建筑物沉降监测设计及数据分析

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摘要：阐述了建筑物沉降监测方案设计、监测精度、最弱点中误差、监测数据处理，通过北京铁路地下直径线下穿前门3#地下人行通道的沉降监测研究，得出了通道的沉降变化规律，测量数据质量可靠，为通道的安全运营提供了可靠地依据。

关键词：通道；观测精度；数据分析

中图分类号：TU2文献标识码： A

一、工程概况

北京铁路地下直径线工程，位于北京市中心区，隧道从前门东大街起，沿前门大街、宣武门西大街向西至长椿街后拐至西便门桥、天宁寺桥、白云路桥北侧，斜穿白云路桥至小马场附近出地面。隧道主要沿前门大街一线布置。前门大街3#地下人行通道修建于上世纪九十年代初期，位于前门东大街北京规划展览馆、正阳门车站旧址北侧，3#通道主通道为“回”字型闭合框架结构，宽9.0米，净高2.5米，长35米。梯道坡度为1:3.8和1:3.3两种，为“凹”型钢筋混凝土结构。

地下直径线将从3#通道南侧下方约9米处由西向东穿过。盾构直径12米。施工过程中对南侧部分主通道及两座梯道可能造成影响。

二、3#通道允许变形值

北京市市政专业设计院股份公司受北京铁路局北京站至北京西站地下直径线工程建设指挥部委托，对3#人行通道的现状进行检测设计咨询，评价地下穿越工程对通道结构安全的影响，提出通道的允许变形控制值，确定监测原则及技术标准。3#通道受盾构施工影响，主通道南侧部分（南侧变形缝向南）可能发生整体竖向沉降；在盾构施工掘进过程中，南侧梯道可能因施工扰动发生不均匀沉降。由于原设计梯道考虑主要受力方向为结构环向，纵向配筋较少，因此在施工过程中应尽量避免梯道纵向的不均匀沉降。参阅原通道设计资料，得出地铁直径线下穿3#地下通道应满足的控制技术指标：

1、主通道纵向（南侧变形缝以南部分）不均匀沉降控制值为5mm。主通道变形缝处不均匀沉降控制值为5mm。整体沉降控制值为10mm。

2、梯道纵向不均匀沉降控制值为5mm。主通道与梯道及梯道变形缝处不均匀沉降控制值为5mm。整体沉降控制值为10mm。

三、通道实施监测的技术方案

1、监测点的布设

1） 沉降监控网基准点布设原则:①稳定,作为变形监测的基准点,一定要远离施工影响区域,并有一定的埋设深度和不易遭受施工破坏；②联测方便；③至少有3个以上基准点,以便通过基准点的联测,检验基准点的稳定性，本工程布设了3个墙水准基准点。

2） 变形观测点的布设

变形观测点的布设原则:①监测点布设在被观测通道最能反映变形特性的位置上,需布设在主通道、梯道侧墙端头、沉降缝两侧, 布设在通道侧墙不同层高的分界处两侧；②点位应布设在便于观测、点位稳定和施工干扰小的地方；③监测点的数量应能足够反应整个建筑物基础的变形情况,并满足变形分析的需要，本工程共布设了24个变形点，如图1

图1变形点布设图

2、监测精度及使用仪器

《建筑变形测量规范》规定建筑物沉降观测等级按网的测站高差中误差µ确定，观测点测站高差中误差µ按下列公式估算

µ= （1）

µ=（2）

ms沉降量s的测定中误

m∆s沉降差∆s的测定中误差

QH网中最弱观测点高程的协因数

Qh待求点高差的协因数

沉降观测的精度要求,应当取决于观测的目的、建筑物预计允许变形值及建筑物的结构和基础类型。根据《建筑变形测量规范》为了监测建筑物的安全，ms、m∆s按下列规定确定：

1）沉降量等绝对沉降的测定中误差ms的确定，对于特高精度要求的工程可按地基条件，结合经验具体分析确定；对于其它精度要求的工程，可按低、中、高压缩性地基土的类别及建筑物对沉降的敏感程度的大小分别选±0.5mm、±1.0mm、±2.5mm，本工程地基土为中压缩性地基土，沉降量测定中误差ms取±1.0mm。

2）沉降差的测定中误差

不均匀沉降差的测定中误差，不应超过其允许变形值的1/20,本工程的沉降差测定中误差为m∆s=5mm/20=±0.25mm。

3）最弱点高程的协倒数

按本工程最长的水准路线计算最弱点高程的协因数，即权倒数，最长的水准路线BM12321190810131514121109050301BM2，最弱点为14点，14点距离BM1、BM2分别为9站。最弱点高程的协因数可按下式计算

（3）

n1、n2为最弱点距离起算点BM1、BM2的测站数

经计算最弱点14点高程协因数为QH=4.5

4) 纵向沉降差的协因数

本工程12点、14点为纵向沉降差异测点，BM1距离14点9站，BM2距离12点8站,12点、14点间隔1站，沉降差协因数可按下式计算

（4）

n1为起算点BM1至14点测站数

n2为起算点BM2至12点的测站数

n3 为14点、12点的测站数

经计算14点、12点的沉降差的协因数Qh=0.94

5）按公式（1）、（2）计算单位权中误差，确定本工程的测量精度

按（1）计算µ=0.33

按（2）计算µ=0.18

测站高差中误差µ最小值为0.18mm,介于变形测量规范一级、二级之间，按照从严掌握的原则，测量等级应为一级，应采用trimbel Dini03数字水准仪、铟钢条码尺观测。

3、监测频次

根据北京市地方标准《地铁工程监控量测技术规程》，确定监测频次：当开挖面到监测断面前后的距离L≤2B时，1-2次/天;当开挖面到监测断面前后的距离2B5B时，1次/周，基本稳定后1次/月(B:隧道直径或跨度;L:开挖面与监测点的水平距离)。当出现情况异常时，应增大监测频率。

4、主要监测技术

1）本工程基准点间联测，基准点、变形点间观测按变形测量一级的方法进行观测，基准点之间的水准联测,采用闭合水准路线的形式；监测点之间的水准观测,也采用闭合水准路线的形式,并至少应构成2个以上闭合环；而基准点与监测点之间的水准联测,采用往返复合水准路线的形式,之所以设计这样的水准观测路线,是因为闭合环或复合水准路线都具有多余观测,有利于检测外业观测中的误差和错误,提高外业观测数据采集的质量和可靠性,同时还有利于数据的严密平差和提高精度。

2）沉降观测的自始至终要遵循“五固定”原则。

①沉降观测依据的基准点、工作基点和被监测物上的沉降观测点，点位要稳定，只有这些观测依据稳定才能客观的反映出沉降的变化量，它们的变化代表了沉降物体的变化情况。

②仪器、设备要固定，每台仪器设备都有它自己的系统误差，都具有一定的精密度，这是不可能避免的，在同一整体工程监测过程中，必须固定所用仪器。

③观测人员要固定，观测者是通过自己的感觉器官来进行工作的，由于每个人的感觉的鉴别力的局限性，在进行仪器的安置、瞄准、读数等工作时，都会产生一定的误差，对观测结果会有一定的影响。

④观测时的环境条件基本一致，在观测过程中所处的外界自然环境，如地形，温度，湿度，风力，大气折射等因素都会给观测结果带来种种影响，而且这些因素随时都在变化，因此对观测结果产生的影响也随之变化，这就必然对观测结果带来误差，有些外界条件在实际工作中无法避免，在这所说的是尽量在同等条件下进行观测，为了减弱大气折射的影响，我们采取的措施就是在每一天的固定时间段进行，由于空气温度的不均匀，将使光线发生折射，视线即不成为一条直线，所以我们选择每天的固定时间段，温度，大气折射条件基本相似，可以减少误差。

⑤观测路线、镜位、程序和方法要固定，前后视距离相等的办法来减少由于仪器视准轴不平行于水准轴给观测结果带来的影响；测站上的观测程序可减弱由于仪器下沉等随时间变化对观测结果的影响，这些固定的方法都可以有效的减小误差。

以上措施在客观上尽量减少观测误差的不定性，使所测的结果具有统一的趋向性，保证各次观测结果与首次观测的结果可比性更一致，使所观测的沉降量更真实。

5、沉降监测的数据处理与分析

监测数据处理与分析原则：

①首先进行数据的预处理, 即在观测过程中,实时地计算各测站的各项精度指标,对于超限的测站,应及时地进行重测、补测,当一条路线观测结束,计算路线的往返测较差或闭合差,以评定外业观测的精度。

②平差计算前首先对基准点的稳定性进行检验和分析，如果发现基准点有变动，不得使用该点作为起算点。经过多次复测或某期观测发现基准点变动，应重新选择参考系并使用原观测数据重新平差计算以前的各次成果。

③观测点的变动分析应基于以稳定的基准点作为起始点而进行的平差计算成果，二、三级及部分一级变形测量，相邻两期观测点的变动分析可通过比较观测点相邻两期的变形量与最大测量误差（取两倍中误差）进行，当变形量小于最大误差时，可认为观测点在这两个周期间没有变动或变动不显著；

通道沉降观测数据统计分析：

从沉降量-时间累计曲线图可以看出：

①在整个监测过程中未发现通道、梯道突然大量沉降、不均匀沉降等现象，从2013年2月1日盾构机掘进到通道部位起，通道下沉变形明显增大，累计沉降量与时间曲线呈单边下行光滑曲线，实测结果表明，通道总体沉降发展正常。

②主通道最大累计沉降量-7.38mm（20点），点位于通道的南端，梯道最大累计沉降量为-9.52mm（8点），点位于通道的西南口侧墙，均未超过相应的沉降允许变形值；

③主通道的纵向差异沉降值为-3.61mm（12点与14点），主通道沉降缝两侧沉降差最大-1.82mm（12点与10点），未超过差异沉降允许变形值。

④通道西南口及其与主通道结合处没发生裂缝、偏移等结构破坏情况，主通道伸缩缝没有变化，结构安全稳定。

四、结语

建筑物沉降观测不仅仅是测量学的一个范畴，对于建筑物结构、地质、工程施工都需要有一定的了解，这对于整个沉降观测的点位布设、沉降变形分析都很重要。

通过对建筑物地基沉降变形观测所需测量精度的分析和实例分析可以看出，确定合理的观测精度，然后制定相应的测量方法和相关的限差要求，是确保观测成果反映变形动态信息的基本条件。观测精度合理，测量方法正确，观测中严格执行相关限差要求，才能及时地为决策者和有关工程技术人员提供科学依据，从而保证建筑物安全和施工人员的安全。

严格按照《国家一、二等水准测量规范》规定的作业方法进行测量作业，立水准尺必须用尺撑，数字水准仪的i角稳定后每半个月检核一次，使i角尽量小，这样才能提高测量的精度。

参考文献

1.《建筑变形测量规范》JTJ8-2007

2.北京市地方标准《地铁工程监控量测技术规程》DB11/490-2007