靜力水準測量法在房建工程沉降觀測中的應用

席澤煥

（甘肅省建筑設計研究院有限公司，甘肅 蘭州 730000）

0 引言

近年來，高層及超高層建筑物的建設發展迅速，為了使這些工程施工的質量及安全有所保障，項目參建方都會主動做好變形觀測工作。為了精準掌握建筑物的變形情況尤其是沉降量，應盡早建立健全高程控制網。靜力水準法能實現±0.1mm 的高精準度、自動化、實時沉降測量，且具有穩定性好、頻次高等優勢，能夠準確預判斷建筑物所處的穩定狀態。本文就該方法的原理、設備安裝及相關應用進行分析。

1 靜力水準儀系統概述

1.1 測量原理

靜力水準儀系統是測量高差及其變化的精密儀器，所有測點的垂直位移均是相對其中一點（基準點）變化，該點的垂直位移是相對恒定的，以便能精確計算出靜力水準儀系統各測點的沉降變化。具體工作原理：將各個需要監測的點使用管道連接，內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，假設在監測過程中，監測點位置發生變化，儀器內的液體也會同時發生變化，傳感器就能自動感應到浮筒的懸浮力，從而可以得到基準點高程及監測點高程變化。

1.2 初始狀態

該系統是由多個靜力水準儀所組成，分別將其組裝在各監測點上，使用連通管，把各個浮筒結合成一個整體，并在系統內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面上，這種液位狀態叫做初始狀態。

1.3 水準系統模型

由（6）式可得出以下結論：

2 靜力水準儀系統測量應用實例

本文選擇的監測項目是A 市應急救援指揮中心，已知其地下1 層，地上11 層。由建設方提供施工圖紙，工程測量、變形測量、地基基礎設計規范等。

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

3 測量儀器的安裝

測量儀器包括一臺數字水準儀DL-501（托普康DSO5 級)及配套水準標尺、蘭德HT2680A、計算機等?，F場施工時，嚴格按照設計要求進行放樣，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儀進行安裝，保障其處在同一水平位置，確保容器標高相同；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，把一個水平尺穩妥地安置在儲液筒上進行抄平，調整螺紋支撐桿，確保上半螺帽和儲液筒始終保持在水平狀態下；按照設計編號把浮筒放進儲液桶內，儲液桶頂部安裝傳感器保護罩并固定，連接好通氣管，確保所有容器中，液面以上壓力數值均能維持恒定；再安裝采集保護箱；參照設計圖紙，連接各測量單元的儀器電纜；完善基準測點高程值設計，對儲液桶中高程值進行校對，保證量程中間位置；安裝好自動化數據采集儀（BGK-MICRO-40），并做好數據觀察，通過通訊模塊傳送至計算機系統內。

4 基準網布設、觀測以及平差成果

4.1 基準網布設

布設基準網，在于為工程沉降點位現場觀測創造便利條件，因此，需要保證基準點狀態穩定可靠、便于復測操作。結合此工程地勘報告，及周圍地形分布特征，決定在工程變形影響區外，于狀態穩固的構筑物上布設3 個方位不同的基準點，組建閉合式沉降觀測基準網。

4.2 基準網觀測

嚴格按照國家一等水準測量的技術要求，閉合水準路線，配合應用數字水準儀觀測基準網，利用筆者所在單位自主研發的水準測量外業記錄軟件包錄入有關信息，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代表測站數目），兩個相鄰基準點、各站的高差中誤差要分別控制在±5mm、±15mm 以下[3]。

4.3 基準網平差成果

該工程應用假定高程系統觀測高程值，假設點位G1 高程是3650m（接近海拔高）。本文把基準網觀測平差成果作為觀測點位的沉降起算結果，確保其高精準度。嚴格按照設計要求，敷設好基準點并確保其相對穩定后，就可以觀測初始值，在該工程項目，要求連續觀測2 次初始值，計算出平均值將其作為基準點的高程成果。

基準網觀測外業工作完畢后，下載蘭德HT2680A內存儲的外業觀測信息，并將其完整地導入計算機系統內，利用外業記錄軟件包軟件進行微調尺長、正高數值以后，應用專業平差軟件測算出各監測點位的高程與精準度值，計算出相應的平均值，并將其設定成基準點第一次沉降觀測所得的高程成果。

5 沉降網布設、觀測及平差計算結果

5.1 布設沉降網

該工程布置沉降觀測點時，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，這樣才能精準地監測到建筑物的局部或者整體變形狀況。結合該房建工程的地質、基礎形式特征，決定在首層部位承重墻體共計布設19 個沉降觀測點，組成和水準路線有效附合的沉降觀測網[4]。

5.2 沉降網觀測

現場嚴格按照國家一等水準測量的技術要求及附合水準路線情況觀測沉降網，配合應用自主研發的外業記錄軟件包。在各次觀測活動中，按照附合水準路線連續觀測≥2 個水準點，確保擁有沉降觀測所需的檢核條件，減少或規避不必要的測量誤差。

5.3 沉降網平差計算

執行完沉降網設計周期觀測外業任務后，下載蘭德HT2680A 中的觀測數據，通過外業記錄軟件包進行規范化處理，有針對性地修正部分尺長和正高，平差軟件計算各點位的高程與精度。

6 沉降點觀測結果

6.1 沉降觀測點沉降量

通過沉降點沉降量統計發現,沉降量改變幅度均不大，連續2 次最大沉降量改變，B9 對應值是-0.96mm，沉降速率=-0.96mm/259d ≈0.004mm/d。把沉降速率＜0.03mm/d 設定為穩定階段的標準，如果實測沉降速率＜0.03mm/d 時，就可以暫停觀測工作；沉降點總計沉降量B17 的最大值是-2.15mm，B8 最小值是0.15mm。

6.2 監控預警值以及報警值

解讀建筑地基基礎設計相關規范，對于砌體承重及框架結構的建筑，兩個相鄰柱基的沉降差，變形允許值≤0.002×，選擇規范變形允許值作為監控報警值。而監控預警值是監控報警值的70%，實質上就是≤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值是10.74mm（B15-B16 觀測點，這兩點相鄰柱基的中心距離是24600mm），相鄰柱基的沉降差監控預警值、報警值分別是34.44mm、49.20mm，最大沉降差占監控預警值、報警值的31.2%、21.8%。綜合以上數據，可以認定，在該房建工程觀測全過程，地基變形值始終在監控預警值及報警值之下。

6.3 和傳統人工光學水準監測情況對比

通過比較靜力水準法和傳統人工光學法的水準監測情況（見表1），發現整體數據大體一致，沒有觀察到數據顯著偏差的觀測點，說明靜力水準儀能相對精準地呈現出建筑物的現場沉降情況。并且因靜力水準系統能實時監測數據，能在短時間內采集到大批量數據，從而更好地呈現出房建工程自身及周邊構造的沉降情況。

表1 靜力水準與光學水準觀測結果比較（單位:mm）

7 系統的檢查與維護

（1）系統安裝好之后，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，或者直接進行烘干處理。

（2）定時采用軟件系統測試，了解傳感器的工作狀況，及時發現異常情況并處理。

（3）觀察系統液面的高度，防止液面過高，導致液體滲流到傳感器內的情況出現。

（4）水準儀本身需要有良好的密封性，可以防止傳壓液體揮發或外部空氣滲入。

8 結束語

為了讓靜力水準系統能精準、可靠、持續地監測施工建造、營運過程中的穩定情況，測量單位一定要建立健全基準網，并和工程參建方加強配合，共同做好基準點與沉降點的布設與保護工作，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，從而準確調整工程項目的施工及運維管理方案。