建筑物沉降的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)

1、建筑物沉降的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)熊春寶1，孫明1，王儒杰2（1.天津大學(xué)建筑工程學(xué)院，天津300072; 2.天津市建設(shè)工程質(zhì)量監(jiān)督管理總站，天津300191）摘要：介紹了一種用于監(jiān)測建筑物沉降的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)。將液體靜力水準(zhǔn)測量、電磁式位移傳 感、計(jì)算機(jī)、GPRS無線通信等技術(shù)集成于一體，該系統(tǒng)具有如下功能：監(jiān)測數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)連續(xù)采集與管理、 建筑物沉降的自動(dòng)計(jì)算與分析、信息的遠(yuǎn)程無線發(fā)布與預(yù)警。該系統(tǒng)已成功應(yīng)用于天津西站主站樓整體平 移搬遷的施工過程中，對于此工程的施工進(jìn)度以及施工措施的適時(shí)調(diào)整起到了關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用。關(guān)鍵詞：建筑物沉降；實(shí)時(shí)；遠(yuǎn)程；自動(dòng)監(jiān)測A Real-time Rem

2、ote Automatic System forMonitoring the Settlement of BuildingXIONG Chun-bao1, SUN Ming1, WANG Ru-ji序(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Construction Quality Supervision Center, Tianjin300191, China)Abstract： A system, which is real-time, remote, aut

3、omatic for monitoring the settlement of building, is introduced. Hydrostatic leveling, displacement sensing by electromagnetism, computer technology and GPRS wireless communication are integrated into the system. The system has the following functions: real-time, continuous acquisition and managemen

4、t of the measured data; automatic computation and analysis of the settlement; remote, wireless release of information and early-warning. Applied successfully to monitor the settlement of the main building of Tianjin West Railway Station in integral moving, the system has taken the key directive effe

5、ct in adjusting the schedule and the methods of construction timely.Key words： settlement of building; real-time; remote; automatic monitoring 作者簡介：熊春寶(1964 -)，男，博士，教授， HYPERLINK mailto:luhai_ luhai_.建筑物在施工過程中因自身荷載重量 的不斷增加會(huì)產(chǎn)生沉降，深基坑的開挖也常 導(dǎo)致基坑周邊原有建筑物的沉降。因此，為 了確保施工質(zhì)量和施工安全，建筑物的沉降 監(jiān)測至關(guān)重要。建筑物沉降傳統(tǒng)的監(jiān)測方法 是采用

6、精密幾何水準(zhǔn)測量1，此方法雖然技 術(shù)可靠、精度高，但它是一種非實(shí)時(shí)連續(xù)的、 勞動(dòng)強(qiáng)度很大的人工觀測方法。近年來，借 助于計(jì)算機(jī)和無線通信等技術(shù)，建筑工程各 種變形的自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)開始得到研制刖項(xiàng)5。本文介紹了一種建筑物沉降實(shí)時(shí)遠(yuǎn) 程自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)，此系統(tǒng)已經(jīng)成功應(yīng)用于天 津西站主站樓的整體平移搬遷的施工過程 中。1系統(tǒng)工作原理1.1系統(tǒng)的組成如圖1所示，本監(jiān)測系統(tǒng)主要由靜力水 準(zhǔn)器、電磁式位移傳感器、巡檢儀、計(jì)算機(jī)、 GPRS模塊等部分組成。系統(tǒng)的工作原理為： 在建筑物的各沉降監(jiān)測點(diǎn)處安置靜力水準(zhǔn) 器，各水準(zhǔn)器相互之間采用連通管相連，各 水準(zhǔn)器及連通管內(nèi)裝有含防凍液的純凈水。 因地球重力作用，使得

7、各水準(zhǔn)器的液面高度 永遠(yuǎn)保持相同。當(dāng)建筑物的某監(jiān)測點(diǎn)處產(chǎn)生 下沉或上升，則此處水準(zhǔn)器的液面高度會(huì)產(chǎn) 生變化（液面上升或下降），同時(shí)其它各監(jiān) 測點(diǎn)處水準(zhǔn)器的液面也會(huì)受此影響隨之變 化（液面下降或上升）。各水準(zhǔn)器的上部都 安裝有一個(gè)電磁式位移傳感器，液面高度的 變化值可由傳感器精確地探測到，并通過一 臺(tái)與各傳感器相連的巡檢儀傳輸給計(jì)算機(jī) 監(jiān)控中心。計(jì)算機(jī)根據(jù)各監(jiān)測點(diǎn)水準(zhǔn)器液面 高度的變化值，隨時(shí)計(jì)算和分析各監(jiān)測點(diǎn)之 間的相對沉降量。當(dāng)相對沉降量超過一定的 預(yù)警值時(shí)，計(jì)算機(jī)通過GPRS模塊采用GSM 無線通信網(wǎng)絡(luò)向工程負(fù)責(zé)人員發(fā)送信息報(bào) 警。下面主要介紹靜力水準(zhǔn)器沉降測量和 電磁式位移傳感的基本原理

8、。監(jiān)測裝置1L被測建筑物1 圖1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig. 1 Structure of the system1.2靜力水準(zhǔn)測量在建筑物上布設(shè)有n個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)，在 建筑物以外布設(shè)有一不受沉降影響的固定 基準(zhǔn)點(diǎn)，各沉降監(jiān)測點(diǎn)和固定基準(zhǔn)點(diǎn)均安置 一個(gè)用連通管相互連接的靜力水準(zhǔn)器。當(dāng)其 中有一監(jiān)測點(diǎn)發(fā)生沉降時(shí)，此點(diǎn)的靜力水準(zhǔn) 器液面上升，其它所有點(diǎn)（包括基準(zhǔn)點(diǎn)）水 準(zhǔn)器的液面下降；反之，此點(diǎn)液面下降，其 它所有點(diǎn)的液面上升。假設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)和n個(gè)沉降監(jiān)測點(diǎn)的靜力水 準(zhǔn)器讀數(shù)（即液面高度變化量）分別為：R0、 R1、R2、Rn，（液面上升，讀數(shù)為正; 液面下降，讀數(shù)為負(fù)），則各沉降監(jiān)測點(diǎn)的 沉降量分別為S=R.-R（

9、i=1,2,.,n）（1）110式（1）中，S1為正值表示該點(diǎn)下沉，為負(fù) 值表示該點(diǎn)上抬。1.3電磁式位移傳感各沉降監(jiān)測點(diǎn)的靜力水準(zhǔn)器的讀數(shù)（即 液面高度變化量）是通過一電磁式位移傳感 器探測到。傳感器中有兩組采用漆包線繞制 在環(huán)氧玻璃布和不銹鋼骨架上的平行線圈， 一組為初級線圈，另一組為次級線圈，兩組 線圈之間有一鐵芯。當(dāng)供給初級線圈一定頻 率的交變電壓（激勵(lì)電壓）時(shí)，次級線圈就 產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢，隨著初級線圈與次級線圈 之間的鐵芯沿平行于線圈軸線方向的來回 移動(dòng)，次級線圈的感應(yīng)電動(dòng)勢也會(huì)隨之改 變，這樣就將鐵芯的位移量轉(zhuǎn)化成了次級線 圈的電壓信號輸出，且電壓變化值與鐵芯位 移量成線性關(guān)系。由

10、于實(shí)際的鐵芯是通過測 桿與被測物體（即靜力水準(zhǔn)器的液面）接觸， 因此鐵芯的位移量也就是水準(zhǔn)器的液面高 度變化量。2工程實(shí)例2.1工程概況天津西站主站樓由德國人于1909年8 月設(shè)計(jì)建造，具有典型的歐式建筑風(fēng)格。主 站樓為三層的磚木混合結(jié)構(gòu)，其占地面積為 930m2，建筑面積為2058m2，主站樓總重量 約為5500噸。按照市政府對天津西站改擴(kuò) 建的總體規(guī)劃要求，需將主站樓整體向南平 移135m，再向東平移40m，最后抬升2.5m。由于主站樓已經(jīng)歷了一百多年，因此在 整體平移搬遷之前，首先對主站樓進(jìn)行了現(xiàn) 狀測繪、結(jié)構(gòu)的安全鑒定，之后針對主站樓 結(jié)構(gòu)的薄弱部位，對二樓大廳等處采用輕型 桁架加固，

11、對拱卷部分進(jìn)行磚砌封堵。為了 平移搬遷，首先在新址與原址之間建造水平 滑動(dòng)軌道（南北向11組，東西向8組），軌 道采用條形混凝土基礎(chǔ)，其中跨地鐵通道部 分采用筏板式基礎(chǔ)。其次對主站樓進(jìn)行托換 施工，采用夾墻梁和抬墻梁等方式將主站樓 整體托換至托盤梁系上。最后進(jìn)行墻體切 割，將主站樓的荷載轉(zhuǎn)換至下滑梁上。2.2監(jiān)測點(diǎn)的布設(shè)主站樓坐北朝南，正立面的中部前凸， 呈凸字型，圖2所示即為主站樓沉降監(jiān)測點(diǎn) 的平面位置布設(shè)示意圖，共計(jì)布設(shè)了 17個(gè) 監(jiān)測點(diǎn)。圖2監(jiān)測點(diǎn)布設(shè)平面位置圖Fig. 2 Layout of the monitor points2.3無固定基準(zhǔn)的靜力水準(zhǔn)測量由于此次建筑物整體搬遷的距離

12、較遠(yuǎn)， 因此不便于在建筑物以外設(shè)置一用連通管 與建筑物監(jiān)測點(diǎn)相連的固定基準(zhǔn)點(diǎn)。與有固 定基準(zhǔn)相比較，無固定基準(zhǔn)的靜力水準(zhǔn)測量 有如下兩個(gè)特點(diǎn)：（1）建筑物整體豎向均勻升降的不可 發(fā)現(xiàn)性。當(dāng)所有監(jiān)測點(diǎn)同時(shí)下沉或上抬相同 的值時(shí)，各點(diǎn)靜力水準(zhǔn)器的水位將無變化 量，即不能監(jiān)測到建筑物整體的均勻下沉或 上抬。但我們同時(shí)也知道，建筑物在整體平 移搬遷過程中，對建筑物結(jié)構(gòu)造成損害或危 險(xiǎn)的是建筑物局部兩點(diǎn)之間的相對下沉或 上抬，而整體豎向均勻升降對建筑物結(jié)構(gòu)無 危害性，因此可以忽略建筑物整體豎向均勻 升降不可發(fā)現(xiàn)的這一缺陷。（2）各點(diǎn)絕對沉降量解算的非唯一性。 由于不存在可以比照的固定基準(zhǔn)點(diǎn)，因此我 們首

13、先計(jì)算各點(diǎn)靜力水準(zhǔn)器的平均讀數(shù)R=（ R+R2+.+Rn）/n，（2）如果以平均讀數(shù)為基準(zhǔn)，則各點(diǎn)的沉降量S.=R.-R（i=1,2,.,n）（3）同樣，式（3）中，S.為正值表示該點(diǎn)下沉， 為負(fù)值表示該點(diǎn)上抬。實(shí)際上，無論各監(jiān)測點(diǎn)的沉降情況如 何，各點(diǎn)靜力水準(zhǔn)器的平均讀數(shù)永遠(yuǎn)為 R=0,即如果以平均讀數(shù)為基準(zhǔn)，各點(diǎn)的沉 降量就是各點(diǎn)靜力水準(zhǔn)器的讀數(shù)：SR.（i=1,2,.,n）。我們進(jìn)一步分析可以發(fā)現(xiàn)，由上述式（3）解算所得各點(diǎn)的沉降量并非是唯一的 一組解，例如，假設(shè)有10個(gè)監(jiān)測點(diǎn)，只有 測點(diǎn)1下沉了 10mm，其它各點(diǎn)均未動(dòng)。這 時(shí)，由于各水準(zhǔn)器是相互連通的，則測點(diǎn)1 上的水準(zhǔn)器讀數(shù)應(yīng)是9

14、mm （液面上升），其 它各點(diǎn)水準(zhǔn)器讀數(shù)應(yīng)是-1mm （液面下降）。 按上述式（2）、式（3）可算得平均讀數(shù)R=0, 各點(diǎn)的下沉量S=R=9mm,S2=S3=.=Sn=-1mm。顯然，這組解與實(shí)際 情況不符。但我們從解算結(jié)果同時(shí)也可以進(jìn) 一步算得，各點(diǎn)之間的相對下沉或上抬量與 實(shí)際情況是完全一致的：例如測點(diǎn)1與其它 各點(diǎn)之間的相對下沉量為 S1=S1-Si=9-（-1）=10mm, （i=2, 3,，10）； 除測點(diǎn)1以外，其它各點(diǎn)之間的相對下沉量 均為AS=0。由此可知，盡管各監(jiān)測點(diǎn)沉降 量的解不是唯一的，但各點(diǎn)之間的兩兩相對 沉降量的解是唯一的，因而我們可以通過計(jì) 算各點(diǎn)之間的相對下沉或上

15、抬量來克服這 一因無固定基準(zhǔn)點(diǎn)而造成的各點(diǎn)絕對沉降 量解算不唯一的缺陷。2.4監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖3圖8是主站樓平移搬遷過程中的 相對沉降曲線圖，其中圖3圖5中的三條 曲線分別是測點(diǎn)1與11、16與17、5與7 之間的相對沉降（南北向），圖6圖8中的 三條曲線分別是測點(diǎn)1與5、12與6、11與 7之間的相對沉降（東西向）。主站樓平移搬遷時(shí)的沉降監(jiān)測工作從 2009年9月19日開始，至11月15日止， 歷時(shí)58天。其間有一些重要的時(shí)間點(diǎn)，這 些時(shí)間點(diǎn)的施工進(jìn)度與相應(yīng)的工況詳見表 1。表1施工進(jìn)度及其工況Tab. 1 The schedule and the progress of constructi

16、on日期施工進(jìn)度工況9月19日第1天開始向南平移9月29日第11天50%平移出原地基10月2日第14天完全離開原地基10月12日第24天前端進(jìn)入筏板10月19日第31天前端離筏板，后端入筏板10月21日第33天向南平移到位10月29日第41天開始向東平移11月5日第48天50%進(jìn)入新基礎(chǔ)11月9日第52天向東平移到位參見表1,我們從圖3圖8中的沉降曲 線可以看出：（1）南北向的相對沉降在主站樓移出 原地基、進(jìn)出跨地鐵通道的筏板式基礎(chǔ)的過 程中較大（見圖3圖5）：在移出原地基的 過程中，最大相對沉降量發(fā)生在測點(diǎn)16與 17之間（17.1mm，見圖4，第9天）；在進(jìn) 入跨地鐵通道的筏板式基礎(chǔ)的過程

17、中，最大 相對沉降量發(fā)生在測點(diǎn) 1 與 11 之間（-23.8mm，見圖3，第28天）；在移出跨 地鐵通道的筏板式基礎(chǔ)的過程中，最大相對 沉降量發(fā)生在測點(diǎn)16與17之間（15.2mm， 見圖4,第32天）。（2）東西向的相對沉降在主站樓向東 平移的過程中較大（見圖6圖8），最大相 對沉降量發(fā)生在測點(diǎn)11與7之間，其值為 -29.7mm （見圖 8，第 51 天）。（3）總的來看，在向南平移的過程中， 南北向的相對沉降較大；在向東平移的過程 中，東西向的相對沉降較大。整個(gè)平移搬遷 過程中，主站樓最大相對沉降量發(fā)生在向東 平移的過程中，即上述（2）中的測點(diǎn)11與 7之間的-29.7mm，此值仍在規(guī)

18、范允許的范 圍之內(nèi)6這說明平移搬遷的整個(gè)施工過程 是安全的。0204060施工進(jìn)度/天20量降沉對相圖3南北向(1#-11#)相對沉降曲線Fig. 3 Curve of relative settlement in north tosouth(1#-11#)0204060施工進(jìn)度/天圖4南北向（16#-17#）相對沉降曲線Fig. 4 Curve of relative settlement in north tosouth(16#-17#)02040施工進(jìn)度/天60圖5南北向(5#-7#)相對沉降曲線Fig. 5 Curve of relative settlement in north t

19、osouth(5#-7#)-30 0204060施工進(jìn)度/天圖6東西向(1#-5#)相對沉降曲線-30 0204060施工進(jìn)度/天Fig. 6 Curve of relative settlement in west to east(1#-5#)時(shí)間/月.日靜力水準(zhǔn)/mm幾何水準(zhǔn)/mm差值/mm9.1901.2-1.29.200.2-0.50.79.210.4-1.92.39.276.24.81.49.295.76.2-0.510.2-0.90.4-1.310.5-3.8-3.4-0.410.6-4.6-6.72.110.10-7.5-8.30.810.13-9.1-11.12.0表2靜力水準(zhǔn)

20、與幾何水準(zhǔn)所測數(shù)據(jù)比對Tab. 2 Contrast of values measured by hydrostatic leveling with by geometrical leveling另外，在監(jiān)測的過程中，同時(shí)還采用國 家二等精密幾何水準(zhǔn)測量7的方法對各監(jiān) 測點(diǎn)定期做了檢核測量，表2隨機(jī)抽取列出 了點(diǎn)對1#-11#其中十天的相對沉降檢核測量 結(jié)果。從表2中可以看出，二者的最大差值 為2.3mm，這說明此監(jiān)測系統(tǒng)的測量精度是 可靠的。圖7東西向(12#-6#)相對沉降曲線Fig. 7 Curve of relative settlement in west to east(12#-6

21、#)0204060施工進(jìn)度/天圖8東西向(11#-7#)相對沉降曲線Fig. 8 Curve of relative settlement in westto east(11#-7#)與傳統(tǒng)的人工幾何水準(zhǔn)測量方法相比， 本文介紹的監(jiān)測方法除了同樣具有高精度 和高可靠性之外，還具有實(shí)時(shí)、連續(xù)、遠(yuǎn)程 無線、無人值守等諸多優(yōu)點(diǎn)。通過在天津西 站主站樓整體平移搬遷過程中的成功應(yīng)用， 本文介紹的實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測系統(tǒng)為該工 程的安全施工以及施工進(jìn)度、措施的適時(shí)調(diào) 整起到了關(guān)鍵性的指導(dǎo)作用。建筑物整體平移搬遷的施工方法目前 在城市建設(shè)中越來越多地得到應(yīng)用，本文介 紹的自動(dòng)監(jiān)測方法是確保整體平移搬遷施 工質(zhì)量

22、和施工安全、實(shí)現(xiàn)其信息化施工的重 要手段。此方法還可進(jìn)一步推廣應(yīng)用于城市 地鐵施工、深基坑開挖等其它類似巖土工程 的施工安全或竣后結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中，從而可 以大大降低勞動(dòng)強(qiáng)度，提高監(jiān)測效率。參考文獻(xiàn)侯建國，王騰軍.變形監(jiān)測理論與應(yīng)用M. 北京：測繪出版社,2008.HOU Jianguo, WANG Tengjun. Theory of Monitoring Deformation and its Application M. Beijing: Surveying and Mapping Press, 2008(in Chinese).王 浩，吳振君，湯 華，等.地下廠房監(jiān)測 信息管理、預(yù)測系統(tǒng)

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