席澤煥

（甘肅省建筑設(shè)計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，高層及超高層建筑物的建設(shè)發(fā)展迅速，為了使這些工程施工的質(zhì)量及安全有所保障，項目參建方都會主動做好變形觀測工作。為了精準(zhǔn)掌握建筑物的變形情況尤其是沉降量，應(yīng)盡早建立健全高程控制網(wǎng)。靜力水準(zhǔn)法能實(shí)現(xiàn)±0.1mm 的高精準(zhǔn)度、自動化、實(shí)時沉降測量，且具有穩(wěn)定性好、頻次高等優(yōu)勢，能夠準(zhǔn)確預(yù)判斷建筑物所處的穩(wěn)定狀態(tài)。本文就該方法的原理、設(shè)備安裝及相關(guān)應(yīng)用進(jìn)行分析。

1 靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)概述

1.1 測量原理

靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)是測量高差及其變化的精密儀器，所有測點(diǎn)的垂直位移均是相對其中一點(diǎn)（基準(zhǔn)點(diǎn)）變化，該點(diǎn)的垂直位移是相對恒定的，以便能精確計算出靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)各測點(diǎn)的沉降變化。具體工作原理：將各個需要監(jiān)測的點(diǎn)使用管道連接，內(nèi)部液體保持在同一水平線上，利用高精密度傳感器測量出各個容器的液位，懸吊式的自由浮筒為其傳感器，假設(shè)在監(jiān)測過程中，監(jiān)測點(diǎn)位置發(fā)生變化，儀器內(nèi)的液體也會同時發(fā)生變化，傳感器就能自動感應(yīng)到浮筒的懸浮力，從而可以得到基準(zhǔn)點(diǎn)高程及監(jiān)測點(diǎn)高程變化。

1.2 初始狀態(tài)

該系統(tǒng)是由多個靜力水準(zhǔn)儀所組成，分別將其組裝在各監(jiān)測點(diǎn)上，使用連通管，把各個浮筒結(jié)合成一個整體，并在系統(tǒng)內(nèi)注入一定比例的防凍液。液面靜止之后，每一個儀器中浮筒液位處于同一水準(zhǔn)面上，這種液位狀態(tài)叫做初始狀態(tài)。

1.3 水準(zhǔn)系統(tǒng)模型

由（6）式可得出以下結(jié)論：

2 靜力水準(zhǔn)儀系統(tǒng)測量應(yīng)用實(shí)例

本文選擇的監(jiān)測項目是A 市應(yīng)急救援指揮中心，已知其地下1 層，地上11 層。由建設(shè)方提供施工圖紙，工程測量、變形測量、地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范等。

該工程是變形相對較敏感的高層建筑物，依照既有規(guī)范要求，需要貫徹沉降觀測工作，參照相關(guān)規(guī)范規(guī)定，并且參照同類型工程既往觀測經(jīng)驗(yàn)，最后確定該工程隸屬于二等變形監(jiān)測等級，即變形點(diǎn)的高程中誤差≤±0.5mm[2]。

3 測量儀器的安裝

測量儀器包括一臺數(shù)字水準(zhǔn)儀DL-501（托普康DSO5 級)及配套水準(zhǔn)標(biāo)尺、蘭德HT2680A、計算機(jī)等。現(xiàn)場施工時，嚴(yán)格按照設(shè)計要求進(jìn)行放樣，使用螺栓把托架固定在墻面局部或測墩上，把儀器托架依照水準(zhǔn)儀進(jìn)行安裝，保障其處在同一水平位置，確保容器標(biāo)高相同；安裝托架后再把儲液筒安裝在托架局部，采用三螺紋支撐桿連接托架與儲液筒，把一個水平尺穩(wěn)妥地安置在儲液筒上進(jìn)行抄平，調(diào)整螺紋支撐桿，確保上半螺帽和儲液筒始終保持在水平狀態(tài)下；按照設(shè)計編號把浮筒放進(jìn)儲液桶內(nèi)，儲液桶頂部安裝傳感器保護(hù)罩并固定，連接好通氣管，確保所有容器中，液面以上壓力數(shù)值均能維持恒定；再安裝采集保護(hù)箱；參照設(shè)計圖紙，連接各測量單元的儀器電纜；完善基準(zhǔn)測點(diǎn)高程值設(shè)計，對儲液桶中高程值進(jìn)行校對，保證量程中間位置；安裝好自動化數(shù)據(jù)采集儀（BGK-MICRO-40），并做好數(shù)據(jù)觀察，通過通訊模塊傳送至計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)。

4 基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)、觀測以及平差成果

4.1 基準(zhǔn)網(wǎng)布設(shè)

布設(shè)基準(zhǔn)網(wǎng)，在于為工程沉降點(diǎn)位現(xiàn)場觀測創(chuàng)造便利條件，因此，需要保證基準(zhǔn)點(diǎn)狀態(tài)穩(wěn)定可靠、便于復(fù)測操作。結(jié)合此工程地勘報告，及周圍地形分布特征，決定在工程變形影響區(qū)外，于狀態(tài)穩(wěn)固的構(gòu)筑物上布設(shè)3 個方位不同的基準(zhǔn)點(diǎn)，組建閉合式沉降觀測基準(zhǔn)網(wǎng)。

4.2 基準(zhǔn)網(wǎng)觀測

嚴(yán)格按照國家一等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求，閉合水準(zhǔn)路線，配合應(yīng)用數(shù)字水準(zhǔn)儀觀測基準(zhǔn)網(wǎng)，利用筆者所在單位自主研發(fā)的水準(zhǔn)測量外業(yè)記錄軟件包錄入有關(guān)信息，將視線長度范圍控制在4～30m，控制前后視距差≤lm，前后視距累積差≤3m。路線閉合差≤±0.30代表測站數(shù)目），兩個相鄰基準(zhǔn)點(diǎn)、各站的高差中誤差要分別控制在±5mm、±15mm 以下[3]。

4.3 基準(zhǔn)網(wǎng)平差成果

該工程應(yīng)用假定高程系統(tǒng)觀測高程值，假設(shè)點(diǎn)位G1 高程是3650m（接近海拔高）。本文把基準(zhǔn)網(wǎng)觀測平差成果作為觀測點(diǎn)位的沉降起算結(jié)果，確保其高精準(zhǔn)度。嚴(yán)格按照設(shè)計要求，敷設(shè)好基準(zhǔn)點(diǎn)并確保其相對穩(wěn)定后，就可以觀測初始值，在該工程項目，要求連續(xù)觀測2 次初始值，計算出平均值將其作為基準(zhǔn)點(diǎn)的高程成果。

基準(zhǔn)網(wǎng)觀測外業(yè)工作完畢后，下載蘭德HT2680A內(nèi)存儲的外業(yè)觀測信息，并將其完整地導(dǎo)入計算機(jī)系統(tǒng)內(nèi)，利用外業(yè)記錄軟件包軟件進(jìn)行微調(diào)尺長、正高數(shù)值以后，應(yīng)用專業(yè)平差軟件測算出各監(jiān)測點(diǎn)位的高程與精準(zhǔn)度值，計算出相應(yīng)的平均值，并將其設(shè)定成基準(zhǔn)點(diǎn)第一次沉降觀測所得的高程成果。

5 沉降網(wǎng)布設(shè)、觀測及平差計算結(jié)果

5.1 布設(shè)沉降網(wǎng)

該工程布置沉降觀測點(diǎn)時，遵循的原則是建筑體的四角等主要特征性部位以及密度分布適宜，這樣才能精準(zhǔn)地監(jiān)測到建筑物的局部或者整體變形狀況。結(jié)合該房建工程的地質(zhì)、基礎(chǔ)形式特征，決定在首層部位承重墻體共計布設(shè)19 個沉降觀測點(diǎn)，組成和水準(zhǔn)路線有效附合的沉降觀測網(wǎng)[4]。

5.2 沉降網(wǎng)觀測

現(xiàn)場嚴(yán)格按照國家一等水準(zhǔn)測量的技術(shù)要求及附合水準(zhǔn)路線情況觀測沉降網(wǎng)，配合應(yīng)用自主研發(fā)的外業(yè)記錄軟件包。在各次觀測活動中，按照附合水準(zhǔn)路線連續(xù)觀測≥2 個水準(zhǔn)點(diǎn)，確保擁有沉降觀測所需的檢核條件，減少或規(guī)避不必要的測量誤差。

5.3 沉降網(wǎng)平差計算

執(zhí)行完沉降網(wǎng)設(shè)計周期觀測外業(yè)任務(wù)后，下載蘭德HT2680A 中的觀測數(shù)據(jù)，通過外業(yè)記錄軟件包進(jìn)行規(guī)范化處理，有針對性地修正部分尺長和正高，平差軟件計算各點(diǎn)位的高程與精度。

6 沉降點(diǎn)觀測結(jié)果

6.1 沉降觀測點(diǎn)沉降量

通過沉降點(diǎn)沉降量統(tǒng)計發(fā)現(xiàn),沉降量改變幅度均不大，連續(xù)2 次最大沉降量改變，B9 對應(yīng)值是-0.96mm，沉降速率=-0.96mm/259d ≈0.004mm/d。把沉降速率＜0.03mm/d 設(shè)定為穩(wěn)定階段的標(biāo)準(zhǔn)，如果實(shí)測沉降速率＜0.03mm/d 時，就可以暫停觀測工作；沉降點(diǎn)總計沉降量B17 的最大值是-2.15mm，B8 最小值是0.15mm。

6.2 監(jiān)控預(yù)警值以及報警值

解讀建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計相關(guān)規(guī)范，對于砌體承重及框架結(jié)構(gòu)的建筑，兩個相鄰柱基的沉降差，變形允許值≤0.002×，選擇規(guī)范變形允許值作為監(jiān)控報警值。而監(jiān)控預(yù)警值是監(jiān)控報警值的70%，實(shí)質(zhì)上就是≤0.0014（代表的是相鄰柱基的中心距離，mm）。

在觀測期間，建筑物的相鄰柱基的最大沉降差對應(yīng)值是10.74mm（B15-B16 觀測點(diǎn)，這兩點(diǎn)相鄰柱基的中心距離是24600mm），相鄰柱基的沉降差監(jiān)控預(yù)警值、報警值分別是34.44mm、49.20mm，最大沉降差占監(jiān)控預(yù)警值、報警值的31.2%、21.8%。綜合以上數(shù)據(jù)，可以認(rèn)定，在該房建工程觀測全過程，地基變形值始終在監(jiān)控預(yù)警值及報警值之下。

6.3 和傳統(tǒng)人工光學(xué)水準(zhǔn)監(jiān)測情況對比

通過比較靜力水準(zhǔn)法和傳統(tǒng)人工光學(xué)法的水準(zhǔn)監(jiān)測情況（見表1），發(fā)現(xiàn)整體數(shù)據(jù)大體一致，沒有觀察到數(shù)據(jù)顯著偏差的觀測點(diǎn)，說明靜力水準(zhǔn)儀能相對精準(zhǔn)地呈現(xiàn)出建筑物的現(xiàn)場沉降情況。并且因靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)能實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)，能在短時間內(nèi)采集到大批量數(shù)據(jù)，從而更好地呈現(xiàn)出房建工程自身及周邊構(gòu)造的沉降情況。

表1 靜力水準(zhǔn)與光學(xué)水準(zhǔn)觀測結(jié)果比較（單位:mm）

7 系統(tǒng)的檢查與維護(hù)

（1）系統(tǒng)安裝好之后，檢查干燥劑的情況，如果顏色變成淺紅色，要及時拆下更換備用干燥劑，或者直接進(jìn)行烘干處理。

（2）定時采用軟件系統(tǒng)測試，了解傳感器的工作狀況，及時發(fā)現(xiàn)異常情況并處理。

（3）觀察系統(tǒng)液面的高度，防止液面過高，導(dǎo)致液體滲流到傳感器內(nèi)的情況出現(xiàn)。

（4）水準(zhǔn)儀本身需要有良好的密封性，可以防止傳壓液體揮發(fā)或外部空氣滲入。

8 結(jié)束語

為了讓靜力水準(zhǔn)系統(tǒng)能精準(zhǔn)、可靠、持續(xù)地監(jiān)測施工建造、營運(yùn)過程中的穩(wěn)定情況，測量單位一定要建立健全基準(zhǔn)網(wǎng)，并和工程參建方加強(qiáng)配合，共同做好基準(zhǔn)點(diǎn)與沉降點(diǎn)的布設(shè)與保護(hù)工作，確保沉降觀測資料的有效性與及時性，為建筑沉降分析提供可靠依據(jù)，從而準(zhǔn)確調(diào)整工程項目的施工及運(yùn)維管理方案。