邢 君

(無(wú)錫水文工程地質(zhì)勘察院,江蘇 無(wú)錫 214063)

1 問(wèn)題的提出

隨著科學(xué)技術(shù)和經(jīng)濟(jì)社會(huì)的日益發(fā)展,各類(lèi)大型橋梁、水工建筑物、地下建 (構(gòu))筑物、高層建筑物等將越來(lái)越多,各類(lèi)建筑物的安全運(yùn)營(yíng)就顯得十分重要。為了檢查各類(lèi)工程建筑物及其地質(zhì)構(gòu)造的穩(wěn)定性,工程監(jiān)測(cè)必不可少。而監(jiān)測(cè)的目的主要是為了獲得變形體的變形數(shù)據(jù)用以研究變形體的空間狀態(tài)與時(shí)間特性,并對(duì)這些變形的原因做出科學(xué)的合理解釋。根據(jù)各類(lèi)建筑物的特點(diǎn),變形監(jiān)測(cè)與其它測(cè)量工作相比較,其精度要求較高,而且是有一定頻率的重復(fù)觀測(cè),故監(jiān)測(cè)的方法是值得探討的。本文將對(duì)國(guó)內(nèi)近幾年來(lái)工程監(jiān)測(cè)的方法及其相關(guān)問(wèn)題作綜合性的闡述。

2 橋梁變形觀測(cè)

橋梁在其使用和運(yùn)營(yíng)階段會(huì)發(fā)生各種程度不同的變形,目前所采用的監(jiān)測(cè)方法一般是常規(guī)地面測(cè)量方法。因橋梁的使用與結(jié)構(gòu)特殊性,以及受外界環(huán)境的影響和限制,它與其它建筑物變形觀測(cè)的手段略有差別。如廣州市東風(fēng)西路口處增涉河上的大跨徑桁架拱橋,其觀測(cè)方法為先進(jìn)行橋面縱坡測(cè)量,以此檢查橋面是否下垂和凸起或有無(wú)裂縫,再進(jìn)行河床斷面測(cè)量以檢查橋墩下是否存在沖刷現(xiàn)象。水平位移的測(cè)量是運(yùn)用在標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下檢定的鋼尺,往返丈量西孔橋墩、中孔橋墩、臺(tái)帽間的凈距,將往返丈量的長(zhǎng)度進(jìn)行溫度修正、尺長(zhǎng)修正、高差修正、垂度修正,然后與竣工時(shí)各相應(yīng)凈高比較而得到相對(duì)位移量。而撓度觀測(cè)是在中孔桁架拱肋上布設(shè)測(cè)點(diǎn),在橋面的相應(yīng)位置處安置固定的觀測(cè)點(diǎn),借用39.7 t重吊車(chē)作為撓度觀測(cè)的加載車(chē)。對(duì)橋梁跨中的偏載和中載2個(gè)不利的位置用Ni002型精密水準(zhǔn)儀進(jìn)行觀測(cè)[1]。

為了保障觀測(cè)精度,有些橋梁采取了一些特別措施。如武漢長(zhǎng)江大橋其橋墩觀測(cè)點(diǎn)是采用強(qiáng)制歸心手段,使用不同規(guī)格的球嵌與觀測(cè)墩連接,然后將微型水準(zhǔn)尺直接插人歸心孔內(nèi),以此達(dá)到水平、垂直位移共墩。由于該橋跨度大,各墩高程傳遞原則上按過(guò)河Ⅰ等水準(zhǔn)測(cè)量進(jìn)行。由于工作量太大,實(shí)際作業(yè)時(shí)采用長(zhǎng)視線跨墩水準(zhǔn)測(cè)量來(lái)完成,保持前后視距相等,每站4測(cè)回。而其水平位移觀測(cè)包括兩部分即沿河流上、下游方向橫向位移和沿軸線方向的縱向位移[2]。

橫向位移的觀測(cè)方法是在相鄰橋墩短視線通視條件好的情況下采用T3經(jīng)緯儀配合活動(dòng)覘牌來(lái)完成觀測(cè),因活動(dòng)覘牌法適用面較窄,一般用微角法進(jìn)行監(jiān)測(cè)。為減弱因長(zhǎng)短邊而引起調(diào)焦誤差,觀測(cè)中采用單角法或單方向法。實(shí)測(cè)時(shí)以短邊定向,這樣使長(zhǎng)邊方向上在度盤(pán)變換時(shí)不需調(diào)焦。縱向位移觀測(cè)采用特制鋼線尺和高精度的測(cè)距儀來(lái)完成。橋梁變形觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理,與其它變形觀測(cè)的數(shù)據(jù)處理方法基本相同[3]。

3 大壩變形觀測(cè)

就大壩而言,主要有重力壩、拱壩、堆石壩、土壩等[4]。導(dǎo)致混凝土壩變形的原因,除了壩體遭受地震及特大洪水等自然因素引起的極限荷載作用外,還有由于周期荷載、固定荷載、化學(xué)侵蝕、化學(xué)溶解、帷幕灌漿的失效、排水系統(tǒng)的變質(zhì)使基礎(chǔ)老化加劇等[5]。同時(shí),混凝土內(nèi)部溫度的影響也不可忽視。而土石壩的變形主要是由于內(nèi)部侵蝕、高水力坡降下壩基物質(zhì)的管涌、坡面的不穩(wěn)定、表面保護(hù)物質(zhì)的損壞或由于滲漏水的靜壓力引起心墻的斷裂等,根據(jù)這些特點(diǎn)其變形觀測(cè)的內(nèi)容與方法也有所區(qū)別?，F(xiàn)在各類(lèi)大壩的變形觀測(cè)主要由“內(nèi)觀”和 “外觀” 系統(tǒng)組成,而外部觀測(cè)則以常規(guī)的大地測(cè)量為主,以其它方法為輔,逐步向自動(dòng)化過(guò)渡[6]。大壩變形方式及主要監(jiān)測(cè)方法見(jiàn)表1。

表1 大壩變形方式及主要監(jiān)測(cè)方法表

4 高層建筑物的變形觀測(cè)

高層建筑物變形主要分傾斜、彎曲、扭轉(zhuǎn)等,引起變形的原因有太陽(yáng)輻射、風(fēng)荷載、交通通行產(chǎn)生的振動(dòng)、地震等[7]。由于高層建筑物的特殊結(jié)構(gòu),采用的觀測(cè)方法因高層建筑物的特性而定[8]。如高樓大廈的變形觀測(cè),一般采用三角測(cè)量或其它專(zhuān)用儀器設(shè)備。就某特定位置的高塔而言,在顧及彎曲和扭轉(zhuǎn)的影響下對(duì)其傾斜進(jìn)行研究一般用圖解解析法,即沿高塔東、西墻的基準(zhǔn)線在相互垂直的方向上安置經(jīng)緯儀,對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行高精度的角度觀測(cè),并測(cè)量其有關(guān)距離,然后用解析方法計(jì)算位移。近景攝影測(cè)量在高層建筑物的變形觀測(cè)中運(yùn)用也比較廣泛。如在測(cè)量某一高度煙囪時(shí),用非常簡(jiǎn)便的攝測(cè)四點(diǎn)法確定煙囪的傾斜分量,用矢量法確定煙囪的最大傾斜方向;為了檢測(cè)和提高精度,用經(jīng)緯儀定垂線,即在煙囪的頂部選一明顯點(diǎn)在保持水平角不變的情況下通過(guò)正、倒鏡取中數(shù)的方法在煙囪的下部確定某一標(biāo)志點(diǎn)的位置,并布設(shè)人工標(biāo)志。實(shí)踐證明,攝影測(cè)量的方法用于高層建筑物的變形研究是行之有效的。有些高層建筑物如電視塔變形觀測(cè)中,除一般觀測(cè)方法外還應(yīng)用了激光準(zhǔn)直系統(tǒng)等較先進(jìn)的儀器設(shè)備和方法[9]。

5 地下建筑物的變形觀測(cè)

由于地下建筑物具有一定的特殊性,基坑開(kāi)挖和內(nèi)襯施工及形成連續(xù)墻體之后,周?chē)鷰r土體均會(huì)發(fā)生形變,地下建筑物的觀測(cè)內(nèi)容較多。以上海人民廣場(chǎng)地下變電站原型觀測(cè)及黃埔電廠地下連續(xù)墻體觀測(cè)為例,就變形監(jiān)測(cè)而言,土體變形一般要觀測(cè):①地面變形,包括沉陷位移;②水平土體變位,包括傾斜和分層沉降。而墻體變形也要觀測(cè)沉陷、水平傾斜等位移量[10]。

觀測(cè)上述變形其方法是采用J2型經(jīng)緯儀,用全圓測(cè)回法測(cè)量水平位移;用S2型水準(zhǔn)儀測(cè)量其沉降變化;用土體測(cè)斜管進(jìn)行分層沉降的觀測(cè)。采用微機(jī)自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、變形自動(dòng)監(jiān)測(cè)。變形資料的分析一般通過(guò)編繪過(guò)程曲線圖和位移量變幅度表,通過(guò)比較進(jìn)行定性分析,通過(guò)建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行定量的對(duì)比研究[11-12]。

6 滑坡體變形觀測(cè)

滑坡是斜坡巖體在重力作用及其它因素的影響下,沿著一定的軟弱面整體滑動(dòng)形成的一種地質(zhì)、地貌現(xiàn)象?；麦w變形的監(jiān)測(cè)方法,一般采用地面觀測(cè)網(wǎng)法,兼顧其它各種監(jiān)測(cè)方法,水平位移中還可使用視準(zhǔn)線縱橫交叉觀測(cè)位移矢量法,用活動(dòng)覘牌照準(zhǔn)讀數(shù)[13]。如云南會(huì)澤境內(nèi)蘇家坪滑坡體,變形監(jiān)測(cè)就是采用三角網(wǎng)配合視準(zhǔn)線法觀測(cè)水平位移,用S2型水準(zhǔn)儀按四等水準(zhǔn)精度觀測(cè)沉降位移,收到了較好的監(jiān)測(cè)效果。而天生橋水電站廠房邊坡滑坡體則采用布置測(cè)斜孔,應(yīng)用CX一01型測(cè)斜儀觀測(cè)對(duì)廠房邊坡滑動(dòng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào),得到了滿(mǎn)意的結(jié)果。在著名的長(zhǎng)江三峽新灘滑坡中,成功地運(yùn)用立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng),即表面與深部變形相結(jié)合,重點(diǎn)和一般相結(jié)合,局部和整體相結(jié)合把監(jiān)測(cè)網(wǎng)和豎井觀測(cè)結(jié)合起來(lái),尤其是在深部變形觀測(cè)中,根據(jù)不同變形階段采用不同的儀器和方法觀測(cè)。如在緩慢蠕變階段,則主要采用基巖位錯(cuò)計(jì)監(jiān)測(cè);在等速蠕變階段,主要采用FTS120-1型附壁位移計(jì)監(jiān)測(cè);在加速蠕變階段,主要采用多點(diǎn)倒垂法即所謂多線倒垂法來(lái)監(jiān)測(cè)突變階段,以外部變形觀測(cè)為主進(jìn)行監(jiān)測(cè)。所謂多線倒垂法就是用一個(gè)可以活動(dòng)的浮體在一定拉力下逐個(gè)使各垂線呈鉛直狀態(tài)下而觀測(cè),然后通過(guò)計(jì)算各倒垂線與其基準(zhǔn)線之差來(lái)確定滑動(dòng)量。新灘滑坡通過(guò)使用上述立體監(jiān)測(cè)系統(tǒng),對(duì)滑動(dòng)區(qū)的宏觀和微觀變化進(jìn)行監(jiān)測(cè),都得到了滿(mǎn)意的成果?；麦w監(jiān)測(cè)的資料分析一般與大壩變形觀測(cè)數(shù)據(jù)處理方法類(lèi)似。而大壩變形二維極限平衡方法、三維穩(wěn)定分析法則更多地運(yùn)用到滑坡穩(wěn)定分析中來(lái)。速率面擬合法在沉降分析中也得到了廣泛應(yīng)用[14]。

7 結(jié) 語(yǔ)

對(duì)于不同的監(jiān)測(cè)工程,由于場(chǎng)區(qū)范圍不同、巖土介質(zhì)的復(fù)雜性和特殊性、工程結(jié)構(gòu)構(gòu)造特點(diǎn)的不同,因而工程監(jiān)測(cè)具有復(fù)雜性,監(jiān)測(cè)內(nèi)容相對(duì)較多和監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)等特點(diǎn),是一個(gè)復(fù)雜的系統(tǒng)工程。因此,實(shí)際上工程監(jiān)測(cè)不僅僅取決于監(jiān)測(cè)手段的高低和優(yōu)劣,還決定于監(jiān)測(cè)人員對(duì)監(jiān)測(cè)方法的了解程度和工況的掌握程度。在進(jìn)行有關(guān)工程監(jiān)測(cè)時(shí),監(jiān)測(cè)人員應(yīng)對(duì)監(jiān)測(cè)方法有全面的了解,只有對(duì)工程中的設(shè)計(jì)圖紙和施工步驟進(jìn)行深入細(xì)致的研究和掌握,才能做出有針對(duì)性的監(jiān)測(cè)方案和合理的工作程序,從而為決策部門(mén)提供合理的參數(shù)依據(jù)。此外,自動(dòng)化、智能化、高精度、高可靠性、實(shí)時(shí)、連續(xù)、遙控、遙測(cè)和網(wǎng)絡(luò)化等方法也將成為未來(lái)監(jiān)測(cè)技術(shù)的最終發(fā)展方向。

[1]張啟偉.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)概念與監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].同濟(jì)大學(xué)學(xué)報(bào),2001,29(1):65-69.

[2]鄔曉光,徐祖恩.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)動(dòng)態(tài)及發(fā)展趨勢(shì)[J].長(zhǎng)安大學(xué)學(xué)報(bào) (自然科學(xué)版),2003,23(1):39-42.

[3]陳政清,黃王.大型橋梁健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展 [J].中國(guó)鐵道科學(xué),2005,26(2):1-6.

[4]陳文燕,朱林,王文韜.大壩安全監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].電力環(huán)境保護(hù),2009,25(6):38-42.

[5]王玉潔.混凝土面板堆石壩監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)綜述 [J].大壩與安全,2006(1):1-4.

[6]曹文波,劉頂明,肖蘭.大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)綜合評(píng)價(jià)方法研究初探 [J].水利與建筑工程學(xué)報(bào),2009,7(3):155-158.

[7]李永盛.城市基坑施工監(jiān)控及其環(huán)境監(jiān)測(cè) [J].建筑施工,1999,21(1):35-37.

[8]李宏男,李東升.土木工程結(jié)構(gòu)安全性評(píng)估、健康監(jiān)測(cè)及診斷評(píng)述 [J].地震工程與工程振動(dòng),2002,22(3):82-89.

[9]孫鴻敏,李宏男.土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)研究進(jìn)展 [J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報(bào),2003,22(3):92-98.

[10]鮑永亮,鄭七振,唐建忠.地鐵盾構(gòu)隧道施工監(jiān)測(cè)技術(shù)[J].鐵道建筑,2009(5):44-48.

[11]曹江敏.高速公路長(zhǎng)大隧道施工動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)與數(shù)值模擬研究[J].鐵道建筑,2007,3(12):56-59.

[12]易小明,張頂立,陳鐵林.廈門(mén)海底隧道地層變形監(jiān)測(cè)與機(jī)制分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2007,26(11):2 302-2 308.

[13]羅志強(qiáng).邊坡工程監(jiān)測(cè)技術(shù)分析[J].公路,2002(5):45-48.

[14]劉東.滑坡地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測(cè)方法綜述[J].采礦技術(shù),2009,9(3):63-65.