静力水准测量法在房建工程沉降观测中的应用

席泽焕

（甘肃省建筑设计研究院有限公司，甘肃 兰州 730000）

0 引言

近年来，高层及超高层建筑物的建设发展迅速，为了使这些工程施工的质量及安全有所保障，项目参建方都会主动做好变形观测工作。为了精准掌握建筑物的变形情况尤其是沉降量，应尽早建立健全高程控制网。静力水准法能实现±0.1mm 的高精准度、自动化、实时沉降测量，且具有稳定性好、频次高等优势，能够准确预判断建筑物所处的稳定状态。本文就该方法的原理、设备安装及相关应用进行分析。

1 静力水准仪系统概述

1.1 测量原理

静力水准仪系统是测量高差及其变化的精密仪器，所有测点的垂直位移均是相对其中一点（基准点）变化，该点的垂直位移是相对恒定的，以便能精确计算出静力水准仪系统各测点的沉降变化。具体工作原理：将各个需要监测的点使用管道连接，内部液体保持在同一水平线上，利用高精密度传感器测量出各个容器的液位，悬吊式的自由浮筒为其传感器，假设在监测过程中，监测点位置发生变化，仪器内的液体也会同时发生变化，传感器就能自动感应到浮筒的悬浮力，从而可以得到基准点高程及监测点高程变化。

1.2 初始状态

该系统是由多个静力水准仪所组成，分别将其组装在各监测点上，使用连通管，把各个浮筒结合成一个整体，并在系统内注入一定比例的防冻液。液面静止之后，每一个仪器中浮筒液位处于同一水准面上，这种液位状态叫做初始状态。

1.3 水准系统模型

由（6）式可得出以下结论：

2 静力水准仪系统测量应用实例

本文选择的监测项目是A 市应急救援指挥中心，已知其地下1 层，地上11 层。由建设方提供施工图纸，工程测量、变形测量、地基基础设计规范等。

该工程是变形相对较敏感的高层建筑物，依照既有规范要求，需要贯彻沉降观测工作，参照相关规范规定，并且参照同类型工程既往观测经验，最后确定该工程隶属于二等变形监测等级，即变形点的高程中误差≤±0.5mm[2]。

3 测量仪器的安装

测量仪器包括一台数字水准仪DL-501（托普康DSO5 级)及配套水准标尺、兰德HT2680A、计算机等。现场施工时，严格按照设计要求进行放样，使用螺栓把托架固定在墙面局部或测墩上，把仪器托架依照水准仪进行安装，保障其处在同一水平位置，确保容器标高相同；安装托架后再把储液筒安装在托架局部，采用三螺纹支撑杆连接托架与储液筒，把一个水平尺稳妥地安置在储液筒上进行抄平，调整螺纹支撑杆，确保上半螺帽和储液筒始终保持在水平状态下；按照设计编号把浮筒放进储液桶内，储液桶顶部安装传感器保护罩并固定，连接好通气管，确保所有容器中，液面以上压力数值均能维持恒定；再安装采集保护箱；参照设计图纸，连接各测量单元的仪器电缆；完善基准测点高程值设计，对储液桶中高程值进行校对，保证量程中间位置；安装好自动化数据采集仪（BGK-MICRO-40），并做好数据观察，通过通讯模块传送至计算机系统内。

4 基准网布设、观测以及平差成果

4.1 基准网布设

布设基准网，在于为工程沉降点位现场观测创造便利条件，因此，需要保证基准点状态稳定可靠、便于复测操作。结合此工程地勘报告，及周围地形分布特征，决定在工程变形影响区外，于状态稳固的构筑物上布设3 个方位不同的基准点，组建闭合式沉降观测基准网。

4.2 基准网观测

严格按照国家一等水准测量的技术要求，闭合水准路线，配合应用数字水准仪观测基准网，利用笔者所在单位自主研发的水准测量外业记录软件包录入有关信息，将视线长度范围控制在4～30m，控制前后视距差≤lm，前后视距累积差≤3m。路线闭合差≤±0.30代表测站数目），两个相邻基准点、各站的高差中误差要分别控制在±5mm、±15mm 以下[3]。

4.3 基准网平差成果

该工程应用假定高程系统观测高程值，假设点位G1 高程是3650m（接近海拔高）。本文把基准网观测平差成果作为观测点位的沉降起算结果，确保其高精准度。严格按照设计要求，敷设好基准点并确保其相对稳定后，就可以观测初始值，在该工程项目，要求连续观测2 次初始值，计算出平均值将其作为基准点的高程成果。

基准网观测外业工作完毕后，下载兰德HT2680A内存储的外业观测信息，并将其完整地导入计算机系统内，利用外业记录软件包软件进行微调尺长、正高数值以后，应用专业平差软件测算出各监测点位的高程与精准度值，计算出相应的平均值，并将其设定成基准点第一次沉降观测所得的高程成果。

5 沉降网布设、观测及平差计算结果

5.1 布设沉降网

该工程布置沉降观测点时，遵循的原则是建筑体的四角等主要特征性部位以及密度分布适宜，这样才能精准地监测到建筑物的局部或者整体变形状况。结合该房建工程的地质、基础形式特征，决定在首层部位承重墙体共计布设19 个沉降观测点，组成和水准路线有效附合的沉降观测网[4]。

5.2 沉降网观测

现场严格按照国家一等水准测量的技术要求及附合水准路线情况观测沉降网，配合应用自主研发的外业记录软件包。在各次观测活动中，按照附合水准路线连续观测≥2 个水准点，确保拥有沉降观测所需的检核条件，减少或规避不必要的测量误差。

5.3 沉降网平差计算

执行完沉降网设计周期观测外业任务后，下载兰德HT2680A 中的观测数据，通过外业记录软件包进行规范化处理，有针对性地修正部分尺长和正高，平差软件计算各点位的高程与精度。

6 沉降点观测结果

6.1 沉降观测点沉降量

通过沉降点沉降量统计发现,沉降量改变幅度均不大，连续2 次最大沉降量改变，B9 对应值是-0.96mm，沉降速率=-0.96mm/259d ≈0.004mm/d。把沉降速率＜0.03mm/d 设定为稳定阶段的标准，如果实测沉降速率＜0.03mm/d 时，就可以暂停观测工作；沉降点总计沉降量B17 的最大值是-2.15mm，B8 最小值是0.15mm。

6.2 监控预警值以及报警值

解读建筑地基基础设计相关规范，对于砌体承重及框架结构的建筑，两个相邻柱基的沉降差，变形允许值≤0.002×，选择规范变形允许值作为监控报警值。而监控预警值是监控报警值的70%，实质上就是≤0.0014（代表的是相邻柱基的中心距离，mm）。

在观测期间，建筑物的相邻柱基的最大沉降差对应值是10.74mm（B15-B16 观测点，这两点相邻柱基的中心距离是24600mm），相邻柱基的沉降差监控预警值、报警值分别是34.44mm、49.20mm，最大沉降差占监控预警值、报警值的31.2%、21.8%。综合以上数据，可以认定，在该房建工程观测全过程，地基变形值始终在监控预警值及报警值之下。

6.3 和传统人工光学水准监测情况对比

通过比较静力水准法和传统人工光学法的水准监测情况（见表1），发现整体数据大体一致，没有观察到数据显著偏差的观测点，说明静力水准仪能相对精准地呈现出建筑物的现场沉降情况。并且因静力水准系统能实时监测数据，能在短时间内采集到大批量数据，从而更好地呈现出房建工程自身及周边构造的沉降情况。

表1 静力水准与光学水准观测结果比较（单位:mm）

7 系统的检查与维护

（1）系统安装好之后，检查干燥剂的情况，如果颜色变成浅红色，要及时拆下更换备用干燥剂，或者直接进行烘干处理。

（2）定时采用软件系统测试，了解传感器的工作状况，及时发现异常情况并处理。

（3）观察系统液面的高度，防止液面过高，导致液体渗流到传感器内的情况出现。

（4）水准仪本身需要有良好的密封性，可以防止传压液体挥发或外部空气渗入。

8 结束语

为了让静力水准系统能精准、可靠、持续地监测施工建造、营运过程中的稳定情况，测量单位一定要建立健全基准网，并和工程参建方加强配合，共同做好基准点与沉降点的布设与保护工作，确保沉降观测资料的有效性与及时性，为建筑沉降分析提供可靠依据，从而准确调整工程项目的施工及运维管理方案。