测量在建筑工程质量控制方面的研究

■吕加宝

（厦门东海职业技术学院，福建 厦门 361100）

随着建筑业蓬勃发展，特别是高层和超高层建筑物高度不断增加，结构体型越来越复杂，由此对建筑物结构施工质量提出更高的要求，以确保建筑物安全可靠。高层建筑物的地基受到上部结构荷载与外力的作用经常会出现不均匀沉降现象，进而导致高层建筑物出现裂缝和倾斜等问题，严重破坏建筑结构，降低高层建筑的稳定性和安全性，给人民群众的生命和财产造成威胁。针对建筑工程质量有效控制方法的探索，将工程测量技术应用到高层建筑的变形观测，根据变形程度，及时采取解决措施，以加强高层建筑的施工质量控制，促进工程质量能够达到国家规定标准，进一步提高高层建筑运行的安全性以及建筑功能的实现。

一、建筑物变形监测的重要性

工程变形监测的主要目的在于监视建（构）筑物的变形情况，以便一旦发现异常变形能够及时进行分析、研究，采取针对性措施加以处理，避免发生严重的建筑安全事故，从而减少工程灾害、提高抗灾能力。尤其是在高层建筑工程中，变形监测对工程质量控制具有至关重要的作用；通过变形测量，从中了解高层建筑物变形的大小、空间分布及随时间发展的情况，并做出正确的分析与预报。对建筑物变形监测的重要性主要分析如下。

（一）能及时发现地基变形问题

地基是承受建筑物全部荷载的土体或岩体，虽然地基不属于建筑的组成部分，但地基对确保建筑物的坚固耐久正常地使用而不遭到破坏，具有非常重要的作用。特别是高层建筑物的层数多,荷载大,结构复杂，对地基的强度要求较高，为避免高层建筑施工过程出现地基变形，从地基施工就进行变形监测，有利于更及时、准确地获取地基变形监测数据，了解地基变形情况，使工程建设人员及时发现问题，并对基础施工采取有效的处理措施，以有效控制工程质量。

（二）减少建筑物的安全和质量隐患

建筑物在施工与运营过程中常出现一些微小的变形现象，但若变形量超过了正常的变形范围，将直接影响建筑物的正常使用。因此，需对施工中与运营中的建筑物进行精准的变形监测，建立建筑物变形监测系统，全面监测变形情况，并分析研究导致变形的因素及变形的发展趋势，掌握建筑物变形所产生的影响，预测和防止建筑物产生安全及质量隐患。例如，高层建筑的地基沉降情况和位移情况。

二、高层建筑中基础变形测量方法

（一）静态变形监测方法

1.沉降变形监测方法

建筑物沉降变形监测,实质上是通过精密水准测量来实现。即在基准点和监测点定期进行水准测量,以便测算其沉降量。首先选择基准点和监测点，确定水准观测路线。沉降变形监测仪器主要有电子水准仪、精密水准仪和深层沉降仪，且要经过检验合格方可使用；外业观测和内业数据分析与数据处理应及时进行。对深基坑进行沉降变化检测时,要根据变形检测的有关规范指标严格实施。观测工作应当在成像清晰、稳定的时间内完成,并且应当尽可能在不转站的情况下测出各观测点的实际高程,从而提高精确度。

2.建筑水平位移监测方法

通过建筑物的水平位移量，能确定建筑物平面位移的大小及方向，并能针对建筑实际状况选择相应的加固措施。建筑物水平方向的变形观测，首先应建立平面控制网，要根据观测条件、建筑物的结构形式、仪器特点等，确定布设形式。控制点位要设置在建筑物之外稳定的区域,因此建筑物水平位移监测的测点应按两个层级布设,即由主要控制点形成首级网，由观测点及所联测的主要控制点形成次级网。对于单个建筑物上部或构件的位移监测，可将控制点连同观测点按单一层次布设。其次在建筑物上也设有位移观测点。而水平位移观测有许多种方法,包括基准线法、交会法、三角网测量法、精密导线测量法、GPS观测法等，水平位移观测方法的选用见表1。

表1 水平位移观测方法的选用

其中的基准线法,亦称为水平方向线法。其基础原理就是通过或平行于工程建筑物轴线的固定不变的铅直平面为基准面，根据它来测定建筑物垂直于基准面方向的水平位移。根据手段不同一般可分为视准线法、测小角法和引张线法。引张线法是精密基准线测量的主要方法之一,广泛应用于各类工程测量。

3.裂缝监测方法

在深基坑施工过程中，由于受到不均匀沉降、基坑处理不当和设计问题等影响，进而产生了变形，更严重的产生裂缝。技术人员在开展裂缝变化监测时，可以将观测标志涂抹于典型的裂缝上，标志通常分为石膏板标志、白铁皮标志和金属标志。在裂缝两端抹一层石膏，长约250 mm，宽约50 mm，厚约10 mm。石膏干固后,用红漆喷涂一层宽度约5 mm的横线，横线跨越裂缝两侧且垂直于裂缝。若裂缝继续扩张，则石膏开裂，每次测量红线处裂缝的宽度。对于重要的裂缝，也可以选择其具有标志性的地方埋设标志，即在裂缝的两侧打孔埋设金属标志点，并定期用游标卡尺测量出这两点之间的距离变化,就可以准确地测量裂缝宽度的变动状况。

4.倾斜监测技术

倾斜监测技术在小面积深基坑变形监测中应用得较多，常用悬吊重锤的方法开展小面积深基坑变形监测，并判断其倾斜程度，还可以采用光学垂准仪、经纬仪投影和测水平角等方法进行倾斜程度的监测。

（二）动态变形监测

随着先进的仪器设备的发展，动态变形监测方法的应用越来越广泛，监测的结果比静态变形监测方法获得的结果更加准确。常用的方法有GPS观测法。GPS观测法用于建筑物的变形观测，在国内外部分工程的实践应用中取得了良好的效果。GPS观测精度和观测技术的提升与GPS观测技术的深入应用有着直接的关系。GPS观测操作简单，且观测精度极高，在一些建筑物的水平位移观测精度已超过激光准直、加速传感器和全站仪等仪器的观测精度。

三、工程测量技术在高层建筑基坑变形监测中的应用

在高层建筑施工与运营过程中，由于施工条件、构造体系、荷载分布和外界因素等的影响，变形监测采用理论分析无法解决建筑物变形产生的问题，因此，制定变形监测计划进行实地观测，获取真实的监测数据。通过变形监测可以及时准确了解工程状态，掌握基坑周边的变形和结构内部的变形及应力分布。将预测数值与实际观测数值进行比较，根据比较结果判断上一施工环节是否符合预期要求，进而确定下一施工阶段的施工方式。例如通过建立实际项目变形观测系统对周边地表、基坑坡顶的水平及竖向位移等进行监测，及时调整施工方案及技术参数。

（一）基坑工程概况

该工程场地原始地貌跨越滩涂地貌（由于人类活动，该地貌中部分地段淤泥类软土缺失），场地原为公园，后经拆迁及人工回填、平整形成建设用地。本工程拟采用桩基础型式，设一层地下室。基坑开挖计算深度为5.05 m～6.55 m。基坑边线周长约为370 m，基坑面积约为7 460 m2。基坑支护的土层主要由填砂、素填土、淤泥质土、（泥质）中砂、中粗砂、残积砂质黏性土等组成。基坑西侧和北侧安全等级一级，重要性系数为1.10；东侧和南侧安全等级二级，重要性系数为1.05。基坑支护结构形式采用SMW工法桩的支护方式；基坑地下水采用三轴水泥搅拌桩止水，坑内采用疏干井结合集水明排进行降排水。

（二）变形观测系统建立

变形观测点主要包括了基准点、观测点、监测点的设置，基坑的常规监测，基准点的布设需满足沉降监测和水平位移的监测，监测点要布设在可以观测到基坑埋深变化的，距离施工现场较近的区域，具体的布置数量则要根据基坑尺寸大小和形状来确定。观测点布设的地方要视野开阔，不能与基坑开挖相冲突，才能长期进行观测点的观测。

1.基准点设置

基准点应设置在地面基础坚固稳定、载重车辆少、视野开阔及不易被破坏的地方，沉降监测和位移监测用的基准点应大于三个，由专业的测量人员通过现场的仔细踏勘后确定具体位置，并在设置的基准点上做好明显的标记，有利于查找和利用。

2.观测点设置

观测点应布设在视野开阔、能准确反映观测对象的变形状态和实际受力的地方，避免对观测对象的状况做出错误的判断。为了降低施工作业产生的不良影响，在满足监控要求的情况下，应避免在与基坑开挖相冲突或材料堆放、运输、作业区设置观测点，既避免对施工作业产生不利影响，又避免破坏观测点，可以长期进行观测。

3.监测点设置

监测点通常要布设在能观测到基坑埋深变化或者离施工现场较近的区域，但具体的布置数量则要根据基坑大小和形状来确定。

（三）本次监测拟使用的主要监测仪器

主要监测仪器如表2所示。

表2 主要测量仪器性能表

（四）监测周期

基坑变形监测的周期受到多种因素的影响，包括监测精度的高低、监测变形量的大小、变形特点等。首次进行基坑变形监测工作，需连续重复两次以上的观测，初始观测数据取得多次观测为值的参数数据的平均值。变形监测周期随单位时间内变形量而定，当变形量较大时，监测周期宜短一些；当变形量减小建筑物趋向稳定时，监测周期则相应放长。

（五）基坑顶部竖向及水平位移监测

1.监测点的布设及监测

根据现场的实际情况及设计的要求，共布设32个基坑顶部竖向及水平位移监测点。

2.监测方法

（1）基坑坡顶水平位移监测方法

在稳定位置建立相对坐标系，在埋设于基坑坡顶上的水平位移监测标志上进行位移监测，将基坑开挖前采集的初始坐标与各个监测点每次监测所得的坐标进行比较，得出的坐标差即为该监测点在本监测周期内的累计位移值。监测点及控制点均采用特制的设强制对中标志，保证每次都在同一点位上进行监测。

（2）基坑坡顶竖向位移监测方法

高程控制网建立后，测点高程变化的情况使用精密水准仪进行监测，以便于掌握基坑因相应位置土体的挖除对其竖直方向上的影响程度，进而分析基坑的稳定情况。

3.监测过程及数据处理

基坑开挖后，开始进行基坑顶部竖向及水平位移监测，随着开挖深度的加大，基坑顶部向下沉降，受压力等因素的影响，向基坑内产生位移，产生一个连续变形的过程，一般地板浇注完成后其过程会逐渐收敛。在监测过程中设置监测报警值。基坑顶部竖向及水平位移累计最大值为大于等于30 mm,或变化速率大于等于3 mm/d。在监测周期内，32个基坑坡顶平位移监测点累计位移量在2～20 mm之间，均未超过报警值。累计位移量点最大点为S9、S11。32个基坑坡顶水平位移监测点的位移速率在0～1.33 mm/d之间，均未超过监测报警值（3.00 mm/d)。32个基坑坡顶竖向位移监测点累计位移量在2～22mm之间,均未超过监测报警值（20 mm),累计位移量最大点为J9。J32个基坑坡顶竖向位移监测点的位移速率在0 mm/d～1.67 mm/d之间，均未超过监测报警值（3.00 mm/d)。从以下曲线图可以看出，在基坑开挖期间基坑顶部竖向位移呈一个连续变化的曲线。基坑坡顶随着开挖深度的不断加深，坑外被动区压力随着增大而不断向坑内位移，变形速度较大的时间段主要在基坑开挖致坑底底板浇注前期。基坑顶部竖向及水平位移曲线如图1和图2所示。

图1 基坑坡顶水平位移监测点累计位移量曲线

图2 基坑坡顶竖向位移监测点累计位移量曲线

（六）基坑周边竖向位移监测

1.监测点的布设及监测

根据现场的实际情况及设计的要求，共布设32个。使用光学水准仪进行监测，在观测时为了避免人员操作和仪器误差对观测结果产生影响，观测时采用固定的人员和固定的仪器进行观测。

2.监测方法

建立高程控制网，利用精密水准仪监测测点高程变化情况，从而了解基坑因相应位置土体的挖除对其周边地表的影响程度，分析周边地表的稳定情况。

3.监测过程及数据处理

在基坑周边竖向位移监测中闭合误差数值都比较小，都在控制范围内。22个周边地表地下室竖向位移监测点的累计位移量在0.2～1.4 mm之间，均未超过监测报警值的最小值（30 mm),累计位移量最大点为CJ17;22个周边地表竖向位移监测点的位移速率在0～0.20 mm/d之间，均未超过监测报警值的最小值（3.00 mm/d)。监测点的累积沉降量在正常范围内，且监测点累计位移量曲线缓和。

（七）监测结论

基坑监测期间，对于正常布设使用的各监测点而言，各监测项目监测点的累计变化量及变化速率均未超过《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497—2009）及设计规定的监测报警值。综上所述，监测期间基坑支护结构安全、可靠，既保证了主体地下结构的施工空间，又保证了基坑周边环境的安全。

四、结语

通过现场基坑监测，基坑坡顶水平位移监测方法是采用电子全站仪，在稳定位置建立相对坐标系，在埋设于基坑坡顶上的水平位移监测标志上进行位移监测，将基坑开挖前采集的初始坐标与各个监测点每次监测所得的坐标进行比较，所得的坐标差即为该监测点在本监测周期内的累计位移值。基坑坡顶竖向位移采用精密水准仪进行监测，从而了解基坑因相应位置土体的挖除对其竖直方向上的影响程度，分析基坑的稳定情况。基坑周边竖向位移监测方法是利用精密水准仪监测，已建立高程控制网的测点高程变化情况的监测结果。得出在变形监测中合理设置监测点和监测周期，并使用多元化的监测技术对基坑的变形监测，可有效保证监测数据结果的全面性、完整性以及准确性，给制建筑工程使用周期内的全过程累计位移量曲线，为精准分析建筑变形情况提供了专业技术支持，既保证了建筑主体地下结构的施工空间，又确保了基坑周边环境的安全。

通过对建筑定期进行变形观测，能够及时了解建筑的沉降、倾斜、位移等对建筑质量及安全不利的现象。根据观测数据的统计及分析，预测和分析其未来的发展趋势，及时采取有效措施，有利于及时处理建筑施工质量弊病。本项目最终获得了值得肯定的建筑质量控制效果，不仅有效预防了建筑安全事故的发生，减少了不必要的损失，而且提高了建筑使用性能，延长了建筑寿命。