超高層建筑主體沉降及傾斜的監(jiān)測方法

譚 龍，韋昌富

(1.山東建勘集團有限公司，山東 濟南 250031；2.中國科學院武漢巖土力學研究所巖土力學與工程國家重點實驗室，湖北 武漢 430071)

隨著我國城市化快速發(fā)展，為了節(jié)約城市土地資源，高層和超高層建筑日益增多。高層建筑物對差異沉降和傾斜度比較敏感，因此相關規(guī)范對其有嚴格規(guī)定[1]，并要求在施工期間和使用期間對主體結構進行嚴密的沉降觀測和傾斜監(jiān)測，以便及時發(fā)現(xiàn)問題。

目前，常見的建筑物主體沉降和傾斜監(jiān)測方法有水準測量法、投點法、水平角觀測法、前方交會法、縱橫軸線法、激光鉛直儀法、垂準法、傾斜儀法和差異沉降法等[1]。石利情等[2]基于全站儀在建筑物樓房角布設上、下2個標志點進行投點法傾斜監(jiān)測，采用電子水準儀進行建筑物沉降觀測，通過工程實例驗證了傾斜和沉降監(jiān)測方法的可靠。覃輝[3]運用前方交會方法對建筑物傾斜進行監(jiān)測，獲得了很高的點位測量精度。鄭磊[4]基于免棱鏡全站儀的“水平距作差法”很好地解決了塔體施工過程中通視條件較差難以利用常規(guī)方法進行塔體傾斜位移監(jiān)測的難題。黃新民等[5]通過現(xiàn)場沉降監(jiān)測，運用對比分析與回歸分析方法驗證了建筑物的基礎沉降與整體傾斜之間的線性正相關關系。張立群等[6]基于免棱鏡全站儀測量了建筑物主體兩墻面相交的一組棱線頂端相對于底端的偏移量，其解析交會點精度可達到二等水平位移監(jiān)測精度要求。涂群生[7]建立了建筑物的變形監(jiān)測系統(tǒng)，在導線控制點上架設全站儀測量了建筑物上下房角的三維坐標來計算傾斜值，提高了監(jiān)測效率，并解決了測點通視問題。以上研究均表明，對高層、特別是超高層建筑物的沉降和傾斜進行監(jiān)測，需結合工程現(xiàn)場，綜合運用多種觀測方法才能達到預期效果。

本文以濟南某超高層監(jiān)測工程為例，詳細介紹了超高層建筑沉降和傾斜觀測點的布置原則以及觀測方法，探討了各觀測方法在本工程的適用性，旨在為今后超高層的沉降觀測和傾斜監(jiān)測提供借鑒。

1 工程概況

濟南某超高層項目由2座塔樓(T1塔樓、T2塔樓)和2座商業(yè)裙房(P1裙房、P2裙房)組成。T1為圓筒型高層建筑，T2為方形外觀高層建筑。項目一期工程包含地下室及T2塔樓，二期工程包含T1塔樓、裙房-1及裙房-2?？傆玫孛娣e為21 317 m2，建筑面積約為282 343 m2。該項目高層建筑物的基礎信息見表1。

表1 高層建筑物的基礎信息

2 主體沉降監(jiān)測

2.1 監(jiān)測點布設

在建筑物主體結構施工時，隨著主體荷載增加，建筑物沉降會逐漸增大。沉降監(jiān)測有助于及時判別異常沉降、不均勻沉降，避免建筑物主體結構存在破壞風險，是保證高層建筑物施工安全的有效措施。

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》(JGJ/T 8—2016)[1]和設計文件，2座塔樓和2座裙房的沉降監(jiān)測點布設原則為T1和T2核心筒四角、4棟建筑的四角、沿外墻每10～20 m處、高低層建筑交接處。

本項目3個高程基準點埋設在沉降影響范圍以外的穩(wěn)定且易保護的位置(距離沉降觀測點約100 m)，2個工作基點距離沉降觀測點約60 m(2倍基坑深度外)。建筑物沉降測點采用混凝土現(xiàn)澆預埋，分2個階段布設。

1)基礎施工時，現(xiàn)場將定制的蘑菇頭型監(jiān)測點與基礎底板鋼筋綁扎固定，底板混凝土澆筑后，測點與底板緊密結合?，F(xiàn)澆預埋測點相對傳統(tǒng)后期鉆孔埋設更穩(wěn)固、位置更精確[8]。

2)建筑物結構施工至±0以上時，在1層地面30 cm以上位置預埋L型監(jiān)測點，埋設方法同上。L型沉降測點示意圖如圖1所示。

圖1 L型沉降測點示意圖

位于底板的測點主要用于主體結構施工期間建筑物的沉降監(jiān)測，其數(shù)據(jù)觀測至裝修拆除后結束。位于1層的測點既用于主體施工期間的沉降監(jiān)測，也用于建筑物使用期間的長期沉降觀測，應做好長期保護標識。

2.2 監(jiān)測方法

采用美國天寶Trimble-DiNi03電子水準儀，配1對2 m條碼尺，其標稱精度為每千米高程中誤差≤0.3 mm，最小顯示0.01 mm。主體沉降觀測按二等水準測量要求進行[1]。每期測量作業(yè)開始時，先將工作基點與基準點進行聯(lián)測，再利用工作基點對監(jiān)測點進行觀測。每次測量時，在相同的時段和環(huán)境條件下，采用相同的監(jiān)測線路、監(jiān)測方法、監(jiān)測人員、監(jiān)測儀器和設備對不同的建筑物進行高程測量[9]。首次觀測時，取3次測量值的平均值作為測點初始值，每期測量完成后，根據(jù)測量誤差理論和統(tǒng)計檢驗原理對所測數(shù)據(jù)進行平差計算分析。如觀測限差超限，則應重測。底板完成后開始觀測，底板初凝觀測1次，之后每施工3層觀測1次，竣工后第1年觀測不少于4次，第2年不少于3次，以后每年1次直至沉降穩(wěn)定，觀測期不少于5 a。

2.3 計算方法

以下基準點為已知高程點，利用測得的各監(jiān)測點與基準點的高差，可得到各監(jiān)測點的高程H，其與上次測得高程的差值△h為該監(jiān)測點的沉降值，即：

△h(1,0)=H(1)-H(0)

(1)

式(1)中,H(0)為監(jiān)測點上次高程；H(1)為監(jiān)測點本次高程；△h(1,0)為監(jiān)測點沉降值。

2.4 沉降分析

在監(jiān)測周期內(nèi)，對建筑物沉降測點進行重復觀測，計算得出沉降測點累計沉降量、沉降速率及差異沉降值，并對其數(shù)值與變形允許值進行對比分析，以便判別建筑物沉降是否超標或是否存在異常[10]，也可間接計算建筑物的傾斜值。

3 主體傾斜監(jiān)測

3.1 監(jiān)測點布設

本工程監(jiān)測控制網(wǎng)為假定平面坐標系。在施工區(qū)域影響范圍外的穩(wěn)定區(qū)域布設基準點，在T1和T2塔樓基礎前布設完控制網(wǎng)，并完成基準點的聯(lián)測。平差計算后獲得各基準點的平面坐標，通過比較其坐標差值對基準點穩(wěn)定性進行判別，及時剔除不穩(wěn)定點[1]。基準點1個月復測1次。

T1和T2塔樓每層監(jiān)測點示意圖分別如圖2和圖3所示。按假定坐標系控制點布設要求，在T1塔樓四周分別布設S1，S2，S3，S4平面控制點，同時在T2塔樓四周布設R1，R2，R3，R4平面控制點。2座塔樓單獨布設控制網(wǎng)是為了避免隨著T1和T2施工樓層增高，基準點與測點產(chǎn)生通視問題，影響監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖2 T1塔樓每層監(jiān)測點示意圖

圖3 T2塔樓每層監(jiān)測點示意圖

T2塔樓建筑物建成高度為121.15 m，地上部分有23層，建筑物外觀為方形結構。先施工核心筒結構，然后施工玻璃幕墻結構，建筑物傾斜測點需要在核心筒和玻璃幕墻分別布設，確保傾斜監(jiān)測的連續(xù)性。

從建筑物外部進行傾斜監(jiān)測觀測時，經(jīng)與施工單位溝通確認，建筑物外墻和頂部不具備布設固定棱鏡的條件。本次監(jiān)測采用的非預埋觀測標志為可粘貼反射片標志。在建筑物高度20 m和90 m處分層布設監(jiān)測點，每層4個監(jiān)測點，分別位于建筑物四邊位置，監(jiān)測點位命名規(guī)則為建筑樓號+(A，B，C，D)+高度。

T1塔樓建筑物建成高度為326.10 m，地上部分有64層，建筑物外觀為圓筒結構。在建筑物高度20，100，200，290 m處分層布設監(jiān)測點，每層4個監(jiān)測點，分別位于建筑物四周位置，運用全站儀將建筑物任一角不同高度的測點輔助布設在同一垂直線上?？紤]到T1塔樓結構高度為297 m，故未在300 m的玻璃幕墻上布設監(jiān)測點。

根據(jù)施工進度分階段埋設不同高度的監(jiān)測點。埋設時，采用全站儀三角高程確定測點的高度和精確位置，由施工單位提供高空作業(yè)吊籃。

3.2 監(jiān)測方法

采用徠卡TS30超高精度全站儀(標稱精度0.5″和0.6 mm+1 ppm)進行監(jiān)測。監(jiān)測點布設完成后，儀器測站點選在距照準目標1.5～2.0倍目標高度的固定位置。以北方向為X軸，東方向為Y軸，高度方向為Z軸，3次以上測量數(shù)值的平均值作為各傾斜測點的初始值。同時，為了減小周邊環(huán)境的施工擾動、溫度、強日照、大風等不利條件影響，采集時間通常在早上6∶00—7∶00和17∶00—18∶00，每次采集3次數(shù)據(jù)，其平均值作為觀測結果。

考慮到T1和T2塔樓建筑物頂部與底部之間中間位置的豎向方向不具備通視觀測條件,無法采用激光垂準測量，故本項目可采用傾斜間接法、投點法及前方交會法，下面對此進行詳細說明。

3.2.1間接法

根據(jù)《建筑變形測量規(guī)程》(JGJ 8—2016)[1]，利用相對沉降量間接計算建筑物主體的傾斜，即針對主體沉降的樓體各邊的監(jiān)測數(shù)據(jù)，采用樓體同一邊上兩測點之間的差異沉降和距離計算傾斜值及傾斜方向。建筑物傾斜觀測間接法示意圖如圖4所示。

圖4 建筑物傾斜觀測間接法示意圖

(2)

(3)

式(2)和式(3)中,i為建筑物主體的傾斜度；α為傾斜角度；△h為建筑物主體同邊2個沉降點的相對沉降量或差異沉降量；L為建筑物的2個沉降點之間的距離；△d為建筑物上、下部分相對位移值或傾斜值；H為建筑物的高度。

間接法的本質(zhì)是利用“線”的傾斜來反映“體”的傾斜，而“體”的傾斜往往是三維的，因此間接法反算出的傾斜是失真的。本項目中，建筑物的同一高度上存在多個測點，根據(jù)其沉降可以算出該平面的傾斜。進一步地，不同高度的平面傾斜可以真實地反映建筑物的三維傾斜狀態(tài)。

3.2.2投點法

在建筑物同一個豎直面的上、下部位布設傾斜監(jiān)測點。運用全站儀輔助照準建筑物X墻體上部A觀測點，采用盤左﹑盤右分中投點法，確定X墻體下部B觀測點。同理，在與X墻面垂直的Y墻面上部布設C觀測點和下部布設D觀測點。A，B和C，D即為建筑物主體傾斜觀測標志的位置。

盤左、盤右分中投點法的具體操作為：將全站儀放置在基準點上，儀器整平、調(diào)整對中，用盤左照準建筑物上面的A點，水平制動，縱轉照準部，使其提供1條垂線，相交于建筑物底部基準線上。同理，盤右也在基準線上標記垂線,2條垂線在水平基準線上取中值。

在下一個監(jiān)測周期，在原基準點位置安置全站儀，分別照準傾斜監(jiān)測點A和C，用盤左、盤右分中投點法確定B′和D′位置。建筑物傾斜觀測投點法示意圖如圖5所示。

圖5 建筑物傾斜觀測投點法示意圖

如果B和B′、D和D′不重合，則建筑物發(fā)生了傾斜。用鋼尺分別測量出X墻和Y墻的偏移量△ab和△cd，然后用矢量相加的方法，計算出該建筑物的總偏移值△d。

(4)

(5)

式(4)～(5)中，△d為建筑物主體的總偏移量；△ab為建筑物X墻面的傾斜偏移量；△cd為建筑物Y墻面的傾斜偏移量；i為建筑物主體的傾斜度;H為建筑物的高度。

投點法現(xiàn)場測量相對簡單，可直觀得出傾斜偏移量，應用時應重點考慮建筑物傾斜測點的布設困難、儀器設站的空間距離問題。本項目中，核心筒上的AC和BD分別布置在同一層的混凝土梁上，對于結構外部框架，AC和BD分別布置在同一層的樓板或外墻上。

3.2.3前方交會法

T1塔樓是類圓筒結構外形，P點為建筑物頂部中心位置，P′點為建筑物底部中心位置?，F(xiàn)場前方交會法如圖6所示。在建筑物一側布設監(jiān)測基線EF,基線的長度通常小于5倍的建筑物高度，其中E基準點和F基準點應在遠離施工影響范圍的穩(wěn)定且易保護的位置上布置，也可在附近穩(wěn)定的易于觀測的建筑物上布設。

圖6 現(xiàn)場前方交會法

首先在E基準點上安置全站儀，測量建筑物頂部P兩側切線與基線的夾角，求取其平均值β。同理，在F基準點上安置全站儀，測量建筑物頂部P兩側切線與基線的夾角，求取其平均值γ。然后利用前方交會公式計算出建筑物頂部P點的平面坐標。重復以上操作，計算得到建筑物底部P′點的平面坐標。

在三角形EFP中，已知E點的坐標為(xE,yE)，F(xiàn)點的坐標為(xF,yF)。分別在E和F點上設站，測量并計算得出β和γ2個角，通過解算三角形算出未知P點的坐標(xP,yP)。這種方法稱為測角前方交會法。

根據(jù)文獻[11]，當△EFP的點號是依E，F(xiàn)，P按照逆時針方向編碼的，其中E，F(xiàn)是已知點，P為未知點。P點的坐標計算公式為：

(6)

(7)

通過P點(xP,yP)和P′點(xP′,yP′)兩點的平面坐標，可由坐標反算公式計算P′和P兩點之間的平距，其平距也即傾斜偏移值△d。

(8)

前方交會傾斜監(jiān)測法適用于圓筒型建(構)筑物傾斜測量，尤其是在不具備埋設監(jiān)測點的圓筒型建筑物上優(yōu)勢更明顯。該方法需要穩(wěn)定且遠距離的基準點，作業(yè)空間大，并通過計算上部和下部的圓筒中心坐標的方式推算主體結構的傾斜偏移量，計算相對復雜。

3.3 傾斜監(jiān)測方法比選

根據(jù)工程實際，考慮到建筑物主體沉降是該工程的必測項目，可以用同邊的沉降測點的數(shù)據(jù)間接計算建筑物主體的傾斜度和不同高度的傾斜偏移值。

T1塔樓是圓筒狀外形，可采用前方交會法測建筑物傾斜。為了更好地判斷建筑物主體的傾斜情況，可將該方法的傾斜測量結果與相對沉降量間接法測量的數(shù)據(jù)進行對比分析。值得注意的是，間接法的偏移量要換算到同樣的樓層高度。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘情況，T1塔樓也可采用投點法觀測，也應同步布設監(jiān)測點，并完成初始值采集，以便后期的對比分析。

T2塔樓是方形外觀，可采用投點法觀測傾斜，將每期傾斜數(shù)據(jù)與間接法數(shù)據(jù)對比分析，綜合判定樓體的傾斜情況。

4 結束語

通過對主體沉降、傾斜觀測的方法進行探討，可得出以下結論。

1)用建筑物上同一高度測點的沉降量計算測點所在平面的傾斜，再用沿建筑物高度分布的多個平面傾斜來反映建筑物的真實三維傾斜，方法簡單，具有很好的實用性。

2)建筑物傾斜觀測受現(xiàn)場施工擾動、溫度變化、強日照、大風等不利條件影響較大，此時需采用多種傾斜觀測方法，綜合研判傾斜變化情況，更好地指導現(xiàn)場施工。

3)對于由核心筒和外部框架組成的建筑結構，需要聯(lián)合實施核心筒和外部框架的監(jiān)測，并注意監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

4)案例工程成功應用了間接法、投點法、前方交會法3種傾斜監(jiān)測方法，可為今后超高層的大型建筑工程的傾斜監(jiān)測提供參考和借鑒。