量分別為當(dāng)△Hi為正值時，表示該測點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面升高；當(dāng)△Hi為負(fù)值時，表示該測點(diǎn)貯液容器內(nèi)的液面降低（圖2）。

1.3 測量機(jī)器人自動化監(jiān)測

圖1 靜力水準(zhǔn)儀工作原理（一）

圖2 靜力水準(zhǔn)儀工作原理（二）

測量機(jī)器人是一種能自動搜索、跟蹤、辨識和精確目標(biāo)并獲取角度、距離、三維坐標(biāo)以及影像等信息的電子全站儀。它是在全站儀基礎(chǔ)上集成馬達(dá)及視頻成像系統(tǒng)，并配置智能化的控制及應(yīng)用軟件而發(fā)展形成的綜合性測量系統(tǒng)。測量機(jī)器人具有自動化程度高、測量功能多樣、能提供三維測量成果等優(yōu)勢。

示范區(qū)農(nóng)業(yè)供水電價為0.53元/kWh，節(jié)水工程配套完建后斗渠渠道水利用系數(shù)為0.88。經(jīng)計(jì)算，桃花山鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會控制范圍內(nèi)泵站運(yùn)行費(fèi)用為0.083元/m3；調(diào)關(guān)鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會和東升鎮(zhèn)農(nóng)民用水者協(xié)會控制范圍內(nèi)泵站運(yùn)行費(fèi)用為0.018 元/m3。

變形監(jiān)測系統(tǒng)主要采用極坐標(biāo)差分法進(jìn)行測量，每一個測量周期均按照極坐標(biāo)的原理分別采集基準(zhǔn)點(diǎn)和變形點(diǎn)的斜距、水平角、天頂距，通過計(jì)算得到監(jiān)測點(diǎn)的實(shí)際坐標(biāo)，根據(jù)兩周期的實(shí)際坐標(biāo)差，就可求出監(jiān)測點(diǎn)的三維位移量。

測量機(jī)器人自動變形監(jiān)測系統(tǒng)的主體由全站儀、計(jì)算機(jī)、自動變形監(jiān)測軟件、通信和供電設(shè)備、儀器墩、基準(zhǔn)點(diǎn)及監(jiān)測點(diǎn)棱鏡組成，系統(tǒng)構(gòu)成如圖3所示。

在工作基點(diǎn)上建設(shè)監(jiān)測室，安裝全站儀，并配備通訊和供電設(shè)備，在基準(zhǔn)點(diǎn)和監(jiān)測點(diǎn)上固定安裝反射棱鏡，從而構(gòu)成整個變形監(jiān)測網(wǎng)，實(shí)現(xiàn)全天24h的實(shí)時變形監(jiān)測。

2 常見沉降監(jiān)測方法的優(yōu)缺點(diǎn)

目前，在沉降監(jiān)測方面，人工水準(zhǔn)監(jiān)測應(yīng)用最為普遍。傳統(tǒng)的人工監(jiān)測基本能滿足大部分既有建筑的沉降變形監(jiān)測需要，但也存在一些不足之處：①人工成本大，測量周期長；②監(jiān)測結(jié)果的時效性較差，不能滿足有效預(yù)防既有建筑突發(fā)事故的監(jiān)測需要；③在新建工程施工相鄰影響項(xiàng)目監(jiān)測中，監(jiān)測點(diǎn)容易被破壞；④觀測時段和頻率受限制；⑤監(jiān)測數(shù)據(jù)處理工作量大。由于新建項(xiàng)目的復(fù)雜化、被監(jiān)測既有建筑的區(qū)域化，既有建筑監(jiān)測項(xiàng)目規(guī)模及數(shù)量不斷增大，傳統(tǒng)人工變形監(jiān)測表現(xiàn)出了一定的局限性。

圖3 測量機(jī)器人自動變形監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

自動化監(jiān)測是相對于傳統(tǒng)的人工監(jiān)測而言的，采集儀或自動化全站儀通過采集或掃描安裝在既有建筑上的傳感器或棱鏡，獲取監(jiān)測點(diǎn)變形數(shù)據(jù)，然后通過數(shù)據(jù)發(fā)射傳輸模塊實(shí)時傳輸至遠(yuǎn)端計(jì)算機(jī)上，經(jīng)過簡單的數(shù)據(jù)處理后即可實(shí)時顯示既有建筑的沉降變形數(shù)據(jù)，從而實(shí)現(xiàn)沉降監(jiān)測的自動化、智能化。

測量機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)三維變形監(jiān)測，在大壩、邊坡、地鐵、隧道等領(lǐng)域得到了較為廣泛的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)大范圍內(nèi)的自動化監(jiān)測，具有精度高、效率高、自動化程度高等優(yōu)點(diǎn)，無論白天還是晚上，都能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的自動識別、照準(zhǔn)和跟蹤，保證了監(jiān)測工程全天24h連續(xù)運(yùn)行。

靜力水準(zhǔn)儀自動化監(jiān)測具有實(shí)時、動態(tài)、全天候、高精度等優(yōu)點(diǎn)，但對于一般項(xiàng)目而言，獲得的數(shù)據(jù)為相對沉降數(shù)據(jù)，難以反映既有建筑的整體沉降情況。特別是對于新建工程施工相鄰影響項(xiàng)目，如僅采用靜力水準(zhǔn)儀一種監(jiān)測手段，難以按照既有建筑物的累計(jì)沉降進(jìn)行報警，不利于調(diào)整新建工程施工進(jìn)度或施工措施；另外，也難以獲取沉降速率，從而無法判斷既有建筑的地基變形穩(wěn)定情況。

幾種常見沉降監(jiān)測手段比較分析見表1。

3 基于靜力水準(zhǔn)儀的既有建筑絕對沉降監(jiān)測

靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)是測量兩點(diǎn)間或多點(diǎn)間相對高程變化的精密儀器，即根據(jù)靜力水準(zhǔn)儀連通容器內(nèi)液面的變化獲取各監(jiān)測點(diǎn)相對于某監(jiān)測點(diǎn)的相對豎向位移。對于既有建筑的監(jiān)測，一般情況下，各監(jiān)測點(diǎn)都可能會產(chǎn)生豎向變形，因此，監(jiān)測結(jié)果只能反映各監(jiān)測點(diǎn)間的相對豎向位移變化量。

3.1 監(jiān)測方法

當(dāng)被監(jiān)測既有建筑周邊有變形穩(wěn)定的建（構(gòu)）筑物時，可以在被監(jiān)測既有建筑上安裝靜力水準(zhǔn)儀的同時，在變形穩(wěn)定的建（構(gòu)）筑物上安裝1個或2個靜力水準(zhǔn)儀，通過溶液連通管等連接成一個管路。此時，安裝在變形穩(wěn)定的建（構(gòu)）筑物上的靜力水準(zhǔn)儀相當(dāng)于基準(zhǔn)點(diǎn)，其它測點(diǎn)相對于該基準(zhǔn)點(diǎn)的豎向位移變化量即為其絕對沉降。

同時，當(dāng)被監(jiān)測對象為一個區(qū)域內(nèi)的多幢既有建筑時，為了避免管路太長而影響測量結(jié)果的靈敏性，可以每一幢房屋或兩幢房屋自成一個獨(dú)立的靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)，通過設(shè)置轉(zhuǎn)點(diǎn)的方式，即在同一豎向棱線上布置2個靜力水準(zhǔn)儀，分別對應(yīng)2個獨(dú)立靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)的測點(diǎn)，把多個獨(dú)立靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)連為一體，最終獲得整個區(qū)域內(nèi)全部建筑測點(diǎn)的絕對沉降。

3.2 缺點(diǎn)

基于靜力水準(zhǔn)儀法對既有建筑進(jìn)行絕對沉降監(jiān)測，也存在一些劣勢，主要表現(xiàn)為：①被監(jiān)測對象附近存在變形穩(wěn)定的建（構(gòu)）筑物，且能在其上安裝靜力水準(zhǔn)儀并與監(jiān)測對象測點(diǎn)形成靜力水準(zhǔn)管路，實(shí)際工程中上述條件較難以滿足；②靜力水準(zhǔn)管路不宜太長，宜控制在150m以內(nèi)，否則各監(jiān)測點(diǎn)靜力水準(zhǔn)液面平衡時間較長，影響系統(tǒng)的靈敏性；③通過設(shè)置轉(zhuǎn)點(diǎn)法獲取整個區(qū)域的監(jiān)測點(diǎn)絕對沉降時，靜力水準(zhǔn)儀安裝及管路布設(shè)較為復(fù)雜，且設(shè)置轉(zhuǎn)點(diǎn)增加了靜力水準(zhǔn)傳感器數(shù)量，增大了成本。

3.3 案例分析

某城市公路隧道下穿既有住宅小區(qū)，采用盾構(gòu)法進(jìn)行隧道掘進(jìn)。居民住宅樓建造于20世紀(jì)80年代，基本為多層磚混結(jié)構(gòu)，豎向由縱橫砌體承重，預(yù)制板樓屋蓋，每層設(shè)有圈梁，未設(shè)置構(gòu)造柱，基礎(chǔ)為天然地基淺基礎(chǔ)，地基為沿海軟土地基。

表1 常見沉降監(jiān)測手段比較

由于居民住宅樓位于新建隧道的正上方或側(cè)方，部分房屋與隧道頂部距離較近，且既有建筑基礎(chǔ)剛度小，上部結(jié)構(gòu)整體性較差，整體抗變形能力弱。因此，為防患于未然，應(yīng)對既有住宅樓進(jìn)行新建工程施工中的自動化監(jiān)測。

被監(jiān)測住宅樓附近有一幢高層住宅樓7#樓，樁基礎(chǔ)，受新建工程施工影響很小，豎向變形基本穩(wěn)定。因此，在該高層建筑外墻上安裝一個靜力水準(zhǔn)儀作為基準(zhǔn)點(diǎn)，與被監(jiān)測住宅樓的監(jiān)測點(diǎn)聯(lián)測，從而獲取了被監(jiān)測住宅樓測點(diǎn)的絕對沉降（圖4）。

4 靜力水準(zhǔn)儀與測量機(jī)器人相結(jié)合的既有建筑絕對沉降監(jiān)測

對于城市中的既有建筑，與郊外空曠場地相比，通視條件不佳，難以僅采用測量機(jī)器人一種手段對既有建筑進(jìn)行全面的沉降自動化監(jiān)測。同時，靜力水準(zhǔn)儀法受線路長度、難以獲取絕對沉降等因素影響，亦非理想的絕對沉降監(jiān)測手段。

4.1 監(jiān)測方法

通過在既有建筑的同一豎向棱線上（以下簡稱共同測點(diǎn)），同時布置棱鏡和靜力水準(zhǔn)儀，可以實(shí)現(xiàn)測量機(jī)器人與靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)相結(jié)合的絕對沉降監(jiān)測，即可通過測量機(jī)器人自動化監(jiān)測系統(tǒng)獲取共同測點(diǎn)的沉降絕對值；并通過靜力水準(zhǔn)儀自動化監(jiān)測系統(tǒng)，獲取其余測點(diǎn)相對于共同測點(diǎn)的相對沉降量，再加上共同測點(diǎn)的絕對沉降量，即為其余測點(diǎn)的絕對沉降量。

該種方法可有效彌補(bǔ)靜力水準(zhǔn)儀和測量機(jī)器人在城市既有建筑沉降監(jiān)測中各自的不足，優(yōu)勢互補(bǔ)、取長補(bǔ)短，具有較好的應(yīng)用前景。

圖4 靜力水準(zhǔn)儀安裝及管路布置示意圖

4.2 案例分析

需要對某住宅小區(qū)內(nèi)的6層砌體結(jié)構(gòu)房屋進(jìn)行沉降監(jiān)測，受通視條件影響，測量用的全自動全站儀只能安裝在相鄰的變形穩(wěn)定的高層住宅中或屋頂上（圖5）。但在該條件下，全站儀通視仍受影響，每幢被監(jiān)測房屋只有1個或2個角點(diǎn)可被監(jiān)測到，監(jiān)測結(jié)果不能全面反映既有多層住宅的沉降變形發(fā)展情況。

圖5 某項(xiàng)目自動化全站儀、棱鏡安裝位置示意圖

為此，在通視條件好的每幢房屋角點(diǎn)各布置一個棱鏡，采用測量機(jī)器人系統(tǒng)獲取其絕對沉降。另外，在每幢房屋的東外墻和北外墻上均勻安裝靜力水準(zhǔn)儀，形成一個L型的靜力水準(zhǔn)儀測量系統(tǒng)，并確保安裝棱鏡的位置上下對應(yīng)安裝有靜力水準(zhǔn)儀。最終，通過兩種測量手段聯(lián)測的方法，全面地測得了每幢房屋的絕對沉降變形情況。

5 結(jié)語

綜上所述，對于既有建筑的絕對沉降變形自動化遠(yuǎn)程監(jiān)測，可采用基于靜力水準(zhǔn)儀對既有建筑絕對沉降監(jiān)測、靜力水準(zhǔn)儀與測量機(jī)器人相結(jié)合的既有建筑絕對沉降監(jiān)測兩種方法。前者需要確保被監(jiān)測建筑周邊存在變形穩(wěn)定的建構(gòu)筑物，才能測得絕對沉降，并存在線路不宜太長、需要設(shè)置轉(zhuǎn)點(diǎn)等不足；后者可有效彌補(bǔ)在既有建筑沉降監(jiān)測中靜力水準(zhǔn)儀法一般只能測相對沉降、測量機(jī)器人法通視條件要求高等不足，優(yōu)勢互補(bǔ)，取長補(bǔ)短，具有較強(qiáng)的操作性和較好的應(yīng)用前景。