城市高层住宅变形层降监测与预报项目可行性研究报告.docx
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城市高层住宅变形层降监测与预报项目可行性研究报告
城市高层住宅变形层降监测与预报项目可行性研究报告
摘要
随着经济和城市化进程的不断发展，建筑越来越呈现向多层、高层和超高层发展的趋势。
而多层及高层建筑在建造的过程中必然产生一定的水平或者垂直位移，严重者甚至会危及建筑的安全，造成国家和人民重大的经济损失。
因此，建筑物的变形监测与预报是建筑施工中的一个不可或缺的重要环节，也是测绘工程领域研究的热点问题之一。
变形监测是一种监测变形体安全性的重要手段，它通过实时获取变形体的动态位移信息来预警变形体的安危状况。
在测量工作的实践和科学研究的活动中,变形监测都占有重要的位置。
本文主要针对多层及高层建筑物，研究探讨建筑工程变形监测常用技术方法以及如何在保证建筑工程自身稳定的同时，有效控制建筑的变形以保证工程及周围环境安全的技术和方法。
总之，建筑变形监测己经成为建筑设计、监测、施工中的一项重要内容。
本文重点分析比较几种不同变形观测的方法，特别是建筑基坑变形、建筑沉降位移、水平位移、倾斜位移、沉降位移、挠度的变形监测。
1绪论
1.1引言
20世纪80年代以来，我国建筑工程建设发展迅速，伴随着人民生活水平的提高以及人民群众数量的增加，建筑工程数量也在急剧增加，并向高层、超高层方向发展，技术上也有了长足的进步。
上世纪70年代末以前，国内只在少数大型建筑工程。
到1999年，10层以上的高层建筑累计己达1亿多平方米，多层建筑更是数不胜数。
进入21世纪后出现了更多的高层建筑和超高层建筑工程，特别是北京、上海、广州等城市。
建筑工程是实用性、经验性极强的学科，是随着工程实践不断提高的科学。
然而由于建筑工程设计理论不尽完善、施工的不可预见性、地层性质变异性大，周边环境的错综复杂，建筑物的开裂以及建筑物的水平位移倾斜等事故屡有发生，造成了巨大的经济损失、引起了严重的社会后果。
在国务院颁布的《建设工程安全生产管理条例》中，列出了建设工程七大危险性较大的分部分项工程，建筑工程就占了其中的两项，可见建筑工程安全越来越受到国家和人民的关注。
有关专家教授曾对全国160余项建筑工程事故进行了细致的调查分析。
从这些事故分析中得出一个重要结论:
建筑工程事故大多与监测不力或险情预报不准确有关。
换言之，如果建筑工程变形监测与险情预报准确而及时，并采取相应的应急措施，就可以防止重大事故的发生，或者可以将事故所造成的损失减少到最小。
经过近些年的理论研究和工程实践，人们逐渐认识到建筑工程监测既是实现信息化施工、避免事故发生的有效措施，又是完善、发展设计理论、设计方法和提高施工水平的重要手段。
通过对建筑工程施工进行严密监测可以为施工及时提供反馈信息;为建筑物周围环境进行及时有效的保护提供依据;将监测结果反馈设计，通过对监测结果同设计预估值的比较、分析，检验设计理论的正确性，并且可以为今后的优化设计提供依据。
总之，建筑物的变形监测已经是建筑物设计、监测、施工的整个过程中不可或缺的一个重要环节。
1.2本文研究的主要内容
本文研究的是建筑变形监测的方法，首先要了解的是建筑检测的必要性、目的，及建筑检测的内容和有关的方法原理，通过具体的工程实例分析对建筑检测技术进行探讨。
建筑物的变形观测主要包括对建筑基坑位移、建筑沉降位移、水平位移、倾斜位移、挠度、裂缝等的监测，本文着重分析研究建筑物基坑变形监测、建筑沉降监测、建筑水平位移的变形监测。
通过对变形监测方法的分析比较，提出减小变形监测误差的方法，使建筑物的变形监测的成果更真实可靠。
2建筑变形监测概述
2.1建筑变形监测
建筑变形监测是指在施工及使用期限内，对建筑基坑及周边环境实施的检查、监控工作。
建筑变形监测内容主要包括：
建筑基坑变形监测、建筑沉降监测、建筑水平位移监测、建筑倾斜位移监测、裂缝、挠度、周围建（构）筑物、周围地下管线及地下设施、周围重要的道路、其他应监测的对象。
2.2建筑变形监测的必要性
通过监测工作可及时发现不稳定因素、验证设计、指导施工、保障业主和相关社会的利益及分析区域性施工特征等。
在建筑物的施工过程中，建筑物不可避免的会产生一定的水平位移、倾斜位移、沉降位移、挠度、裂缝，严重者甚至会危及建筑的安全，造成国家和人民重大的经济损失。
因此，为了保证人民的生命安全以及国家和人民的经济财产，建筑物的变形监测与预报是建筑施工中的一个不可或缺的重要环节，它对建筑物安全的必要性更是不言而喻。
2.3建筑变形监测的目的
在测量工作的实践和科学研究的活动中，变形监测占有重要的位置。
从建筑物的地下工程施工开始到建筑物竣工结束，以及建筑物施工的整个过程中都要不断的对工程建筑物进行监测，以便更好的掌握工程建筑物变形的情况，及时发现问题，保证工程建筑物的安全。
若不对工程进行监测，及时发现问题并采取措施，控制变形发展，就难以保证工程安全和人们的生命财产安全。
建筑变形监测的目的主要有:
l）为信息化施工提供依据。
通过监测可随时建筑物水平和垂直方向上的变形情况。
2）为建筑物周边环境中的建筑和各种设施的保护提供依据;
3）为优化设计提供依据;
2.4建筑变形监测方案的设计
2.4.1设计的原则
监测方案必须在收集各种相关资料和信息的基础上综合分析而进行设计，因为其对建筑的设计、施工及运行都有很大影响。
监测方案设计的原则主要有如下几个主要的方面:
①可靠性原则:
为了保证监测的可靠必需要有可靠的仪器设备且必需在监测期内保护好监测点。
这是监测设计需要考虑的最重要的原则。
②多层次原则。
主要包括以下几个方面:
1、监测对象上在考虑监测其他物理量的基础上以位移监测为主;2、在监测方法上以仪器监测为主，并辅以目测巡视的方法;
③重点监测关键区的原则。
所谓关键区是指易出问题且一旦出问题将会造成很大损失的部分。
对其要进行重点监测并尽早实施。
④实用方便的原则。
为了减少监测与施工之间的相互干扰，监测系统的安装和测试要尽可能的做到方便实用。
⑤经济合理的原则。
为了减少监测成本费用在系统设计时应尽可能选实用又便宜的仪器。
2.4.2方案内容的制定
应在施工前制定严密的监测方案，因为建筑监测是一个集信息采集及预测于一体的完整的系统，而不是一个简单的信息采集过程。
监测方案设计一般应包括以下几个主要方面:
①确定监测目的，不同环境下的建筑监测目的应有所侧重和不同。
要根据场地的水文条件、工程地质条件、周围环境来确定。
②确定并保护基准点与监测点;
③确定监测方法的精度、频率及监测周期;
3建筑基坑变形监测内容及方法原理
本章将结合相关的工程实例来了解建筑变形监测的具体内容，同时研究分析与每项监测内容相关的的方法原理。
3.1工程概况
在建筑工程监测内容设计前,应参照国家及当地的相关规范、标准,熟悉建筑的设计方案和施工图纸,了解工程施工组织设计,并进行必要的现场踏勘。
确定变形监测内容及相应的监测方法。
本章结合工程实例确定基坑变形监测的内容及方法原理，其工程概况如下：
本工程位于洛阳市九都路路以南、体育路以西地块。
本工程总建筑面积约106519m2，其中，地上建筑面积约88440m2，地下建筑面积约18079m2。
基础采用800mm、700mm的筏板基础。
本工程建筑±0.000相当于绝对标高+148.05，本工程包括西区及东区两部分，西区基坑在东区Ⅰ、Ⅱ块底板施工完毕后开挖。
西区地下室底板顶相对标高-8.200m底板厚800mm，垫层100mm，坑底标高-9.100m，基坑开挖深度9.00m，电梯井等局部深坑加深1.8m；东区地下室底板顶相对标高-5.900m，底板厚700mm，垫层100mm，坑底标高-6.700m，基坑开挖深度6.60m，电梯井等局部深坑加深1.35m～1.80m。
本基坑采用钻孔灌注桩围护结构,东区基坑围护墙体主要采用φ700@900钻孔灌注桩，有效桩长12.5m，坑边局部落深处采用φ800@1000钻孔灌注桩，有效桩长16.0m；西区基坑围护墙体主要采用φ800@1000钻孔灌注桩，有效桩长17.5m，坑边局部落深处采用φ900@1100钻孔灌注桩，有效桩长21.0m。
东区南侧及西区止水帷幕采用单排三轴3φ850@1200搅拌桩，轴间距600，相互搭接250，幅与幅间搭接850，桩长14.5、17.5m；东区其余部分止水帷幕采用单排三轴3φ650@900搅拌桩，轴间距450，相互搭接200，幅与幅间搭接650，桩长14.5、17.5m；采用一喷一搅工艺。
搅拌桩与灌注桩间净距100～200mm，围护桩与搅拌桩间设压密注浆；搅拌桩顶设150mm厚C20混凝土压顶。
坑底加固采用双轴水泥搅拌桩2φ700@1000，加固深度坑底以下4m；深坑采用压密注浆封底，深度自坑底至坑底下2m。
3.2变形监测的主要内容
根据工程的要求、周围环境、基坑本身的特点及相关工程的经验，按照安全、经济、合理的原则，测点布置主要选择在2倍以上基坑开挖深度范围布点，拟设置的监测项目如下：
（一）周边环境监测
地下综合管线垂直位移监测
周边河堤垂直位移、水平位移及裂缝监测
（二）基坑围护监测
围护顶部垂直、水平位移监测
围护结构侧向位移监测
坑外土体侧向位移监测
支撑轴力监测
坑外潜水水位观测
3.3监测方法原理
为保证所有监测工作的统一，提高监测数据的精度，使监测工作有效的指导整个工程施工，监测工作采用整体布设，分级布网的原则。
即首先布设统一的监测控制网，再在此基础上布设监测点（孔）。
3.3.1监测点水平位移测量
采用轴线投影法。
在某条测线的两端远处各选定一个稳固基准点A、B，经纬仪架设于A点，定向B点，则A、B连线为一条基准线。
观测时，在该条测线上的各监测点设置觇板，由经纬仪在觇板上读取各监测点至AB基准线的垂距E，某监测点本次E值与初始E值的差值即为该点累计水平位移，各变形监测点初始E值均为取两次平均的值。
采用瑞士WILDT2经纬仪来测试。
3.3.2围护结构侧向位移监测
在基坑围护地下钻孔灌注桩的钢筋笼上绑扎安装带导槽PVC管，测斜管管径为Φ70mm，内壁有二组互成90°的纵向导槽，导槽控制了测试方位。
埋设时，应保证让一组导槽垂直于围护体，另一组平行于基坑墙体。
测试时，测斜仪探头沿导槽缓缓沉至孔底，在恒温一段时间后，自下而上逐段（间隔0.5米）测出X方向上的位移。
同时用光学仪器测量管顶位移作为控制值。
在基坑开挖前，分二次对每一测斜孔测量各深度点的倾斜值，取其平均值作为原始偏移值。
“＋”值表示向基坑内位移，“－”值表示向基坑外位移。
仪器采用美国Geokon-603测斜仪或北京航天CX-06型测斜仪进行测试，测斜精度±0.1mm/500mm，见图3.1：
图3.1测斜仪
测试原理见图3.2：
图3.2测斜仪工作原理
计算公式：
式（3.1）
式中：
△Xi为i深度的累计位移（计算结果精确至0.1mm）
Xi为i深度的本次坐标（mm）
Xi0为i深度的初始坐标（mm）
Aj为仪器在0方向的读数
Bj为仪器在180方向上的读数
3.4监测频率与资料整理提交
3.4.1监测初始值测定
为取得基准数据，各观测点在施工前，随施工进度及时设置，并及时测得初始值，观测次数不少于2次，直至稳定后作为动态观测的初始测值。
测量基准点在施工前埋设，经观测确定其已稳定时方才投入使用。
稳定标准为间隔一周的两次观测值不超过2倍观测点精度。
基准点不少于3个，并设在施工影响范围外。
监测期间定期联测以检验其稳定性。
并采用有效保护措施，保证其在整个监测期间的正常使用。
3.4.2施工监测频率
根据工况合理安排监测时间间隔，做到既经济又安全。
根据以往同类工程的经验，拟定监测频率为见表3.2（最终监测频率须与设计、总包、业主、监理及有关部门协商后确定）。
表3.2施工监测频率
监测内容
监测频率
围护施工
坑内降水
基坑工程开挖
底板浇筑后
支撑拆除期间
周边地下管线
垂直位移监测
2次/周
1次/3天
1次/1天
1次/3天
1次/1天
河堤垂直、
水平位移监测
2次/周
1次/3天
1次/1天
1次/3天
1次/1天
围护顶部垂直、
水平位移监测
/
/
1次/1天
1次/3天
1次/1天
围护结构侧向位移监测
/
/
1次/1天
1次/3天
1次/1天
坑外土体侧向位移监测
/
1次/3天
1次/1天
1次/3天
1次/1天
支撑轴力监测
/
/
1次/1天
1次/3天
1次/1天
立柱桩垂直位移监测
/
/
1次/1天
1次/3天
/
坑外潜水水位观测
/
1次/1天
1次/1天
1次/3天
1次/1天
说明
1、现场监测将采用定时观测与跟踪观察相结合的方法进行。
2、监测频率可根据监测数据变化大小进行适当调整。
3、监测数据有突变时，监测频率加密到每天二～三次。
4、各监测项目的开展、监测范围的扩展，随基坑施工进度不断推进。
4建筑沉降监测
4.1监测方法的分析与确定
目前，建筑沉降位移监测的主要方法是用几何水准测量法、精密三角高程测量法观测变形体的垂直方向位移。
水准测量又称几何水准测量，是测定地面点高程的主要方法之一。
水准测量是使用水准仪和水准尺，利用水准仪提供的水平视线测定地面两点之间的高差，再由已知点的高程推求待测点的高程。
当所测两点之间距离较短时，可用水平面来代替水准面，测定地面两点间的高差。
三角高程测量的基本思想是根据右测站点向照准点所观测的竖直角（或天顶距）和它们之间的水平距离，应用三角函数的计算公式，计算测站点与照准点之间的高差。
这种方法简便灵活，受地形条件限制较少。
在变形监测中我们一般采用水准测量，所以本章着重研究几何水准测量法在基坑沉降监测中的应用。
本章结合第三章中的工程实例进行分析。
4.2点位布设
（1）要保证稳定、可靠观测方便等诸多因素，桩墙测点一般布置在将维护桩墙连接起来的混凝土圈梁、水泥搅拌桩、土钉墙、放坡开挖时的上部压顶上，顶部应加水准专用标志，在沉降观测前应对水准基点进行联测，使其成为一个严密统一的系统，在沉降观测过程中，宜每间隔1个月应对其联测一次本次沉降观测拟设定水准基点个，采用一等水准方法施测。
立柱沉降测点应直接布置在立柱上方的支撑面上，对很多支撑交会受力复杂处的立应做重点监测，用做施工栈桥的立柱也应重点监测。
（2）沉降观测点的布设：
本工程根据设计要求设置建筑物沉降观测点2个。
标志的埋设位置应避开入水管窗台线暖气片暖水管电器开关等有碍标志与观测的障碍物，并应视立尺需要离开墙（柱）面和地面一定距离，本次设计要求沉降观测点设置标高为高出建筑地面0.5米.沉降观测点的观测采用二等水准方法施测。
4.3建立高程控制网施测
在远离施工影响范围以外布置3个以上稳固高程基准点，这些高程基准点与施工用高程控制点联测，沉降变形监测基准网以上述稳固高程基准点作为起算点，组成水准网进行联测。
本次沉降观测水准基点的联测按一级水准测量进行，采用级水准仪配合铟瓦合金标尺光学测微法往返测定高差观测时，往测奇数站的观测顺序为后-前-前-后，偶数站的观测顺序为前-后-后-前；反测时，奇偶测站的观测顺序与往测偶奇测站的观测顺序相同。
4.4观测技术要求
基准网按照国家Ⅱ等水准测量规范和建筑变形测量规范二级水准测量要求执行，精密水准测量的主要技术参照表4.1：
表4.1精密水准测量的主要技术要求
每千米高差
中误差（mm）
水准仪
等级
水准尺
观测次数
往返较差、附合或
环线闭合差（mm）
偶然中误差
全中误差
DS1
铟瓦尺
往返测各一次
4
或1.0
1
2
注：
L为往返测段、环线的路线长度（以km计）；
观测措施：
本高程监测基准网使用WILDNA2+GPM3自动安平水准仪及配套铟瓦尺，外业观测严格按规范要求的二等精密水准测量的技术要求执行。
为确保观测精度，观测措施制定如下。
①作业前编制作业计划表，以确保外业观测有序开展。
②观测前对水准仪及配套因瓦尺进行全面检验。
③观测方法：
往测奇数站“后—前—前—后”，偶数站“前—后—后—前”；返测奇数站“前—后—后—前”，偶数站“后—前—前—后”。
往测转为返测时，两根标尺互换。
④测站视线长、视距差、视线高要求见表4.2：
表4.2测站视线长、视距差、视线高要求
标尺类型
视线长度
前后视距差
前后视距累计差
视线高度
仪器等级
视距
视线长度20m以上
视线长度20m以下
铟瓦
DS1
≤50m
≤1.0m
≤3.0m
0.5m
0.3m
表4.3测站观测限差
基辅分划读数差
基辅分划所测高差之差
上下丝读数平均值与中丝读数之差
检测间歇点高差之差
0.4mm
0.6mm
3.0mm
1.0mm
。
4.5沉降观测的数据处理
每周期观测后，应及时对观测资料进行整理，计算观测点的沉降量沉降差以及本周期平均沉降量和沉降速度。
各类观测点观测成果的计算与分析应符合以下要求：
（1）观测值中的系统误差应减小到最小程度；
（2）合理处理随机误差，正确区分测量误差与变形信息；
（3）各期观测成果的处理应建立在统一的基准上；
（4）按网点的不同要求，合理估计观测成果精度，正确评定成果质量。
5建筑水平位移的变形监测
5.1测点布置和埋设
水平位移监测点分为基准点、工作基点、变形监测3种基准点和工作基点均为变形监测的控制点。
基准点一般距离施工场地较远，应设在影响范围以外，用于检查和恢复工作基点的可靠性；工作基点则布设在建筑周围较稳定的地方，直接在工作基点上架设仪器对水平变形监测点进行观测。
监测点应按要求布设，并要反映围护体系变形特征。
根据这一原则，施工单位将围护结构垂直、水平位移监测点和围护结构测斜孔布置在同一部位。
监测基准点和工作基点在有条件的情况下采用强制对中设备，以减少对中误差对观测结果的影响。
5.2平面控制网的建立和初始值的观测
水平位移监测控制网宜按两级布设，由控制点（基准点、工作基点）组成首级网，由观测点及所联测的控制点组成扩展网。
对于单个目标的位移监测，可将控制点同观测点按一级布设。
监测埋设的监测点稳定后，应在基坑开挖前进行初始值观测，初始值一般应独立观测2次，2次观测时间间隔尽可能的短，2次观测值较差满足有关限差值要求后，取2次观测值的平均值作为初始值。
水平位移监测以初始值为观测值比较基准，水平位移变形监测应视基坑开挖情况即时开始实施。
5.3水平位移监测方法的分析和比较
对常用的几种水平位移的观测方法进行了比较系统的分析和比较，列出了这几种方法的原理，精度分析，优点以及不足，他们适用的场合等内容，对于在生产实践中进行水平位移观测时进行方法的选取具有一定的指导价值。
当要观测某一特定方向（譬如垂直于基坑维护体方向）的位移时，经常采用视准线法、小角度法等观测方法。
但当变形体附近难以找到合适的工作基点或需同时观测变形体两个方向位移时，则一般采用前方交会法。
另外还有极坐标法以及一些困难条件下的水平位移观测方法。
5.3.1视准线法
当需要测定变形体某一特定方向（譬如垂直于基坑维护体方向）的位移时，常使用视准线法或测小角法。
原理：
如图5.1所示，点A、B是视准线的两个基准点（端点），1、2、3为水平位移观测点。
观测时将经纬仪置于A点，将仪器照准B点，将水平制动装置制动。
竖直转动经纬仪，分别转至1、2、3三个点附近，用钢尺等工具测得水准观测点至A—B这条视准线的距离。
根据前后两次的测量距离，得出这段时间内水平位移量。
图5.1视准线法
精度分析：
由基准线的设置过程可知，观测误差主要包括仪器测站点仪器对中误差，视准线照准误差，读数照准误差，其中，影响最大的无疑是读数照准误差。
可知，当即准线太长时，目标模糊，读数照准精度太差；且后视点与测点距离相差太远，望远镜调焦误差较大，无疑对观测成果有较大影响。
另外此方法还受到大气折光等因素的影响。
优点：
视准线观测方法因其原理简单、方法实用、实施简便、投资较少的特点,在水平位移观测中得到了广泛应用，并且派生出了多种多样的观测方法，如分段视准线，终点设站视准线等。
不足：
对较长的视准线而言,由于视线长,使照准误差增大,甚至可能造成照准困难。
当即准线太长时，目标模糊，照准精度太差且后视点与测点距离相差太远，望远镜调焦误差较大，无疑对观测成果有较大影响。
精度低，不易实现自动观测，受外界条件影响较大，而且变形值（位移标点的位移量）不能超出该系统的最大偏距值，否则无法进行观测。
5.3.2测小角法
当需要测定变形体某一特定方向（譬如垂直于基坑维护体方向）的位移时，常使用视准线法或小角度法
原理：
如图5.2所示，如需观测某方向上的水平位移PP′，在监测区域一定距离以外选定工作基点A，水平位移监测点的布设应尽量与工作基点在一条直线上。
沿监测点与基准点连线方向在一定远处（100-200m）选定一个控制点B，作为零方向。
在B点安置觇牌，用测回法观测水平角∠BAP，测定一段时间内观测点与基准点连线与零方向间角度变化值，根据δ=△β×D/ρ（式中D为观测点P至工作基点A的距离，ρ=206265）计算水平位移。
图5.2小角法
精度分析：
由小角法的观测原理可知，距离D和水平角β是两个相互独立的观测值，所以由上式根据误差传播定律可得水平位移的观测误差：
式（5.1）
水平位移观测中误差的公式，表明：
1距离观测误差对水平位移观测误差影响甚微，一般情况下此部分误差可以忽略不计，采用钢尺等一般方法量取即可满足要求；
2影响水平位移观测精度的主要因素是水平角观测精度，应尽量使用高精度仪器或适当增加测回数来提高观测度；
3经纬仪的选用应根据建筑物的观测精度等级确定，在满足观测精度要求的前提下，可以使用精度较低的仪器，以降低观测成本。
优点：
此方法简单易行，便于实地操作，精度较高。
不足：
须场地较为开阔，基准点应该离开监测区域一定的距离之外，设在不受施工影响的地方。
5.3.3极坐标法
极坐标法属于边角交会，是边角交会的最常见的方法。
原理：
图5.3极坐标法
如图5.3所示：
在已知点A安置仪器，后视点为另一已知点B，通过测得AB—AP的角度以及A点至P点的距离，计算得出P点坐标。
设A点坐标为A（XA，YA），A—B的方位角为αA-B，则P点坐标P（XP，YP）的计算公式为：
式（5.2）
式（5.3）
由微分公式可得：
式（5.4）
式（5.5）
精度分析：
设测边中误差为ms,测角中误差为mβ则待定点的点位中误差为:
式（5.6）
两个方向的水平位移中误差为：
式（5.7）
式（5.8）
其中，ms为测距中误差，mβ为测角中误差，αA-B为A-B边的方位角，ρ=206265。
优点：
使用方便，尤其是利用全站仪进行测量可以直接测得坐标，简单快速。
不足：
精度较低，适用于精度不是很高的水平位移监测工作。
5.4本章结论
本章分析了多种水平位移监测方法。
每一种方法，都有自己的特点，我们在选用水平位移测量方法的时候，既要考虑到精度，可行性，也要考虑到经济等方面的问题。
在满足精度要求的前提下，尽量使用简单实用经济的方法。
对于不同的现场，有不同的特点，不一定采用一种方法，可以采用两种或者两种以上方法结合来进行水平位移的监测。
但是由于基坑支护施工现场的场地条件复杂多变性,对采用传统方式进行变形监测产生严重影响往往观测
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