1、建筑物沉降的實時遠程自動監測系統熊春寶1，孫明1，王儒杰2（1.天津大學建筑工程學院，天津300072; 2.天津市建設工程質量監督管理總站，天津300191）摘要：介紹了一種用于監測建筑物沉降的實時遠程自動監測系統。將液體靜力水準測量、電磁式位移傳 感、計算機、GPRS無線通信等技術集成于一體，該系統具有如下功能：監測數據的實時連續采集與管理、 建筑物沉降的自動計算與分析、信息的遠程無線發布與預警。該系統已成功應用于天津西站主站樓整體平 移搬遷的施工過程中，對于此工程的施工進度以及施工措施的適時調整起到了關鍵性的指導作用。關鍵詞：建筑物沉降；實時；遠程；自動監測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 作者簡介：熊春寶(1964 -)，男，博士，教授， HYPERLINK mailto:luhai_ luhai_.建筑物在施工過程中因自身荷載重量 的不斷增加會產生沉降，深基坑的開挖也常 導致基坑周邊原有建筑物的沉降。因此，為 了確保施工質量和施工安全，建筑物的沉降 監測至關重要。建筑物沉降傳統的監測方法 是采用

6、精密幾何水準測量1，此方法雖然技 術可靠、精度高，但它是一種非實時連續的、 勞動強度很大的人工觀測方法。近年來，借 助于計算機和無線通信等技術，建筑工程各 種變形的自動監測系統開始得到研制刖項5。本文介紹了一種建筑物沉降實時遠 程自動監測系統，此系統已經成功應用于天 津西站主站樓的整體平移搬遷的施工過程 中。1系統工作原理1.1系統的組成如圖1所示，本監測系統主要由靜力水 準器、電磁式位移傳感器、巡檢儀、計算機、 GPRS模塊等部分組成。系統的工作原理為： 在建筑物的各沉降監測點處安置靜力水準 器，各水準器相互之間采用連通管相連，各 水準器及連通管內裝有含防凍液的純凈水。 因地球重力作用，使得

7、各水準器的液面高度 永遠保持相同。當建筑物的某監測點處產生 下沉或上升，則此處水準器的液面高度會產 生變化（液面上升或下降），同時其它各監 測點處水準器的液面也會受此影響隨之變 化（液面下降或上升）。各水準器的上部都 安裝有一個電磁式位移傳感器，液面高度的 變化值可由傳感器精確地探測到，并通過一 臺與各傳感器相連的巡檢儀傳輸給計算機 監控中心。計算機根據各監測點水準器液面 高度的變化值，隨時計算和分析各監測點之 間的相對沉降量。當相對沉降量超過一定的 預警值時，計算機通過GPRS模塊采用GSM 無線通信網絡向工程負責人員發送信息報 警。下面主要介紹靜力水準器沉降測量和 電磁式位移傳感的基本原理

8、。監測裝置1L被測建筑物1 圖1系統結構Fig. 1 Structure of the system1.2靜力水準測量在建筑物上布設有n個沉降監測點，在 建筑物以外布設有一不受沉降影響的固定 基準點，各沉降監測點和固定基準點均安置 一個用連通管相互連接的靜力水準器。當其 中有一監測點發生沉降時，此點的靜力水準 器液面上升，其它所有點（包括基準點）水 準器的液面下降；反之，此點液面下降，其 它所有點的液面上升。假設基準點和n個沉降監測點的靜力水 準器讀數（即液面高度變化量）分別為：R0、 R1、R2、Rn，（液面上升，讀數為正; 液面下降，讀數為負），則各沉降監測點的 沉降量分別為S=R.-R（

9、i=1,2,.,n）（1）110式（1）中，S1為正值表示該點下沉，為負 值表示該點上抬。1.3電磁式位移傳感各沉降監測點的靜力水準器的讀數（即 液面高度變化量）是通過一電磁式位移傳感 器探測到。傳感器中有兩組采用漆包線繞制 在環氧玻璃布和不銹鋼骨架上的平行線圈， 一組為初級線圈，另一組為次級線圈，兩組 線圈之間有一鐵芯。當供給初級線圈一定頻 率的交變電壓（激勵電壓）時，次級線圈就 產生感應電動勢，隨著初級線圈與次級線圈 之間的鐵芯沿平行于線圈軸線方向的來回 移動，次級線圈的感應電動勢也會隨之改 變，這樣就將鐵芯的位移量轉化成了次級線 圈的電壓信號輸出，且電壓變化值與鐵芯位 移量成線性關系。由

10、于實際的鐵芯是通過測 桿與被測物體（即靜力水準器的液面）接觸， 因此鐵芯的位移量也就是水準器的液面高 度變化量。2工程實例2.1工程概況天津西站主站樓由德國人于1909年8 月設計建造，具有典型的歐式建筑風格。主 站樓為三層的磚木混合結構，其占地面積為 930m2，建筑面積為2058m2，主站樓總重量 約為5500噸。按照市政府對天津西站改擴 建的總體規劃要求，需將主站樓整體向南平 移135m，再向東平移40m，最后抬升2.5m。由于主站樓已經歷了一百多年，因此在 整體平移搬遷之前，首先對主站樓進行了現 狀測繪、結構的安全鑒定，之后針對主站樓 結構的薄弱部位，對二樓大廳等處采用輕型 桁架加固，

11、對拱卷部分進行磚砌封堵。為了 平移搬遷，首先在新址與原址之間建造水平 滑動軌道（南北向11組，東西向8組），軌 道采用條形混凝土基礎，其中跨地鐵通道部 分采用筏板式基礎。其次對主站樓進行托換 施工，采用夾墻梁和抬墻梁等方式將主站樓 整體托換至托盤梁系上。最后進行墻體切 割，將主站樓的荷載轉換至下滑梁上。2.2監測點的布設主站樓坐北朝南，正立面的中部前凸， 呈凸字型，圖2所示即為主站樓沉降監測點 的平面位置布設示意圖，共計布設了 17個 監測點。圖2監測點布設平面位置圖Fig. 2 Layout of the monitor points2.3無固定基準的靜力水準測量由于此次建筑物整體搬遷的距離

12、較遠， 因此不便于在建筑物以外設置一用連通管 與建筑物監測點相連的固定基準點。與有固 定基準相比較，無固定基準的靜力水準測量 有如下兩個特點：（1）建筑物整體豎向均勻升降的不可 發現性。當所有監測點同時下沉或上抬相同 的值時，各點靜力水準器的水位將無變化 量，即不能監測到建筑物整體的均勻下沉或 上抬。但我們同時也知道，建筑物在整體平 移搬遷過程中，對建筑物結構造成損害或危 險的是建筑物局部兩點之間的相對下沉或 上抬，而整體豎向均勻升降對建筑物結構無 危害性，因此可以忽略建筑物整體豎向均勻 升降不可發現的這一缺陷。（2）各點絕對沉降量解算的非唯一性。 由于不存在可以比照的固定基準點，因此我 們首

13、先計算各點靜力水準器的平均讀數R=（ R+R2+.+Rn）/n，（2）如果以平均讀數為基準，則各點的沉降量S.=R.-R（i=1,2,.,n）（3）同樣，式（3）中，S.為正值表示該點下沉， 為負值表示該點上抬。實際上，無論各監測點的沉降情況如 何，各點靜力水準器的平均讀數永遠為 R=0,即如果以平均讀數為基準，各點的沉 降量就是各點靜力水準器的讀數：SR.（i=1,2,.,n）。我們進一步分析可以發現，由上述式（3）解算所得各點的沉降量并非是唯一的 一組解，例如，假設有10個監測點，只有 測點1下沉了 10mm，其它各點均未動。這 時，由于各水準器是相互連通的，則測點1 上的水準器讀數應是9

14、mm （液面上升），其 它各點水準器讀數應是-1mm （液面下降）。 按上述式（2）、式（3）可算得平均讀數R=0, 各點的下沉量S=R=9mm,S2=S3=.=Sn=-1mm。顯然，這組解與實際 情況不符。但我們從解算結果同時也可以進 一步算得，各點之間的相對下沉或上抬量與 實際情況是完全一致的：例如測點1與其它 各點之間的相對下沉量為 S1=S1-Si=9-（-1）=10mm, （i=2, 3,，10）； 除測點1以外，其它各點之間的相對下沉量 均為AS=0。由此可知，盡管各監測點沉降 量的解不是唯一的，但各點之間的兩兩相對 沉降量的解是唯一的，因而我們可以通過計 算各點之間的相對下沉或上

15、抬量來克服這 一因無固定基準點而造成的各點絕對沉降 量解算不唯一的缺陷。2.4監測數據分析圖3圖8是主站樓平移搬遷過程中的 相對沉降曲線圖，其中圖3圖5中的三條 曲線分別是測點1與11、16與17、5與7 之間的相對沉降（南北向），圖6圖8中的 三條曲線分別是測點1與5、12與6、11與 7之間的相對沉降（東西向）。主站樓平移搬遷時的沉降監測工作從 2009年9月19日開始，至11月15日止， 歷時58天。其間有一些重要的時間點，這 些時間點的施工進度與相應的工況詳見表 1。表1施工進度及其工況Tab. 1 The schedule and the progress of constructi

16、on日期施工進度工況9月19日第1天開始向南平移9月29日第11天50%平移出原地基10月2日第14天完全離開原地基10月12日第24天前端進入筏板10月19日第31天前端離筏板，后端入筏板10月21日第33天向南平移到位10月29日第41天開始向東平移11月5日第48天50%進入新基礎11月9日第52天向東平移到位參見表1,我們從圖3圖8中的沉降曲 線可以看出：（1）南北向的相對沉降在主站樓移出 原地基、進出跨地鐵通道的筏板式基礎的過 程中較大（見圖3圖5）：在移出原地基的 過程中，最大相對沉降量發生在測點16與 17之間（17.1mm，見圖4，第9天）；在進 入跨地鐵通道的筏板式基礎的過程

17、中，最大 相對沉降量發生在測點 1 與 11 之間（-23.8mm，見圖3，第28天）；在移出跨 地鐵通道的筏板式基礎的過程中，最大相對 沉降量發生在測點16與17之間（15.2mm， 見圖4,第32天）。（2）東西向的相對沉降在主站樓向東 平移的過程中較大（見圖6圖8），最大相 對沉降量發生在測點11與7之間，其值為 -29.7mm （見圖 8，第 51 天）。（3）總的來看，在向南平移的過程中， 南北向的相對沉降較大；在向東平移的過程 中，東西向的相對沉降較大。整個平移搬遷 過程中，主站樓最大相對沉降量發生在向東 平移的過程中，即上述（2）中的測點11與 7之間的-29.7mm，此值仍在規

18、范允許的范 圍之內6這說明平移搬遷的整個施工過程 是安全的。0204060施工進度/天20量降沉對相圖3南北向(1#-11#)相對沉降曲線Fig. 3 Curve of relative settlement in north tosouth(1#-11#)0204060施工進度/天圖4南北向（16#-17#）相對沉降曲線Fig. 4 Curve of relative settlement in north tosouth(16#-17#)02040施工進度/天60圖5南北向(5#-7#)相對沉降曲線Fig. 5 Curve of relative settlement in north t

19、osouth(5#-7#)-30 0204060施工進度/天圖6東西向(1#-5#)相對沉降曲線-30 0204060施工進度/天Fig. 6 Curve of relative settlement in west to east(1#-5#)時間/月.日靜力水準/mm幾何水準/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靜力水準

20、與幾何水準所測數據比對Tab. 2 Contrast of values measured by hydrostatic leveling with by geometrical leveling另外，在監測的過程中，同時還采用國 家二等精密幾何水準測量7的方法對各監 測點定期做了檢核測量，表2隨機抽取列出 了點對1#-11#其中十天的相對沉降檢核測量 結果。從表2中可以看出，二者的最大差值 為2.3mm，這說明此監測系統的測量精度是 可靠的。圖7東西向(12#-6#)相對沉降曲線Fig. 7 Curve of relative settlement in west to east(12#-6

21、#)0204060施工進度/天圖8東西向(11#-7#)相對沉降曲線Fig. 8 Curve of relative settlement in westto east(11#-7#)與傳統的人工幾何水準測量方法相比， 本文介紹的監測方法除了同樣具有高精度 和高可靠性之外，還具有實時、連續、遠程 無線、無人值守等諸多優點。通過在天津西 站主站樓整體平移搬遷過程中的成功應用， 本文介紹的實時遠程自動監測系統為該工 程的安全施工以及施工進度、措施的適時調 整起到了關鍵性的指導作用。建筑物整體平移搬遷的施工方法目前 在城市建設中越來越多地得到應用，本文介 紹的自動監測方法是確保整體平移搬遷施 工質量

22、和施工安全、實現其信息化施工的重 要手段。此方法還可進一步推廣應用于城市 地鐵施工、深基坑開挖等其它類似巖土工程 的施工安全或竣后結構健康監測中，從而可 以大大降低勞動強度，提高監測效率。參考文獻侯建國，王騰軍.變形監測理論與應用M. 北京：測繪出版社,2008.HOU Jianguo, WANG Tengjun. Theory of Monitoring Deformation and its Application M. Beijing: Surveying and Mapping Press, 2008(in Chinese).王 浩，吳振君，湯 華，等.地下廠房監測 信息管理、預測系統

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24、力學,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).張成平，張頂立，駱建軍，等.地鐵車站下穿 既有線隧道施工中的遠程監測系統J.巖土力 學，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