既有建筑沉降變形遠程監測方法探討

■ 代紅超 Dai Hongchao

0 引言

我國既有建筑存量大，截至2 0 1 3年底的統計數據，我國建筑業房屋面積已經超過4 0 0億m2，其中，一半以上的房屋建筑使用已經超過1 0年，接近1/3的房屋使用已經超過20年，為老舊房屋。由于房屋的自然老化、人為破壞、自然災害等因素影響，房屋安全的相關問題逐年顯現。特別是建造在軟土地基上的砌體結構房屋，由于地基長期變形大、上部結構抗變形能力差，容易出現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，已發現一定數量的房屋存在整體嚴重傾斜現象。為明確上述房屋的地基變形發展情況，預防突發事故發生，需要進行沉降變形監測。

另外，隨著城市化進程的高速發展，地鐵隧道、城市道路隧道、深基坑等市政工程或城市建設工程施工不斷進行，上述施工可能會導致周邊土體的應力狀態變化、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測，明確施工過程中既有建筑的穩定性和安全性，同時，根據現場的實際情況，適當調整施工工藝方案與控制進度，確保周邊建筑物的安全。

1 沉降監測方法及原理

在既有建筑沉降監測方面，常用的方法為人工水準監測、靜力水準儀自動化監測、測量機器人自動化監測。

1.1 人工水準監測

人工水準監測首先在既有建筑周圍豎向承重構件上布置沉降觀測點，監測點的高程通過設置在周邊的基準點高程形成一條閉合環線水準路線。然后，采用WI L D N A 2或D S Z 2精密自動安平水準儀加測微器和銦瓦標尺，依照國家二等水準的閉合差標準進行測量。

1.2 靜力水準儀自動化監測

靜力水準系統又稱連通管△水準儀，系統至少由兩個觀測點組成，每個觀測點安裝一套靜力水準儀。靜力水準儀的貯液容器相互用通液管完全連通，貯液容器內注入液體，當液體液面完全靜止后系統中所有連通容器內的液面應同在一個大地水準面上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）。

假設既有建筑監測點中，測點1作為基準點，測點2～4相對測點1有所上升或下降，當系統內液面達到平衡靜止后形成新的水準面 i0，則各測點連通容器內的新液位值分別為：圖2）。

系統各測點的液位由靜力水準儀傳感器測得，各測點液位變化量分別為當△Hi為正值時，表示該測點貯液容器內的液面升高；當△Hi為負值時，表示該測點貯液容器內的液面降低（圖2）。

1.3 測量機器人自動化監測

圖1 靜力水準儀工作原理（一）

圖2 靜力水準儀工作原理（二）

測量機器人是一種能自動搜索、跟蹤、辨識和精確目標并獲取角度、距離、三維坐標以及影像等信息的電子全站儀。它是在全站儀基礎上集成馬達及視頻成像系統，并配置智能化的控制及應用軟件而發展形成的綜合性測量系統。測量機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勢。

示范區農業供水電價為0.53元/kWh，節水工程配套完建后斗渠渠道水利用系數為0.88。經計算，桃花山鎮農民用水者協會控制范圍內泵站運行費用為0.083元/m3；調關鎮農民用水者協會和東升鎮農民用水者協會控制范圍內泵站運行費用為0.018 元/m3。

變形監測系統主要采用極坐標差分法進行測量，每一個測量周期均按照極坐標的原理分別采集基準點和變形點的斜距、水平角、天頂距，通過計算得到監測點的實際坐標，根據兩周期的實際坐標差，就可求出監測點的三維位移量。

測量機器人自動變形監測系統的主體由全站儀、計算機、自動變形監測軟件、通信和供電設備、儀器墩、基準點及監測點棱鏡組成，系統構成如圖3所示。

在工作基點上建設監測室，安裝全站儀，并配備通訊和供電設備，在基準點和監測點上固定安裝反射棱鏡，從而構成整個變形監測網，實現全天24h的實時變形監測。

2 常見沉降監測方法的優缺點

目前，在沉降監測方面，人工水準監測應用最為普遍。傳統的人工監測基本能滿足大部分既有建筑的沉降變形監測需要，但也存在一些不足之處：①人工成本大，測量周期長；②監測結果的時效性較差，不能滿足有效預防既有建筑突發事故的監測需要；③在新建工程施工相鄰影響項目監測中，監測點容易被破壞；④觀測時段和頻率受限制；⑤監測數據處理工作量大。由于新建項目的復雜化、被監測既有建筑的區域化，既有建筑監測項目規模及數量不斷增大，傳統人工變形監測表現出了一定的局限性。

圖3 測量機器人自動變形監測系統示意圖

自動化監測是相對于傳統的人工監測而言的，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，獲取監測點變形數據，然后通過數據發射傳輸模塊實時傳輸至遠端計算機上，經過簡單的數據處理后即可實時顯示既有建筑的沉降變形數據，從而實現沉降監測的自動化、智能化。

測量機器人可以實現三維變形監測，在大壩、邊坡、地鐵、隧道等領域得到了較為廣泛的應用，可實現大范圍內的自動化監測，具有精度高、效率高、自動化程度高等優點，無論白天還是晚上，都能實現目標的自動識別、照準和跟蹤，保證了監測工程全天24h連續運行。

靜力水準儀自動化監測具有實時、動態、全天候、高精度等優點，但對于一般項目而言，獲得的數據為相對沉降數據，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目，如僅采用靜力水準儀一種監測手段，難以按照既有建筑物的累計沉降進行報警，不利于調整新建工程施工進度或施工措施；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定情況。

幾種常見沉降監測手段比較分析見表1。

3 基于靜力水準儀的既有建筑絕對沉降監測

靜力水準儀系統是測量兩點間或多點間相對高程變化的精密儀器，即根據靜力水準儀連通容器內液面的變化獲取各監測點相對于某監測點的相對豎向位移。對于既有建筑的監測，一般情況下，各監測點都可能會產生豎向變形，因此，監測結果只能反映各監測點間的相對豎向位移變化量。

3.1 監測方法

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

同時，當被監測對象為一個區域內的多幢既有建筑時，為了避免管路太長而影響測量結果的靈敏性，可以每一幢房屋或兩幢房屋自成一個獨立的靜力水準系統，通過設置轉點的方式，即在同一豎向棱線上布置2個靜力水準儀，分別對應2個獨立靜力水準系統的測點，把多個獨立靜力水準系統連為一體，最終獲得整個區域內全部建筑測點的絕對沉降。

3.2 缺點

基于靜力水準儀法對既有建筑進行絕對沉降監測，也存在一些劣勢，主要表現為：①被監測對象附近存在變形穩定的建（構）筑物，且能在其上安裝靜力水準儀并與監測對象測點形成靜力水準管路，實際工程中上述條件較難以滿足；②靜力水準管路不宜太長，宜控制在150m以內，否則各監測點靜力水準液面平衡時間較長，影響系統的靈敏性；③通過設置轉點法獲取整個區域的監測點絕對沉降時，靜力水準儀安裝及管路布設較為復雜，且設置轉點增加了靜力水準傳感器數量，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，采用盾構法進行隧道掘進。居民住宅樓建造于20世紀80年代，基本為多層磚混結構，豎向由縱橫砌體承重，預制板樓屋蓋，每層設有圈梁，未設置構造柱，基礎為天然地基淺基礎，地基為沿海軟土地基。

表1 常見沉降監測手段比較

由于居民住宅樓位于新建隧道的正上方或側方，部分房屋與隧道頂部距離較近，且既有建筑基礎剛度小，上部結構整體性較差，整體抗變形能力弱。因此，為防患于未然，應對既有住宅樓進行新建工程施工中的自動化監測。

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

4 靜力水準儀與測量機器人相結合的既有建筑絕對沉降監測

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，難以僅采用測量機器人一種手段對既有建筑進行全面的沉降自動化監測。同時，靜力水準儀法受線路長度、難以獲取絕對沉降等因素影響，亦非理想的絕對沉降監測手段。

4.1 監測方法

通過在既有建筑的同一豎向棱線上（以下簡稱共同測點），同時布置棱鏡和靜力水準儀，可以實現測量機器人與靜力水準系統相結合的絕對沉降監測，即可通過測量機器人自動化監測系統獲取共同測點的沉降絕對值；并通過靜力水準儀自動化監測系統，獲取其余測點相對于共同測點的相對沉降量，再加上共同測點的絕對沉降量，即為其余測點的絕對沉降量。

該種方法可有效彌補靜力水準儀和測量機器人在城市既有建筑沉降監測中各自的不足，優勢互補、取長補短，具有較好的應用前景。

圖4 靜力水準儀安裝及管路布置示意圖

4.2 案例分析

需要對某住宅小區內的6層砌體結構房屋進行沉降監測，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，每幢被監測房屋只有1個或2個角點可被監測到，監測結果不能全面反映既有多層住宅的沉降變形發展情況。

圖5 某項目自動化全站儀、棱鏡安裝位置示意圖

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

5 結語

綜上所述，對于既有建筑的絕對沉降變形自動化遠程監測，可采用基于靜力水準儀對既有建筑絕對沉降監測、靜力水準儀與測量機器人相結合的既有建筑絕對沉降監測兩種方法。前者需要確保被監測建筑周邊存在變形穩定的建構筑物，才能測得絕對沉降，并存在線路不宜太長、需要設置轉點等不足；后者可有效彌補在既有建筑沉降監測中靜力水準儀法一般只能測相對沉降、測量機器人法通視條件要求高等不足，優勢互補，取長補短，具有較強的操作性和較好的應用前景。