建筑物沉降的实时远程自动监测系统

1、建筑物沉降的实时远程自动监测系统熊春宝1，孙明1，王儒杰2（1.天津大学建筑工程学院，天津300072; 2.天津市建设工程质量监督管理总站，天津300191）摘要：介绍了一种用于监测建筑物沉降的实时远程自动监测系统。将液体静力水准测量、电磁式位移传 感、计算机、GPRS无线通信等技术集成于一体，该系统具有如下功能：监测数据的实时连续采集与管理、 建筑物沉降的自动计算与分析、信息的远程无线发布与预警。该系统已成功应用于天津西站主站楼整体平 移搬迁的施工过程中，对于此工程的施工进度以及施工措施的适时调整起到了关键性的指导作用。关键词：建筑物沉降；实时；远程；自动监测A Real-time Rem

2、ote Automatic System forMonitoring the Settlement of BuildingXIONG Chun-bao1, SUN Ming1, WANG Ru-ji序(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Construction Quality Supervision Center, Tianjin300191, China)Abstract： A system, which is real-time, remote, aut

3、omatic for monitoring the settlement of building, is introduced. Hydrostatic leveling, displacement sensing by electromagnetism, computer technology and GPRS wireless communication are integrated into the system. The system has the following functions: real-time, continuous acquisition and managemen

4、t of the measured data; automatic computation and analysis of the settlement; remote, wireless release of information and early-warning. Applied successfully to monitor the settlement of the main building of Tianjin West Railway Station in integral moving, the system has taken the key directive effe

5、ct in adjusting the schedule and the methods of construction timely.Key words： settlement of building; real-time; remote; automatic monitoring 作者简介：熊春宝(1964 -)，男，博士，教授， HYPERLINK mailto:luhai_ luhai_.建筑物在施工过程中因自身荷载重量 的不断增加会产生沉降，深基坑的开挖也常 导致基坑周边原有建筑物的沉降。因此，为 了确保施工质量和施工安全，建筑物的沉降 监测至关重要。建筑物沉降传统的监测方法 是采用

6、精密几何水准测量1，此方法虽然技 术可靠、精度高，但它是一种非实时连续的、 劳动强度很大的人工观测方法。近年来，借 助于计算机和无线通信等技术，建筑工程各 种变形的自动监测系统开始得到研制刖项5。本文介绍了一种建筑物沉降实时远 程自动监测系统，此系统已经成功应用于天 津西站主站楼的整体平移搬迁的施工过程 中。1系统工作原理1.1系统的组成如图1所示，本监测系统主要由静力水 准器、电磁式位移传感器、巡检仪、计算机、 GPRS模块等部分组成。系统的工作原理为： 在建筑物的各沉降监测点处安置静力水准 器，各水准器相互之间采用连通管相连，各 水准器及连通管内装有含防冻液的纯净水。 因地球重力作用，使得

7、各水准器的液面高度 永远保持相同。当建筑物的某监测点处产生 下沉或上升，则此处水准器的液面高度会产 生变化（液面上升或下降），同时其它各监 测点处水准器的液面也会受此影响随之变 化（液面下降或上升）。各水准器的上部都 安装有一个电磁式位移传感器，液面高度的 变化值可由传感器精确地探测到，并通过一 台与各传感器相连的巡检仪传输给计算机 监控中心。计算机根据各监测点水准器液面 高度的变化值，随时计算和分析各监测点之 间的相对沉降量。当相对沉降量超过一定的 预警值时，计算机通过GPRS模块采用GSM 无线通信网络向工程负责人员发送信息报 警。下面主要介绍静力水准器沉降测量和 电磁式位移传感的基本原理

8、。监测装置1L被测建筑物1 图1系统结构Fig. 1 Structure of the system1.2静力水准测量在建筑物上布设有n个沉降监测点，在 建筑物以外布设有一不受沉降影响的固定 基准点，各沉降监测点和固定基准点均安置 一个用连通管相互连接的静力水准器。当其 中有一监测点发生沉降时，此点的静力水准 器液面上升，其它所有点（包括基准点）水 准器的液面下降；反之，此点液面下降，其 它所有点的液面上升。假设基准点和n个沉降监测点的静力水 准器读数（即液面高度变化量）分别为：R0、 R1、R2、Rn，（液面上升，读数为正; 液面下降，读数为负），则各沉降监测点的 沉降量分别为S=R.-R（

9、i=1,2,.,n）（1）110式（1）中，S1为正值表示该点下沉，为负 值表示该点上抬。1.3电磁式位移传感各沉降监测点的静力水准器的读数（即 液面高度变化量）是通过一电磁式位移传感 器探测到。传感器中有两组采用漆包线绕制 在环氧玻璃布和不锈钢骨架上的平行线圈， 一组为初级线圈，另一组为次级线圈，两组 线圈之间有一铁芯。当供给初级线圈一定频 率的交变电压（激励电压）时，次级线圈就 产生感应电动势，随着初级线圈与次级线圈 之间的铁芯沿平行于线圈轴线方向的来回 移动，次级线圈的感应电动势也会随之改 变，这样就将铁芯的位移量转化成了次级线 圈的电压信号输出，且电压变化值与铁芯位 移量成线性关系。由

10、于实际的铁芯是通过测 杆与被测物体（即静力水准器的液面）接触， 因此铁芯的位移量也就是水准器的液面高 度变化量。2工程实例2.1工程概况天津西站主站楼由德国人于1909年8 月设计建造，具有典型的欧式建筑风格。主 站楼为三层的砖木混合结构，其占地面积为 930m2，建筑面积为2058m2，主站楼总重量 约为5500吨。按照市政府对天津西站改扩 建的总体规划要求，需将主站楼整体向南平 移135m，再向东平移40m，最后抬升2.5m。由于主站楼已经历了一百多年，因此在 整体平移搬迁之前，首先对主站楼进行了现 状测绘、结构的安全鉴定，之后针对主站楼 结构的薄弱部位，对二楼大厅等处采用轻型 桁架加固，

11、对拱卷部分进行砖砌封堵。为了 平移搬迁，首先在新址与原址之间建造水平 滑动轨道（南北向11组，东西向8组），轨 道采用条形混凝土基础，其中跨地铁通道部 分采用筏板式基础。其次对主站楼进行托换 施工，采用夹墙梁和抬墙梁等方式将主站楼 整体托换至托盘梁系上。最后进行墙体切 割，将主站楼的荷载转换至下滑梁上。2.2监测点的布设主站楼坐北朝南，正立面的中部前凸， 呈凸字型，图2所示即为主站楼沉降监测点 的平面位置布设示意图，共计布设了 17个 监测点。图2监测点布设平面位置图Fig. 2 Layout of the monitor points2.3无固定基准的静力水准测量由于此次建筑物整体搬迁的距离

12、较远， 因此不便于在建筑物以外设置一用连通管 与建筑物监测点相连的固定基准点。与有固 定基准相比较，无固定基准的静力水准测量 有如下两个特点：（1）建筑物整体竖向均匀升降的不可 发现性。当所有监测点同时下沉或上抬相同 的值时，各点静力水准器的水位将无变化 量，即不能监测到建筑物整体的均匀下沉或 上抬。但我们同时也知道，建筑物在整体平 移搬迁过程中，对建筑物结构造成损害或危 险的是建筑物局部两点之间的相对下沉或 上抬，而整体竖向均匀升降对建筑物结构无 危害性，因此可以忽略建筑物整体竖向均匀 升降不可发现的这一缺陷。（2）各点绝对沉降量解算的非唯一性。 由于不存在可以比照的固定基准点，因此我 们首

13、先计算各点静力水准器的平均读数R=（ R+R2+.+Rn）/n，（2）如果以平均读数为基准，则各点的沉降量S.=R.-R（i=1,2,.,n）（3）同样，式（3）中，S.为正值表示该点下沉， 为负值表示该点上抬。实际上，无论各监测点的沉降情况如 何，各点静力水准器的平均读数永远为 R=0,即如果以平均读数为基准，各点的沉 降量就是各点静力水准器的读数：SR.（i=1,2,.,n）。我们进一步分析可以发现，由上述式（3）解算所得各点的沉降量并非是唯一的 一组解，例如，假设有10个监测点，只有 测点1下沉了 10mm，其它各点均未动。这 时，由于各水准器是相互连通的，则测点1 上的水准器读数应是9

14、mm （液面上升），其 它各点水准器读数应是-1mm （液面下降）。 按上述式（2）、式（3）可算得平均读数R=0, 各点的下沉量S=R=9mm,S2=S3=.=Sn=-1mm。显然，这组解与实际 情况不符。但我们从解算结果同时也可以进 一步算得，各点之间的相对下沉或上抬量与 实际情况是完全一致的：例如测点1与其它 各点之间的相对下沉量为 S1=S1-Si=9-（-1）=10mm, （i=2, 3,，10）； 除测点1以外，其它各点之间的相对下沉量 均为AS=0。由此可知，尽管各监测点沉降 量的解不是唯一的，但各点之间的两两相对 沉降量的解是唯一的，因而我们可以通过计 算各点之间的相对下沉或上

15、抬量来克服这 一因无固定基准点而造成的各点绝对沉降 量解算不唯一的缺陷。2.4监测数据分析图3图8是主站楼平移搬迁过程中的 相对沉降曲线图，其中图3图5中的三条 曲线分别是测点1与11、16与17、5与7 之间的相对沉降（南北向），图6图8中的 三条曲线分别是测点1与5、12与6、11与 7之间的相对沉降（东西向）。主站楼平移搬迁时的沉降监测工作从 2009年9月19日开始，至11月15日止， 历时58天。其间有一些重要的时间点，这 些时间点的施工进度与相应的工况详见表 1。表1施工进度及其工况Tab. 1 The schedule and the progress of constructi

16、on日期施工进度工况9月19日第1天开始向南平移9月29日第11天50%平移出原地基10月2日第14天完全离开原地基10月12日第24天前端进入筏板10月19日第31天前端离筏板，后端入筏板10月21日第33天向南平移到位10月29日第41天开始向东平移11月5日第48天50%进入新基础11月9日第52天向东平移到位参见表1,我们从图3图8中的沉降曲 线可以看出：（1）南北向的相对沉降在主站楼移出 原地基、进出跨地铁通道的筏板式基础的过 程中较大（见图3图5）：在移出原地基的 过程中，最大相对沉降量发生在测点16与 17之间（17.1mm，见图4，第9天）；在进 入跨地铁通道的筏板式基础的过程

17、中，最大 相对沉降量发生在测点 1 与 11 之间（-23.8mm，见图3，第28天）；在移出跨 地铁通道的筏板式基础的过程中，最大相对 沉降量发生在测点16与17之间（15.2mm， 见图4,第32天）。（2）东西向的相对沉降在主站楼向东 平移的过程中较大（见图6图8），最大相 对沉降量发生在测点11与7之间，其值为 -29.7mm （见图 8，第 51 天）。（3）总的来看，在向南平移的过程中， 南北向的相对沉降较大；在向东平移的过程 中，东西向的相对沉降较大。整个平移搬迁 过程中，主站楼最大相对沉降量发生在向东 平移的过程中，即上述（2）中的测点11与 7之间的-29.7mm，此值仍在规

18、范允许的范 围之内6这说明平移搬迁的整个施工过程 是安全的。0204060施工进度/天20量降沉对相图3南北向(1#-11#)相对沉降曲线Fig. 3 Curve of relative settlement in north tosouth(1#-11#)0204060施工进度/天图4南北向（16#-17#）相对沉降曲线Fig. 4 Curve of relative settlement in north tosouth(16#-17#)02040施工进度/天60图5南北向(5#-7#)相对沉降曲线Fig. 5 Curve of relative settlement in north t

19、osouth(5#-7#)-30 0204060施工进度/天图6东西向(1#-5#)相对沉降曲线-30 0204060施工进度/天Fig. 6 Curve of relative settlement in west to east(1#-5#)时间/月.日静力水准/mm几何水准/mm差值/mm9.1901.2-1.29.200.2-0.50.79.210.4-1.92.39.276.24.81.49.295.76.2-0.510.2-0.90.4-1.310.5-3.8-3.4-0.410.6-4.6-6.72.110.10-7.5-8.30.810.13-9.1-11.12.0表2静力水准

20、与几何水准所测数据比对Tab. 2 Contrast of values measured by hydrostatic leveling with by geometrical leveling另外，在监测的过程中，同时还采用国 家二等精密几何水准测量7的方法对各监 测点定期做了检核测量，表2随机抽取列出 了点对1#-11#其中十天的相对沉降检核测量 结果。从表2中可以看出，二者的最大差值 为2.3mm，这说明此监测系统的测量精度是 可靠的。图7东西向(12#-6#)相对沉降曲线Fig. 7 Curve of relative settlement in west to east(12#-6

21、#)0204060施工进度/天图8东西向(11#-7#)相对沉降曲线Fig. 8 Curve of relative settlement in westto east(11#-7#)与传统的人工几何水准测量方法相比， 本文介绍的监测方法除了同样具有高精度 和高可靠性之外，还具有实时、连续、远程 无线、无人值守等诸多优点。通过在天津西 站主站楼整体平移搬迁过程中的成功应用， 本文介绍的实时远程自动监测系统为该工 程的安全施工以及施工进度、措施的适时调 整起到了关键性的指导作用。建筑物整体平移搬迁的施工方法目前 在城市建设中越来越多地得到应用，本文介 绍的自动监测方法是确保整体平移搬迁施 工质量

22、和施工安全、实现其信息化施工的重 要手段。此方法还可进一步推广应用于城市 地铁施工、深基坑开挖等其它类似岩土工程 的施工安全或竣后结构健康监测中，从而可 以大大降低劳动强度，提高监测效率。参考文献侯建国，王腾军.变形监测理论与应用M. 北京：测绘出版社,2008.HOU Jianguo, WANG Tengjun. Theory of Monitoring Deformation and its Application M. Beijing: Surveying and Mapping Press, 2008(in Chinese).王 浩，吴振君，汤 华，等.地下厂房监测 信息管理、预测系统

23、的设计与应用J.岩土力 学,2006, 27(1): 163-167.WANG Hao, WU Zhenjun, TANG Hua, et al. Development and application of monitoring information management and prediction software system for underground powerhouseJ. Rock and Soil Mechanics, 2006, 27(1): 163-167(in Chinese).覃卫民，孙 役，陈润发，等.全站仪和滑动 测微计在水布垭地下厂房监测中的应用J.岩 土

24、力学,2008, 29(2): 557-561.QIN Weimin, SUN Yi, CHEN Runfa, et al. Application of total station instrument and sliding micrometer to monitoring Shuibuya Underground PowerhouseJ. Rock and Soil Mechanics, 2008, 29(2): 557-561(in Chinese).张成平，张顶立，骆建军，等.地铁车站下穿 既有线隧道施工中的远程监测系统J.岩土力 学，2009, 30(6): 1861-1866.ZHANG Chengping, ZHANG Dingli, LUO Jianjun, et al. Remote monitoring system applied to the construction of metro station undercrossing existing metro tunnelJ. Rock and Soil Mechanics, 2009, 30(6): 1861-18