大型工程場地及建筑物安全監(jiān)測與分析

俞春，王昌翰

（重慶市勘測院，重慶 401121）

大型工程場地及建筑物安全監(jiān)測與分析

俞春*，王昌翰

（重慶市勘測院，重慶 401121）

以重慶國際博覽中心安全監(jiān)測為例，本文闡述了大型工程場地及建筑物安全監(jiān)測的內(nèi)容與方法。在綜合考慮場地原始地形地貌及地質(zhì)條件，工程設計及施工情況的基礎上，本著經(jīng)濟最優(yōu)化原測，合理選擇監(jiān)測內(nèi)容和布設監(jiān)測點位是安全監(jiān)測的關(guān)鍵。項目在安全監(jiān)測自動化方面進行了有益探索實踐，研發(fā)的基于物聯(lián)網(wǎng)的安全監(jiān)測平臺，具有多傳感器集成管理，數(shù)據(jù)采集與處理等功能，改變了傳統(tǒng)監(jiān)測作業(yè)模式，顯著提高了工作效率。

大型工程；場地；建筑物；安全監(jiān)測

1　概 述

重慶國際博覽中心是西部第一、全國第二的國際大型會議展覽中心，東西寬約 0.8 km，南北長約1.3 km。主要由展館區(qū)、酒店、多功能廳、會議中心和沿江商業(yè)等五部分組成，總建筑面積約為60萬平方米，建筑外形似一只翩翩起舞的蝴蝶，如圖1所示。

重慶國際博覽中心占地面積廣，其中填方區(qū)域面積約0.83 km2，填方厚度0 m～32 m不等，整個場地由嘉陵江而上形成三階弧形大型邊坡組成，如圖2所示。

重慶國際博覽中心展館為鋼桁架和鋁格柵結(jié)構(gòu)組成的大型建筑結(jié)構(gòu)，樹狀支承柱直接支承鋁合金格柵結(jié)構(gòu)，主體屋頂結(jié)構(gòu)采用立體館桁架、支承于下部砼結(jié)構(gòu)，其中跨度最大的多功能廳單榀鋼桁架跨度為117 m。其鋼桁架結(jié)構(gòu)和鋁結(jié)構(gòu)具有跨度較大、結(jié)構(gòu)復雜，服役環(huán)境較為惡劣，其上的作用荷載復雜［2］。

圖1　重慶國際博覽中心效果圖

圖2　重慶國際博覽中心場坪及邊坡分布示意圖

根據(jù)工程建設的要求，對重慶國際博覽中心場地邊坡、建筑物及鋼結(jié)構(gòu)進行建設期安全監(jiān)測，了解其穩(wěn)定性，并及時預警預報是十分必要的。

2　監(jiān)測內(nèi)容

監(jiān)測內(nèi)容主要包括三部分。一是監(jiān)測三階大型邊坡?lián)跬翂案咛罘酵馏w穩(wěn)定性，包括擋土墻水平位移、沉降及伸縮縫監(jiān)測，填方土體深部水平位移監(jiān)測，邊坡錨桿軸力監(jiān)測。二是監(jiān)測建筑物位移和沉降。三是監(jiān)測會展場館鋼結(jié)構(gòu)安全，包括鋼桁架應力監(jiān)測、撓度監(jiān)測、樹狀柱樹干應力監(jiān)測、屋面風速、風壓監(jiān)測、溫度監(jiān)測。

3　監(jiān)測技術(shù)設計

3.1擋土墻及邊坡監(jiān)測點布設

（1）平面位移、沉降、伸縮縫、深部位移監(jiān)測點布設

根據(jù)《建筑基坑工程監(jiān)測技術(shù)規(guī)范》（GB 50497-2009）、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2002）規(guī)定并結(jié)合現(xiàn)場實際情況，擋土墻平面位移、沉降、伸縮縫監(jiān)測點布設位置及密度主要考慮因素包括:一是監(jiān)測點應主要布設在挖方區(qū)域。二是土體較厚且?guī)r土界面較陡的地段和原始沖溝或基礎薄弱的地方應適當加密監(jiān)測點，必要時增加監(jiān)測斷面。三是在檔墻轉(zhuǎn)角處應布設監(jiān)測點，且適當加密。深部水平位移測點位應綜合考慮邊坡填土厚度、巖土界面、土體下滑推力等因素［4］。

第一階濱江路邊坡高度30 m～40 m，填土厚度10 m～33 m不等。在擋土墻頂部按30 m間距布設平面及沉降位移監(jiān)測共用點，該邊坡中段為原始沖溝，土體較厚，適當加密布設，共布設變形點63點。伸縮縫監(jiān)測點布置于伸縮縫兩側(cè)，共布設400點監(jiān)測點，形成200條觀測邊。深部水平位移測點間距 150 m～200 m，共計布置9個測孔。

第二階會展場地邊坡，邊坡填土厚度22 m～28 m不等，主要采用擋土墻設計。按30 m間距布設平面及沉降位移監(jiān)測共用點，共布設監(jiān)測點122點。伸縮縫兩側(cè)共布設700點監(jiān)測點，形成350條觀測邊。深部水平位移測點間距150 m～200 m，共計布置11個測孔。

第三階會展公園邊坡為巖質(zhì)挖方邊坡，邊坡按照1∶2～1∶4進行處理，其坡率較緩，故本段邊坡監(jiān)測點間距放寬至120 m左右，共布設監(jiān)測點19點。伸縮縫兩側(cè)共布設130點，形成65條觀測邊。因本段是挖方區(qū)域，因此不布設深部位移測監(jiān)測點。

（2）錨桿軸力監(jiān)測點布設

在第三階邊坡進行錨桿軸力監(jiān)測。根據(jù)邊坡特征按一定間距布置測點，在不同受力、變形較大的關(guān)鍵位置共選取28根（設計總錨桿數(shù)量為16 000根左右）錨桿共84個測點進行監(jiān)測。

3.2建筑物水平位移和沉降監(jiān)測點布設

重慶國際博覽中心建筑物包括展廳、多功能廳、宴會廳、酒店和沿江商業(yè)用房等。建筑物監(jiān)測點布設在建筑物的主要角點上，點位布設時考慮地基承載力，按挖、填方區(qū)域控制點位稀密度。共計布設平面位移及沉降監(jiān)測共用點66點。

3.3鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測

重慶國際博覽中心展館區(qū)分為南、北兩個呈對稱性分布，每個展館區(qū)由登錄廳、8個單體展館、館間連接體及觀眾連廊等展覽附屬功能用房組成。其結(jié)構(gòu)體量大，若對全部建筑進行監(jiān)測，則監(jiān)測系統(tǒng)極為龐大，工程造價也極其昂貴，故在監(jiān)測場館的選擇上根據(jù)結(jié)構(gòu)的重要性、對稱性、經(jīng)濟最優(yōu)化、場地地質(zhì)特性等要素綜合考慮，從16個場館中選取了Se04、Sw02、Ne01、Ne03、會議中心和多功能廳6個場館作為監(jiān)測對象，如圖3所示。

圖3　場館分布圖

（1）鋼桁架應力監(jiān)測點布設

從鋼桁架結(jié)構(gòu)受力分析，跨中截面桁架所承受的拉、壓應力最大，桁架端部附近位置所承受的剪應力最大。因此，應力傳感器應主要布置在跨中截面和桁架端部截面［3］。

以會議中心為例，選擇5榀桁架進行監(jiān)測，如圖4所示。監(jiān)測點位立面如圖5所示。會議中心總計布設光纖光柵應力監(jiān)測點30個，如表1所示。

圖4　會議中心桁架應力監(jiān)測布置平面圖

圖5　會議中心WJ02-3桁架應力監(jiān)測布置立面圖

會議中心應力監(jiān)測點數(shù)量表　表1

（2）樹狀柱應力監(jiān)測點布設

樹狀柱應力監(jiān)測測點主要布設在結(jié)構(gòu)受力最不利樹狀柱上（樹干靠近樹杈位置處），部分挖方地段按1根樹狀柱監(jiān)測四個方向的應力，布設4個測點，其余地段按1根樹狀柱監(jiān)測兩個方向的應力，布設2個測點。全區(qū)域共計布設124個。

（3）鋼桁架撓度變形監(jiān)測點布設

從鋼桁架結(jié)構(gòu)體系撓度變形分析，關(guān)鍵截面有三處，分別為L/2，L/4和3L/4截面，其中跨中截面桁架撓度變形最大，四分點次之，端部為零。因此，依據(jù)上述結(jié)構(gòu)力學原理，撓度變形傳感器主要布設在L/2截面，和部分L/4和3L/4截面。

以會議中心為例，選擇5榀鋼桁架進行監(jiān)測，每榀桁架上布置1個或3個監(jiān)測點，共布置監(jiān)測點7個，如圖6所示。

圖6　鋼桁架撓度監(jiān)測點布設

（4）風速、風壓監(jiān)測

風速風壓監(jiān)測測點主要布置在鋁格柵及屋面的最不利位置處，主要參照西南交大《重慶國際博覽中心風洞試驗報告》布置，兼顧較高屋頂、受風影響較大、結(jié)構(gòu)重要性較為突出且覆蓋范圍相對均衡的角度進行考慮［1］。共計布設傳感器30個，如圖7所示。

圖7　風速風壓監(jiān)測測點布置圖

3.4監(jiān)測時間及頻率

重慶國際博覽中心安全監(jiān)測屬施工階段的監(jiān)測，根據(jù)工程施工進程和場地穩(wěn)定情況，參照《建筑變形測量規(guī)范》、《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》、設計文件等技術(shù)標準及委托方的要求確定監(jiān)測次數(shù)與監(jiān)測頻率。

水平位移監(jiān)測、沉降監(jiān)測、伸縮縫監(jiān)測、邊坡支護結(jié)構(gòu)應力每月監(jiān)測1次，共監(jiān)測12次；深部位監(jiān)測、撓度監(jiān)測、風壓風速監(jiān)測采用自動實時監(jiān)測12個月。以上監(jiān)測結(jié)果均以月報的形式報送委托方，特殊情況及時報送。

監(jiān)測期間可根據(jù)實際監(jiān)測結(jié)果適當調(diào)整監(jiān)測頻率，若位移速率或位移量迅速增大或出現(xiàn)其他局部異常時，應針對性的增加觀測周期，并立即將觀測結(jié)果報告項目委托方，以體現(xiàn)監(jiān)測工作的作用，確保工程安全。

4　數(shù)據(jù)采集與處理

4.1數(shù)據(jù)采集

觀測點平面位移、沉降、伸縮縫觀測數(shù)據(jù)等需要人工采集的數(shù)據(jù)，采用基于PDA的外業(yè)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)將現(xiàn)場記錄，觀測數(shù)據(jù)通過有線或無線的方式傳入自主研發(fā)的安全監(jiān)測平臺進行計算和分析。

為滿足平面位移及沉降監(jiān)測的需要，在監(jiān)測區(qū)域附近布設基準控制網(wǎng)，埋設基準點12點和工作基點7點，為了減少儀器對中誤差和便于長期保存，平面基準點和工作基點均埋設強制歸心觀測墩?；鶞士刂凭W(wǎng)觀測精度滿足《建筑變形測量規(guī)范》二級精度要求。

平面位移監(jiān)測點采用0.5 s級智能全站儀進行觀測。觀測時，在平面基準點和工作基點上設站，按《建筑變形測量規(guī)范》二級平面精度要求采用極坐標法進行觀測。

沉降點觀測采用Leica DNA03電子水準儀，配條形碼銦鋼尺，按《建筑變形測量規(guī)范》二級水準精度要求進行觀測，組成閉合或附合水準線路，并接測于高程基準點及工作基點上，首次應進行往返路線觀測，以后各次觀測均采用單程路線觀測。

擋墻伸縮縫采用鋼尺或游標卡尺直接丈量，每一對量測點采用2把尺子各丈量4次，每丈量一次讀數(shù)3次，讀數(shù)最大誤差不超過1.0 mm，取平均值作為觀測結(jié)果，與起零值相比較，計算出各對量測點的量距變化量。

應力、撓度、風速風壓、深部位移監(jiān)測通過監(jiān)測點傳感器以無線網(wǎng)絡或有線方式將觀測數(shù)據(jù)實時傳輸至安全監(jiān)測平臺進行自動記錄、計算和分析。

4.2數(shù)據(jù)處理

數(shù)據(jù)處理采用自主研發(fā)的智能化安全監(jiān)測平臺，平臺具有多傳感器集成管理，數(shù)據(jù)采集與處理、多源數(shù)據(jù)集成與融合，監(jiān)測數(shù)據(jù)綜合分析，報表報告生成、預警預報等功能?，F(xiàn)場利用PDA采集的數(shù)據(jù)及傳感器自動采集的數(shù)據(jù)通過無線網(wǎng)絡或有線的方式傳輸至安全監(jiān)測平臺進行處理。

5　監(jiān)測結(jié)果與分析

（1）邊坡?lián)鯄?0%監(jiān)測點累計縱向位移在-15 mm ～10 mm之間，橫向位移在-10 mm～10 mm之間，沉降量在0 mm～-8 mm之間。最大縱向、橫向及沉降變化量分別是448.3 mm、-294.9 mm、-84.1 mm，均發(fā)生在第一階邊坡中間段擋墻，委托方對據(jù)此對擋墻進行了加固處理。從各期監(jiān)測數(shù)據(jù)看，擋墻各監(jiān)測點變形速率經(jīng)歷了由初始變形明顯到逐步穩(wěn)定的過程。

（2）深層土體水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)表明，最大位移多發(fā)生在深度0.0 m～16.0 m處，位移量在15.5 mm ～48.3 mm之間。

（3）擋墻伸縮縫最大累計變形23.0 mm，其余超過90%測點伸縮縫變化量在3 mm以內(nèi)，說明擋墻在監(jiān)測期間未發(fā)生明顯相對位移。

（4）從錨桿監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，錨桿受力均受拉且較小，最大值為38.551 kN，小于設計值（160 kN）。

（5）鋼結(jié)監(jiān)測結(jié)果表明，各監(jiān)測數(shù)據(jù)均在設計值控制范圍內(nèi)，如表2所示。

鋼結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測結(jié)果　表2

6　結(jié) 語

針對重慶國際博覽中心場地及建筑物安全監(jiān)測所采用的技術(shù)方案科學合理，監(jiān)測指標及結(jié)果比較全面準確的地反映了場地及建筑物健康安全狀況。監(jiān)測結(jié)果對于委托方安全建設管理，設計方驗證及優(yōu)化設計發(fā)揮了重要作用。

大型工程的安全監(jiān)測，監(jiān)測項目多，工作環(huán)境差，工作量十分巨大。為提高工作效率，減少人工勞動強度，適應新的科技發(fā)展形式，應盡量采用新的技術(shù)手段，實現(xiàn)自動化，智能化監(jiān)測。重慶國際博覽中心監(jiān)測中應用的多項科技創(chuàng)新成果，為項目的順利實施提供了重要保障。一是采用了大量的自動化數(shù)據(jù)采集設備，包括應力傳感器，靜力水準計，頻率讀數(shù)儀，風速風壓計、土體測斜儀等，數(shù)量達833個。二是通過利用自主研發(fā)的智能安全監(jiān)測平臺使監(jiān)測基本實現(xiàn)智能化，改變了傳統(tǒng)監(jiān)測生產(chǎn)作業(yè)模式，效率顯著提高［5］。

［1］廖黎海.重慶西部國際會議展覽中心風洞試驗研究報告［R］.西南交通大學風工程試驗研究中心，2011：1～4.

［2］重慶市勘測院.重慶國際博覽中心變形監(jiān)測技術(shù)報告［R］.重慶市勘測院，2012：1～100.

［3］周雨斌.網(wǎng)架結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中傳感器優(yōu)化布置研究［D］.浙江：浙江大學，2008：1～10.

［4］劉興遠，雷用，康景文.邊坡工程：設計、監(jiān)測、鑒定與加固［M］.北京：中國建筑工業(yè)出版社，2007：119～266.

［5］國家電力監(jiān)管委員會大壩安全監(jiān)察中心.巖土工程安全監(jiān)測手冊［M］.北京：中國水利水電出版社，2008：292～312.

Safety Monitoring and Analysis of Large-scale Engineering Field and Building

Yu Chun，Wang Changhan
（Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China）

Take the Chongqing International Expo Center safety monitoring as the example，this paper introduced the content and method of safety monitoring on large-scale engineering field and buildings.On the basis of considering the original topographic feature，geological condition，engineering design and construction，the monitor content and monitor site location are optimized.This paper also does useful research for automation of safety monitoring，the monitor platform based on IOT，with the multi-sensor integration management，data acquisition and processing function，has changed the traditional operation mode，and improved the work efficiency.

large-scale engineering；building；safety monitoring

1672-8262（2016）04-119-04

P258，TU196

B

2016—04—29

俞春（1965—），男，高級工程師，主要從事測繪及空間地理信息開發(fā)應用。

住房和城鄉(xiāng)建設部科技計劃項目（2015-K8-012）