建筑物地面变形监测技术及应用_刘璐.pdf

第 卷 第 期 年 月测绘与空间地理信息 ，收稿日期：作者简介：刘 璐（），女，陕西西安人，工程师，学士，主要从事大地测量数据处理工作。建筑物地面变形监测技术及应用刘 璐，谢 方，马新莹，田晓静（自然资源部大地测量数据处理中心，陕西 西安）摘要：由于受到外界因素和自身因素的影响，建筑物在施工和运营管理期间会产生不同程度的变形，为及时掌握建筑物的安全状态，需要对其进行变形监测。本文将地面变形监测技术应用于建筑物变形监测，详细介绍了相关技术方法和监测要点，并以正在实施变形监测的工程项目为例进行了应用，获得了建筑物水平位移和沉降情况，研究结果为基坑影响下的建筑物变形监测提供了技术参考。关键词：建筑物；地面变形监测技术；水平位移；沉降中图分类号：；文献标识码：文章编号：（），（，）：，：；引 言建筑物在施工期间和运营管理期间，由于受到地面沉降、极端天气、结构或材料损坏、超重荷载以及其他外界因素的影响，会产生变形和位移。建筑物的变形在一定范围内是允许的，但当变形量值超出允许值后，如果不加以控制，就有可能造成严重的事故，因此，需要对建筑物进行变形监测，变形监测的目的就是采用各种监测手段获得建筑物的真实变化情况。建筑物变形监测是监测建筑物安全状态和预防建筑灾害发生的有效手段，一方面，通过监测总结出建筑物发生变形的情况和规律，找出变形的原因，对于能够控制的变形情况，力求限制变形发展的方向；对于不可控制的变形，则能够及时准确预测变形的大小和速度，以保证能够有时间采取应急措施，将可能发生的灾害降低到最小程度。另一方面，在变形监测的过程中，也能够获得建筑物变形的空间特征和时间特征，并对此进行几何分析和物理解释，为相关工程建设提供参考。变形监测理论建筑体的变形是不可避免的，通常它们处于一个动态平衡的过程中。建筑变形一般可以分为正常变形和非正常变形。正常变形是指在建筑物内、外部作用因素影响下所发生的符合建筑物正常规律性的变形，如高层建筑物正常的偏振，地基整体的沉降等。在这种变化中，建筑物的材料、内部结构以及工作状态没有发生变化，不会影响建筑物的正常使用，也不会危及建筑物安全。另一种变形是由于外界极端因素影响或建筑物内部结构发生变化，破坏了建筑物内部结构，导致建筑物工作性态异常，超出了设计参数。一旦这种异常发生并且持续下去，就会对建筑结构产生持续性破坏，并随着时间的积累产生灾难性后果。因此，在变形监测中，主要是对这类非正常变形建筑物进行监测。对建筑物进行变形监测，不但可以掌握其安全状态，也可以反馈设计施工质量，同时根据长期监测结果研究其变形规律，进行预测预报和预警。在获得建筑物变形量值的基础上，总结变形特征，加强对异常值的判断，及时准确预报变形趋势，为相关部门研究决策提供技术参考。近年来，建筑物变形监测技术蓬勃发展，监测手段多种多样，如三维激光扫描技术、近景（倾斜）摄影测量技术、全球卫星定位技术以及地面变形监测技术等。工程实践经验表面，地面变形监测技术是技术成熟、监测精度高、应用范围较的一种监测方法。地面变形监测技术建筑物变形监测的主要流程就是在建筑体上或周围布置监测点，在其周围稳定位置布设基准点，利用各种高精度测量仪器进行定期、定点、定方案的监测，获取变形区内各监测点的三维坐标，得到监测点三维坐标的变化。地面变形监测采用的仪器较多，如全站仪、水准仪、经纬仪、测距仪等，近年来随着科技水平的发展和相关学科理论的进步，仪器的精度和自动化水平显著增强，为该技术应用提供了有力的支持。常用的地面监测方法主要有前方交会、双边距离交会、自由设站、极坐标法、视准线法，以及几何水准测量、精密三角高程测量等获取变形体、方向水平位移；用几何水准测量、精密三角高程测量等获得变形体 方向沉降；用小角法、视准线法、测距法等获得变形体的水平单向位移。地面监测方法监测精度高，灵活性强，能够适应不同外界环境、不同精度要求、不同监测形式的变形监测需求。将地面变形监测，技术应用于建筑物变形监测，技术上成熟，精度上可靠，工程应用较多。工程应用某区域新建高层写字楼，其周边有高层建筑物和居民楼，为了确保周边建筑物的安全，需要在基坑开挖和基层施工过程中对周边建筑物进行安全监测。本项目从基坑开挖前开始对基坑前方左侧 处的一幢 层高层建筑进行变形监测，主要监测水平位移和沉降情况。监测方案项目监测计划需根据基坑开挖情况来制定，根据前期了解情况，制订了如下监测计划：在基坑围护结构施工期沉降监测和水平位移监测每 一次；土方开挖至底板完成施工期沉降监测和水平位移监测每天 次；地下室主体结构施工期沉降监测每 一次，水平位移监测每 一次；跟踪期沉降监测和水平位移每 监测一次。具体见表。表 项目监测计划表 监测项目监测频率围护结构施工期（）土方开挖至底板完成施工期（）地下室主体结构施工期（）跟踪期（）初始值取定 次沉降、水平基准网每月 次沉降监测 一次 一次 一次水平监测 一次 一次 一次每 监测一次 沉降观测沉降监测基准网执行等垂直位移监测控制网的技术要求，布设成闭合水准路线进行观测。沉降监测点执行等垂直位移监测网的技术要求，布设成符合水准路线进行观测。主要技术要求分别见表、表。基准点作为沉降监测的起始依据，其稳定性十分重要。沉降监测基准点要在远离变形区 外的稳定结构上布设 个点。观测点在建筑物周围每隔 远布设一个，共计布设 个。基准点和沉降监测点标志均采用专门加工的不锈钢沉降钉做标志，沉降钉长约 ，直径 ，标志顶端既可以立水准尺，也可以安置测距棱镜。项目观测中，采用沉降测量、水平位移测量共用的形式。表 沉降监测控制网的主要技术要求（单位：）（：）等级相邻基准点高差中误差测站高差中误差往返较差，附合或环线闭合差检测已测高差之较差 表 沉降监测的主要技术要求（单位：）（：）等级高程中误差相邻点高差中误差往返较差，附合或环线闭合差 注：为测站数。项目采用美国产 电子水准仪，其标称精度每千米往返测高差中误差，水准仪配铟钢条码尺。水准路线的观测方法拟采用后后前前的观测方法。水准路线观测的同时进行中视点的测量。考虑 测绘与空间地理信息 年到水准仪 角大小及稳定性直接关系到沉降测量的成果质量，监测中从严控制水准仪 角角值及 角检测措施，本项目要求观测用的水准仪 角小于，水准测量每晚出测前检测仪器 角。为了提高测量速度，根据视线长度、视线高度、视距差等控制指标，采取固定仪器站的方法控制这些指标，同时将这些指标预先置入电子水准仪，观测过程中再用随机程序进行控制。水平位移观测指标见表。表 水准观测主要技术要求（单位：）（：）等级视线长度前后视距差前后视距差累计差视线离地面最低高度 基准网测量或检测采用科傻平差软件，以测站数为权进行严密平差，确定各基准点历次的高程值、评定高程中误差。历次垂直位移测量起讫于基准点，构成闭合或附合水准路线，按测站数进行闭合差分配，计算各监测点的高程。历次高程与上次高程比较计算本次沉降量，与初始高程比较计算累计沉降量。垂直沉降量以上隆为正值，下沉为负值。报表包括初始高程、上次高程、本次高程等测量值，计算本次沉降量、累计沉降量，并绘制各观测点的本次沉降量、累计沉降量曲线图。进行了 期沉降观测，得到 个沉降点变化曲线如图 所示。水平位移观测水平位移监测控制网采用等导线测量方法进行测 量，主要技术要求列于表，水平位移观测点相对邻近控制点坐标中误差为，垂直方向坐标分量中误差应为。水平位移监测点采用极坐标法进行测量，水平角和距离各观测两个测回。图 沉降变化曲线 表 水平位移监测控制网的主要技术要求 等级相邻基准点点位中误差（）平均边长（）测角中误差（）最弱边相对中误差全站仪标称精度水平角观测测回数距离观测测回数往测返测 水平位移监测基准点布置 个（、），水平位移监测点与沉降监测点一致。初次观测时，首先在 架设仪器，对 控制点定向、测距，即可建立坐标系，接着测定 的坐标；然后将仪器安装到 点，瞄准 定向、测距后，测定）的坐标。初期进行两次独立观测，误差范围内取均值确定各基准点的坐标值，这样即可确定了 个控制点的坐标。今后每个月进行一次的历次控制网复测则以、为已知点，构成附合导线进行检核。监测采用徕卡全站型测量机器人（）配合固定棱镜进行精密变形监测。仪器的标称精度为测角，测距（）。可以自动搜索、跟踪、识别观测棱镜，具有测量精度高、观测自动化等显著优势，尤其是其学习测量功能可按设定路线实现自动化观测，为长周期的变形监测提供了极大的便利。水平位移观测点采用极坐标法进行观测。水平位移初期测量独立观测两次，误差范围内取均值确定。水平位移主要整理 向的变化量，历次坐标值与上次坐标值比较计算本次位移量，与初始坐标值比较计算累计位移量。水平位移量以向施工工地方向位移为正值，反之为负值。报表包括垂直轨道方向坐标分量的初测值、上次值、本次值等测量值，绘制各观测点的本次水平位移量、累计水平位移量曲线图，如图 所示。图 水平位移变化曲线 变形分析根据建筑物变形规范要求，当变形未超过报警值时说明其是安全的，当超过允许值后，就需要对该建筑物进行分析研判，进行安全评估和应急处理，项目监测相关参数见表。截至目前，沉降变形量值均在 以内，水平位移量值均在 以内，说明该建筑物目前处于安全状态。表 监测指标控制参考表（单位：）（：）监测项目报警值警戒值允许值沉降变形水平位移第 期刘 璐等：建筑物地面变形监测技术及应用 结束语每次监测后，应尽快完成监测成果的计算与整理，及时进行监测成果的分析，当天内向有关单位提交监测成果及分析报告，根据变形监测的警戒值判断监测对象是否发生了变形，并分析发生变形的原因。发现超出警戒值的情况，及时书面或电话通知有关单位，以便及时采取措施，确保建筑物安全。本文根据监测项目情况制订了详细的监测方案，设置了相关参数，监测结果表明了该建筑物的安全状态。本文介绍的内容为工程技术人员开展相关工作提供了参考。参考文献：郑刚软土地区基坑工程变形控制方法及工程应用岩土工程学报，（）：王双龙，宋军，吴伟理，等基于变形速率的深基坑工程监测精度研究工程勘察，（）：，湛晓伟基坑周边建筑物沉降监测与变形分析兰州工业学院学报，（）：宋楚平一种改进的 神经网络深基坑变形预测方法土木工程与管理学报，（）：，夏伟，艾波，辛文鹏，等基坑变形监测分析及预报方法研究北京测绘，（）：刘振宇，高雪峰，袁欣华，等 技术在变形监测中的应用和发展趋势测绘与空间地理信息，（）：王丹建筑变形测量标准化新进展工程勘察，（）：侯惠锦，赵凤岐，王晓玥，等某小区建筑物地基变形监测分析勘察科学技术，（）：，黄新民，郭树森，邓建林，等建筑物变形监测沉降与倾斜成果关联性分析现代测绘，（）：岳建平，方露，黎昵变形监测理论与技术研究进展测绘通报，（）：赵增鹏，张子文 与 数据融合在变形监测中的应用研究测绘与空间地理信息，（）：，梁周雁，赵富燕，孙文潇，等基于三维激光扫描技术的地表变形监测方法研究测绘与空间地理信息，（）：，李海启，郭增长，乐平，刘等数字近景摄影在建筑物变形监测中的应用 地理空间信息，（）：卫建东现代变形监测技术的发展现状与展望测绘科学，（）：编辑：张 曦（上接第 页）合探讨，发现参数为四时精度最高，然后使用该模型进行参数外的拟合，结果表明模型外拟合的精度在 以内，符合工程测量中的要求。该方法可以有效弥补同监测面沉降点中点位沉降值缺失的问题，避免了在施工中再次进行水准测量。参考文献：游洪，米鸿燕，李勇发，等 技术支持下的高速铁路沿线沉降监测与预测 测绘科学，（）：韩科明基于长壁采空区覆岩稳定性的地表残余下沉系数计算方法矿山测量，（）：周立俊，黄腾，王思捷，等基于 的地铁隧道沉降预测地理空间信息，（）：王思捷，黄腾，周立俊，等奇异谱分析在地铁沉降预测中的应用地理空间信息，（）：彭广民基于对数、正弦变换优化的灰色模型预测基坑沉降测绘技术装备，（）：刘晃，江林，王志良，等大坝变形监测数据处理方法研究测绘技术装备，（）：，谢洋洋，付超，吴大鹏，等基于 模型的基坑周边建筑物沉降预测测绘地理信息，（）：周文韬，张文君，杨元继，等矿区地表沉降监测的一种组合模型预测方法大地测量与地球动