譚 龍，韋昌富

(1.山東建勘集團(tuán)有限公司，山東 濟(jì)南 250031；2.中國(guó)科學(xué)院武漢巖土力學(xué)研究所巖土力學(xué)與工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430071)

隨著我國(guó)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(duì)差異沉降和傾斜度比較敏感，因此相關(guān)規(guī)范對(duì)其有嚴(yán)格規(guī)定[1]，并要求在施工期間和使用期間對(duì)主體結(jié)構(gòu)進(jìn)行嚴(yán)密的沉降觀測(cè)和傾斜監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。

目前，常見(jiàn)的建筑物主體沉降和傾斜監(jiān)測(cè)方法有水準(zhǔn)測(cè)量法、投點(diǎn)法、水平角觀測(cè)法、前方交會(huì)法、縱橫軸線法、激光鉛直儀法、垂準(zhǔn)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(shè)上、下2個(gè)標(biāo)志點(diǎn)進(jìn)行投點(diǎn)法傾斜監(jiān)測(cè)，采用電子水準(zhǔn)儀進(jìn)行建筑物沉降觀測(cè)，通過(guò)工程實(shí)例驗(yàn)證了傾斜和沉降監(jiān)測(cè)方法的可靠。覃輝[3]運(yùn)用前方交會(huì)方法對(duì)建筑物傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，獲得了很高的點(diǎn)位測(cè)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(guò)程中通視條件較差難以利用常規(guī)方法進(jìn)行塔體傾斜位移監(jiān)測(cè)的難題。黃新民等[5]通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)沉降監(jiān)測(cè)，運(yùn)用對(duì)比分析與回歸分析方法驗(yàn)證了建筑物的基礎(chǔ)沉降與整體傾斜之間的線性正相關(guān)關(guān)系。張立群等[6]基于免棱鏡全站儀測(cè)量了建筑物主體兩墻面相交的一組棱線頂端相對(duì)于底端的偏移量，其解析交會(huì)點(diǎn)精度可達(dá)到二等水平位移監(jiān)測(cè)精度要求。涂群生[7]建立了建筑物的變形監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，在導(dǎo)線控制點(diǎn)上架設(shè)全站儀測(cè)量了建筑物上下房角的三維坐標(biāo)來(lái)計(jì)算傾斜值，提高了監(jiān)測(cè)效率，并解決了測(cè)點(diǎn)通視問(wèn)題。以上研究均表明，對(duì)高層、特別是超高層建筑物的沉降和傾斜進(jìn)行監(jiān)測(cè)，需結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)，綜合運(yùn)用多種觀測(cè)方法才能達(dá)到預(yù)期效果。

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

1 工程概況

濟(jì)南某超高層項(xiàng)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(xiàng)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(xiàng)目高層建筑物的基礎(chǔ)信息見(jiàn)表1。

表1 高層建筑物的基礎(chǔ)信息

2 主體沉降監(jiān)測(cè)

2.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

在建筑物主體結(jié)構(gòu)施工時(shí)，隨著主體荷載增加，建筑物沉降會(huì)逐漸增大。沉降監(jiān)測(cè)有助于及時(shí)判別異常沉降、不均勻沉降，避免建筑物主體結(jié)構(gòu)存在破壞風(fēng)險(xiǎn)，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(cè)量規(guī)程》(JGJ/T 8—2016)[1]和設(shè)計(jì)文件，2座塔樓和2座裙房的沉降監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)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(xiàng)目3個(gè)高程基準(zhǔn)點(diǎn)埋設(shè)在沉降影響范圍以外的穩(wěn)定且易保護(hù)的位置(距離沉降觀測(cè)點(diǎn)約100 m)，2個(gè)工作基點(diǎn)距離沉降觀測(cè)點(diǎn)約60 m(2倍基坑深度外)。建筑物沉降測(cè)點(diǎn)采用混凝土現(xiàn)澆預(yù)埋，分2個(gè)階段布設(shè)。

1)基礎(chǔ)施工時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)將定制的蘑菇頭型監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基礎(chǔ)底板鋼筋綁扎固定，底板混凝土澆筑后，測(cè)點(diǎn)與底板緊密結(jié)合?，F(xiàn)澆預(yù)埋測(cè)點(diǎn)相對(duì)傳統(tǒng)后期鉆孔埋設(shè)更穩(wěn)固、位置更精確[8]。

2)建筑物結(jié)構(gòu)施工至±0以上時(shí)，在1層地面30 cm以上位置預(yù)埋L型監(jiān)測(cè)點(diǎn)，埋設(shè)方法同上。L型沉降測(cè)點(diǎn)示意圖如圖1所示。

圖1 L型沉降測(cè)點(diǎn)示意圖

位于底板的測(cè)點(diǎn)主要用于主體結(jié)構(gòu)施工期間建筑物的沉降監(jiān)測(cè)，其數(shù)據(jù)觀測(cè)至裝修拆除后結(jié)束。位于1層的測(cè)點(diǎn)既用于主體施工期間的沉降監(jiān)測(cè)，也用于建筑物使用期間的長(zhǎng)期沉降觀測(cè)，應(yīng)做好長(zhǎng)期保護(hù)標(biāo)識(shí)。

2.2 監(jiān)測(cè)方法

采用美國(guó)天寶Trimble-DiNi03電子水準(zhǔn)儀，配1對(duì)2 m條碼尺，其標(biāo)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(cè)按二等水準(zhǔn)測(cè)量要求進(jìn)行[1]。每期測(cè)量作業(yè)開(kāi)始時(shí)，先將工作基點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行聯(lián)測(cè)，再利用工作基點(diǎn)對(duì)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行觀測(cè)。每次測(cè)量時(shí)，在相同的時(shí)段和環(huán)境條件下，采用相同的監(jiān)測(cè)線路、監(jiān)測(cè)方法、監(jiān)測(cè)人員、監(jiān)測(cè)儀器和設(shè)備對(duì)不同的建筑物進(jìn)行高程測(cè)量[9]。首次觀測(cè)時(shí)，取3次測(cè)量值的平均值作為測(cè)點(diǎn)初始值，每期測(cè)量完成后，根據(jù)測(cè)量誤差理論和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)原理對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行平差計(jì)算分析。如觀測(cè)限差超限，則應(yīng)重測(cè)。底板完成后開(kāi)始觀測(cè)，底板初凝觀測(cè)1次，之后每施工3層觀測(cè)1次，竣工后第1年觀測(cè)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(cè)期不少于5 a。

2.3 計(jì)算方法

以下基準(zhǔn)點(diǎn)為已知高程點(diǎn)，利用測(cè)得的各監(jiān)測(cè)點(diǎn)與基準(zhǔn)點(diǎn)的高差，可得到各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的高程H，其與上次測(cè)得高程的差值△h為該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降值，即：

△h(1,0)=H(1)-H(0)

(1)

式(1)中,H(0)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)上次高程；H(1)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)本次高程；△h(1,0)為監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降值。

2.4 沉降分析

在監(jiān)測(cè)周期內(nèi)，對(duì)建筑物沉降測(cè)點(diǎn)進(jìn)行重復(fù)觀測(cè)，計(jì)算得出沉降測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降量、沉降速率及差異沉降值，并對(duì)其數(shù)值與變形允許值進(jìn)行對(duì)比分析，以便判別建筑物沉降是否超標(biāo)或是否存在異常[10]，也可間接計(jì)算建筑物的傾斜值。

3 主體傾斜監(jiān)測(cè)

3.1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)

本工程監(jiān)測(cè)控制網(wǎng)為假定平面坐標(biāo)系。在施工區(qū)域影響范圍外的穩(wěn)定區(qū)域布設(shè)基準(zhǔn)點(diǎn)，在T1和T2塔樓基礎(chǔ)前布設(shè)完控制網(wǎng)，并完成基準(zhǔn)點(diǎn)的聯(lián)測(cè)。平差計(jì)算后獲得各基準(zhǔn)點(diǎn)的平面坐標(biāo)，通過(guò)比較其坐標(biāo)差值對(duì)基準(zhǔn)點(diǎn)穩(wěn)定性進(jìn)行判別，及時(shí)剔除不穩(wěn)定點(diǎn)[1]。基準(zhǔn)點(diǎn)1個(gè)月復(fù)測(cè)1次。

T1和T2塔樓每層監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖分別如圖2和圖3所示。按假定坐標(biāo)系控制點(diǎn)布設(shè)要求，在T1塔樓四周分別布設(shè)S1，S2，S3，S4平面控制點(diǎn)，同時(shí)在T2塔樓四周布設(shè)R1，R2，R3，R4平面控制點(diǎn)。2座塔樓單獨(dú)布設(shè)控制網(wǎng)是為了避免隨著T1和T2施工樓層增高，基準(zhǔn)點(diǎn)與測(cè)點(diǎn)產(chǎn)生通視問(wèn)題，影響監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

圖2 T1塔樓每層監(jiān)測(cè)點(diǎn)示意圖

圖3 T2塔樓每層監(jiān)測(cè)點(diǎn)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(jié)構(gòu)。先施工核心筒結(jié)構(gòu)，然后施工玻璃幕墻結(jié)構(gòu)，建筑物傾斜測(cè)點(diǎn)需要在核心筒和玻璃幕墻分別布設(shè)，確保傾斜監(jiān)測(cè)的連續(xù)性。

從建筑物外部進(jìn)行傾斜監(jiān)測(cè)觀測(cè)時(shí)，經(jīng)與施工單位溝通確認(rèn)，建筑物外墻和頂部不具備布設(shè)固定棱鏡的條件。本次監(jiān)測(cè)采用的非預(yù)埋觀測(cè)標(biāo)志為可粘貼反射片標(biāo)志。在建筑物高度20 m和90 m處分層布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每層4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于建筑物四邊位置，監(jiān)測(cè)點(diǎn)位命名規(guī)則為建筑樓號(hào)+(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(jié)構(gòu)。在建筑物高度20，100，200，290 m處分層布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，每層4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，分別位于建筑物四周位置，運(yùn)用全站儀將建筑物任一角不同高度的測(cè)點(diǎn)輔助布設(shè)在同一垂直線上?？紤]到T1塔樓結(jié)構(gòu)高度為297 m，故未在300 m的玻璃幕墻上布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。

根據(jù)施工進(jìn)度分階段埋設(shè)不同高度的監(jiān)測(cè)點(diǎn)。埋設(shè)時(shí)，采用全站儀三角高程確定測(cè)點(diǎn)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(cè)方法

采用徠卡TS30超高精度全站儀(標(biāo)稱精度0.5″和0.6 mm+1 ppm)進(jìn)行監(jiān)測(cè)。監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)完成后，儀器測(cè)站點(diǎn)選在距照準(zhǔn)目標(biāo)1.5～2.0倍目標(biāo)高度的固定位置。以北方向?yàn)閄軸，東方向?yàn)閅軸，高度方向?yàn)閆軸，3次以上測(cè)量數(shù)值的平均值作為各傾斜測(cè)點(diǎn)的初始值。同時(shí)，為了減小周邊環(huán)境的施工擾動(dòng)、溫度、強(qiáng)日照、大風(fēng)等不利條件影響，采集時(shí)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(cè)結(jié)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(cè)條件,無(wú)法采用激光垂準(zhǔn)測(cè)量，故本項(xiàng)目可采用傾斜間接法、投點(diǎn)法及前方交會(huì)法，下面對(duì)此進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。

3.2.1間接法

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

圖4 建筑物傾斜觀測(cè)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(gè)沉降點(diǎn)的相對(duì)沉降量或差異沉降量；L為建筑物的2個(gè)沉降點(diǎn)之間的距離；△d為建筑物上、下部分相對(duì)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(lái)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(xiàng)目中，建筑物的同一高度上存在多個(gè)測(cè)點(diǎn)，根據(jù)其沉降可以算出該平面的傾斜。進(jìn)一步地，不同高度的平面傾斜可以真實(shí)地反映建筑物的三維傾斜狀態(tài)。

3.2.2投點(diǎn)法

在建筑物同一個(gè)豎直面的上、下部位布設(shè)傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)。運(yùn)用全站儀輔助照準(zhǔn)建筑物X墻體上部A觀測(cè)點(diǎn)，采用盤左﹑盤右分中投點(diǎn)法，確定X墻體下部B觀測(cè)點(diǎn)。同理，在與X墻面垂直的Y墻面上部布設(shè)C觀測(cè)點(diǎn)和下部布設(shè)D觀測(cè)點(diǎn)。A，B和C，D即為建筑物主體傾斜觀測(cè)標(biāo)志的位置。

盤左、盤右分中投點(diǎn)法的具體操作為：將全站儀放置在基準(zhǔn)點(diǎn)上，儀器整平、調(diào)整對(duì)中，用盤左照準(zhǔn)建筑物上面的A點(diǎn)，水平制動(dòng)，縱轉(zhuǎn)照準(zhǔn)部，使其提供1條垂線，相交于建筑物底部基準(zhǔn)線上。同理，盤右也在基準(zhǔn)線上標(biāo)記垂線,2條垂線在水平基準(zhǔn)線上取中值。

在下一個(gè)監(jiān)測(cè)周期，在原基準(zhǔn)點(diǎn)位置安置全站儀，分別照準(zhǔn)傾斜監(jiān)測(cè)點(diǎn)A和C，用盤左、盤右分中投點(diǎn)法確定B′和D′位置。建筑物傾斜觀測(cè)投點(diǎn)法示意圖如圖5所示。

圖5 建筑物傾斜觀測(cè)投點(diǎn)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(cè)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(jì)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(diǎn)法現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量相對(duì)簡(jiǎn)單，可直觀得出傾斜偏移量，應(yīng)用時(shí)應(yīng)重點(diǎn)考慮建筑物傾斜測(cè)點(diǎn)的布設(shè)困難、儀器設(shè)站的空間距離問(wèn)題。本項(xiàng)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(duì)于結(jié)構(gòu)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(huì)法

T1塔樓是類圓筒結(jié)構(gòu)外形，P點(diǎn)為建筑物頂部中心位置，P′點(diǎn)為建筑物底部中心位置。現(xiàn)場(chǎng)前方交會(huì)法如圖6所示。在建筑物一側(cè)布設(shè)監(jiān)測(cè)基線EF,基線的長(zhǎng)度通常小于5倍的建筑物高度，其中E基準(zhǔn)點(diǎn)和F基準(zhǔn)點(diǎn)應(yīng)在遠(yuǎn)離施工影響范圍的穩(wěn)定且易保護(hù)的位置上布置，也可在附近穩(wěn)定的易于觀測(cè)的建筑物上布設(shè)。

圖6 現(xiàn)場(chǎng)前方交會(huì)法

首先在E基準(zhǔn)點(diǎn)上安置全站儀，測(cè)量建筑物頂部P兩側(cè)切線與基線的夾角，求取其平均值β。同理，在F基準(zhǔn)點(diǎn)上安置全站儀，測(cè)量建筑物頂部P兩側(cè)切線與基線的夾角，求取其平均值γ。然后利用前方交會(huì)公式計(jì)算出建筑物頂部P點(diǎn)的平面坐標(biāo)。重復(fù)以上操作，計(jì)算得到建筑物底部P′點(diǎn)的平面坐標(biāo)。

在三角形EFP中，已知E點(diǎn)的坐標(biāo)為(xE,yE)，F(xiàn)點(diǎn)的坐標(biāo)為(xF,yF)。分別在E和F點(diǎn)上設(shè)站，測(cè)量并計(jì)算得出β和γ2個(gè)角，通過(guò)解算三角形算出未知P點(diǎn)的坐標(biāo)(xP,yP)。這種方法稱為測(cè)角前方交會(huì)法。

根據(jù)文獻(xiàn)[11]，當(dāng)△EFP的點(diǎn)號(hào)是依E，F(xiàn)，P按照逆時(shí)針?lè)较蚓幋a的，其中E，F(xiàn)是已知點(diǎn)，P為未知點(diǎn)。P點(diǎn)的坐標(biāo)計(jì)算公式為：

(6)

(7)

通過(guò)P點(diǎn)(xP,yP)和P′點(diǎn)(xP′,yP′)兩點(diǎn)的平面坐標(biāo)，可由坐標(biāo)反算公式計(jì)算P′和P兩點(diǎn)之間的平距，其平距也即傾斜偏移值△d。

(8)

前方交會(huì)傾斜監(jiān)測(cè)法適用于圓筒型建(構(gòu))筑物傾斜測(cè)量，尤其是在不具備埋設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的圓筒型建筑物上優(yōu)勢(shì)更明顯。該方法需要穩(wěn)定且遠(yuǎn)距離的基準(zhǔn)點(diǎn)，作業(yè)空間大，并通過(guò)計(jì)算上部和下部的圓筒中心坐標(biāo)的方式推算主體結(jié)構(gòu)的傾斜偏移量，計(jì)算相對(duì)復(fù)雜。

3.3 傾斜監(jiān)測(cè)方法比選

根據(jù)工程實(shí)際，考慮到建筑物主體沉降是該工程的必測(cè)項(xiàng)目，可以用同邊的沉降測(cè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)間接計(jì)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(huì)法測(cè)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(cè)量結(jié)果與相對(duì)沉降量間接法測(cè)量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)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(chǎng)踏勘情況，T1塔樓也可采用投點(diǎn)法觀測(cè)，也應(yīng)同步布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，并完成初始值采集，以便后期的對(duì)比分析。

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

4 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)主體沉降、傾斜觀測(cè)的方法進(jìn)行探討，可得出以下結(jié)論。

1)用建筑物上同一高度測(cè)點(diǎn)的沉降量計(jì)算測(cè)點(diǎn)所在平面的傾斜，再用沿建筑物高度分布的多個(gè)平面傾斜來(lái)反映建筑物的真實(shí)三維傾斜，方法簡(jiǎn)單，具有很好的實(shí)用性。

2)建筑物傾斜觀測(cè)受現(xiàn)場(chǎng)施工擾動(dòng)、溫度變化、強(qiáng)日照、大風(fēng)等不利條件影響較大，此時(shí)需采用多種傾斜觀測(cè)方法，綜合研判傾斜變化情況，更好地指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)施工。

3)對(duì)于由核心筒和外部框架組成的建筑結(jié)構(gòu)，需要聯(lián)合實(shí)施核心筒和外部框架的監(jiān)測(cè)，并注意監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的連續(xù)性。

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