第一節 概述
一、變形測量的目的和意義
工程建築物的興建，由於受外界荷載的作用或受力狀態的改變，其將會產生一定的變形。較小的變形值對建築物的安全及使用沒有什麼影響，而當變形值較大，甚至超過允許變形值時，會極大地影響工程建築物的安全。所以，從施工開始到竣工以及建成後整個運營期間都要不斷地監測，以便掌握變形的情況，及時發現問題，保證工程建築的安全。人類開發自然資源的活動（例如抽取地下水、采油、采礦等）會破壞地殼上部的平衡，造成地麵變形。這種變形需要長期監測，以便掌握其變形規律並在必要時采取措施控製其發展，保證人類正常的生產和生活。變形測量有實用上和科學上兩方麵的意義。實用上的意義主要是監測各種工程建築物和地質構造的穩定性，及時發現問題，以便采取措施。科學上的意義包括更好地理解變形的機理、驗證有關工程設計的理論以及建立正確的預報變形的理論和方法。
通過變形觀測可以監視工程建築物的變化狀態，在發現不正常現象時，應及時分析原因，采取措施，防止事故發生，並改善運營方式，以保證安全。另外，通過在施工和運營期間對工程建築物進行變形觀測，分析研究，可以驗證工程結構的設計方法，對不同的地基與工程結構規定合理的允許沉陷與變形的數值，為工程建築物的設計、施工、管理和科學研究工作提供資料。
二、變形監測的內容
變形監測的目的是要獲得變形體（大到整個地球，小到一個工程建築物）變形的狀態和時間特性，變形監測按其研究的範圍可分為三類：全球性的、區域性的和局部性的。
（1）全球性的變形測量主要是研究地極移動、地球旋轉速度的變化以及地殼板塊的運動等方麵。
（2）區域性的變形測量用以研究地殼板塊範圍內變形狀態和板塊交界處地殼的相對運動。前者一般從定期複測國家控製網的資料獲得，後者一般要建立專用監測網。隨著衛星定位技術的發展，近年來很多國家和地區都建立了GPS連續監測網，用於研究區域性變形。
（3）局部性的變形監測主要研究工程建築物的變形、滑坡體的滑動以及采礦、采油和抽取地下水等人為因素造成的變形。這類變形監測屬於工程測量的範疇，是本篇的主要內容。
變形觀測的內容，應根據建築物的性質與地基情況來定。要求有明確的針對性，既要有重點，又要作全麵考慮，以便能正確反映出建築物的變化情況，掌握其變形規律。例如：對於工業與民用建築物的基礎而言，主要觀測內容是均勻沉陷與不均勻沉陷，對於建築物本身來說，則主要是傾斜與裂縫觀測。對於工業企業、科學試驗設施與軍事設施中的各種設備、導軌等，其主要觀測內容是水平位移和垂直位移。對於土壩，其觀測項目主要為水平位移、垂直位移、滲透（浸潤線）以及裂縫觀測。對於鋼筋混凝土重力壩，其主要觀測項目為垂直位移、水平位移以及伸縮縫的觀測，對於大型的混凝土重力壩，還要進行內部觀測，例如測量混凝土應力、鋼筋應力、溫度等，以了解其結構內部的情況。
三、變形監測的精度
確定合理的測量精度是很重要的，過高的精度要求會使測量工作過於複雜，費用和時間增加；而精度定得太低又會使所得變形值的可靠性降低，甚至會得出不正確的結論。與其他測量工作相比，變形觀測的精度要求較高。確定變形監測的精度取決於變形的大小、速率、儀器和方法所能達到的實際精度以及觀測的目的等。一般來說，如果變形觀測是為了使變形值不超過某一允許的數值，以確保建築物的安全，則其觀測的誤差應小於允許變形值的1/10～1/20；如果是為了研究變形的過程，其精度要求還要更高。表16-1列出了各等級變形測量對應的精度要求。
工業與民用建築物變形觀測的主要內容是基礎沉陷和建築物本身的傾斜，其觀測精度應根據建築物基礎的允許沉陷值、允許傾斜度、允許相對彎矩等來決定，同時也應考慮其沉陷速度。在生產實踐中，求得必要的精度指標以後，如果根據本單位的儀器設備和技術力量，能夠比較容易地達到，而且在不必花費很大的精力、不增加很多工作量的情況下，還能達到更高的精度時，則可將觀測的精度指標提高。一般從實用的目的出發，對於連續生產的大型車間（鋼結構、鋼筋混凝土結構的建築物）通常要求觀測工作能反映出1mm的沉陷量；對於一般的廠房，沒有很大的傳動設備、連續性不大的車間，要求能反映出2mm的沉陷量。
對於水工建築物，根據其結構、規模、形狀等不同，觀測內容和精度也有差異。即使對於同一建築物（如拱壩）的不同部位，其觀測精度也不相同，變形大的部位（如拱冠）的觀測精度可稍低於變形小的部位（如拱座）。對於混凝土大壩，測定變形值的精度一般為lmm；對於土工建物，測定其變形值的精度一般不低於2mm。
四、變形觀測的周期
重複觀測是變形觀測的一個特點，通過重複觀測，可以獲得同一點不同時間的坐標值或高程值，而這些坐標值或高程值的變化量就是該點的水平位移或垂直位移。重複觀測的周期取決於變形的大小、速度以及觀測的目的等因素。一般來說，在工程建築物建成初期，變形的速度比較快，因此觀測頻率也要大一些。經過一段時間後，建築物趨於穩定，可以減少觀測次數，但要堅持定期觀測。及時的進行首期觀測具有重要意義，因為延誤初始測量就可能失去已經發生的變形。以後各周期的測量成果都是與第一期相比較的，因此還應特別重視第一次觀測的質量。
下麵以基礎的沉陷觀測過程為例，說明確定觀測頻率的方法。建築物施工過程中，在不斷增加的荷載的影響下，基礎下土層的壓縮是逐漸實現的，因此基礎的沉陷亦是逐漸增加的。一般認為建築在砂類土層上的建築物，其沉陷在施工期已大部分完成，而建築在黏土類土層上的基礎，其沉陷在施工時期隻完成了一部分。圖16-1為不同類土層的沉降過程線，由圖中可看出，對於砂類土層上基礎的沉陷過程可以分為4個階段：第一階段是在施工期間，隨著基礎上壓力的增加，沉陷速度很大，年沉陷量達20～70mm；到第二階段，沉降速度就顯著地變慢，年沉陷量大約為20mm；第三階段為平穩下沉階段，其速度大約為每年1～2mm；第四階段沉陷曲線幾乎是水平的，也就是說到了沉陷停止的階段。根據這種情況，在觀測精度要求相同時，沉陷觀測的頻率是變化的。在施工過程中，頻率應大些，一般有三天、七天、半月3種周期，竣工投產以後，頻率可小一些，一般有一個月、兩個月、三個月、半年及一年等不同的周期。在施工期間也可以按荷載增加的過程進行觀測，即從埋設的觀測點穩定後進行第一次觀測，當荷載增加到25%時觀測1次：以後每增加15%觀測1次。竣工後，一般第一年觀測4次，第二年2次，以後每年1次。在掌握了一定規律或變形穩定之後，可減少觀測次數。這種根據日曆計劃（或荷載增加量）進行的變形觀測稱為正常情況下的係統觀測。此外，通常在出現特殊情況的前後還要進行緊急觀測（臨時觀測），例如，出現地震、強台風等情況。
近年來，某些工程在某些特殊情況下或針對特殊的要求，對變形觀測的時效性要求越來越強。為了保證施工安全，變形監測常常要求隨著施工同步進行連續觀測，且對監測成果處理要快、要及時，發現異常要及時上報，隻有這樣才能把隱患消滅在萌芽狀態。
五、變形觀測的常用方法
變形觀測方法一般可分為四類：（1）地麵測量方法，包括幾何水準測量、三角高程測量、方向和角度測量、距離測量等；（2）空間測量技術，例如空間衛星定位、合成孔徑雷達幹涉；（3）攝影測量和地麵激光掃描；（4）專門測量手段，主要是指各種準直測量、傾斜儀監測、應變計測量等。各種測量方法都有其優點和局限性，設計監測方案時，應綜合考慮各種方法的特點，取長補短，互相校核。
（一）常規的大地測量方法
常規大地測量方法是指通過測角、量邊、水準等技術來測定變形的方法，它具有以下優點：（1）能夠提供變形體整體的變形狀態。（2）觀測量通過組成網的形式可以進行測量結果的校核和精度的評定。（3）靈活性大，能夠適應於不同的精度要求、不同形式的變形體和不同的外界條件。常規大地測量方法適用於各種不同的變形體和不同的監測環境，但野外工作量相對較大。常規大地測量方法包括以下一些典型的測量技術。
1.精密高程測量
高程測量一般通過幾何水準測量或者電磁波測距三角高程測量的方法獲得。在變形監測中，多采用重複精密水準或者精密三角高程精確測定監測點之間的高差及其變化。
2.精密距離測量
重複精密測距可測定點在某個方向上的相對位移。早期的精密測距工具是因瓦基線尺，目前其仍然是有效的精密測距工具，但它不適應距離遠、地表起伏不平或跨越深溝的區域。當前，各種型號的精密光電測距儀或全站儀廣泛應用於變形監測，使得變形測量中的精密距離測量變得非常便利，電磁波測距精度已由毫米提高到亞毫米，長距離測距需要解決大氣折光問題。20世紀90年代以後，GPS技術的廣泛應用，長距離測距基本被GPS所取代。
3.角度測量
角度測量又分為水平角測量和高度角測量，主要工具是經緯儀，包括光學經緯儀、電子經緯儀、全站儀等，全站儀已成為地麵測量的主要工具。由伺服馬達帶動的全站儀可以實現自動測角、測距，也稱測量機器人，是當前精密測角儀器的代表。
（二）專門測量手段和技術
專門測量手段容易實現連續、自動監測以及遙測遙控，而且相對精度較高，但它們提供的是局部的變形信息。
1.液體靜力水準測量
它是利用連通管原理測量各點處容器內液麵的位置以測定垂直位移的觀測方法，可以測出兩點或多點間的高差。適用於混凝土壩基礎、廊道和土石壩表麵垂直位移觀測。一般將其中一個觀測頭安置在基準點，其他各觀測頭放置在目標點上，通過他們之間的差值就可以得出監測點相對基準點的高差。該方法無須點與點之間通視，容易克服障礙物之間的阻擋，另外還可以將液麵的高程變化轉換成電感輸出，有利於實現監測自動化。
2.準直測量
準直測量就是測量測點偏離基準線的垂直距離，它以觀測某一方向上點位相對於基準線的變化為目的，包括水平準直和鉛直兩種。水平準直法為偏離水平基線的微距離測量，該水平基準線一般平行於被監測的物體。基準線一般可用光學法、光電法和機械法產生。鉛直法為偏離垂直基準線的微距離測量，將過基準點的鉛垂線作為垂直基準線，該基準線同樣可以用光學法、光電法或機械法產生。
3.傾斜測量
傾斜測量有相對於水平麵和相對於垂直麵兩類。前者主要是監測地麵傾斜和建築物基礎傾斜，而後者主要是監測高層建築物傾斜。相對於水平麵傾斜可以通過測定兩點間相對沉陷的方法來確定，也可以用傾斜儀測定。常用的傾斜儀有水準管式傾斜儀、氣泡式傾斜儀和電子傾斜儀。相對於垂直麵傾斜測量的關鍵是測定建築物頂部中心相對於底部中心或者上層中心相對於下層中心的水平位移矢量。建築物傾斜觀測大都是測出建築物頂部中心相對於底部中心的水平偏差來推算傾斜角，常用傾斜度（上下標誌中心點間的水平距離與上下標誌點高差的比值）來表示。
根據建築物高低和精度要求不同，傾斜觀測可采用懸掛錘球法和激光鉛垂儀法等多種觀測方法。懸吊錘球測定偏差的方法比較簡單，但是要求在建築物頂端能夠懸掛錘球線。激光鉛垂儀法是在頂部適當位置安置接收靶，在其垂線下的地麵或地板上安置激光鉛垂儀，在接收靶上直接讀取或量出頂部的水平位移量和位移方向。
（三）空間測量技術
1.GPS測量
GPS測量相比於傳統的測繪作業方法有著顯著的優越性：它不受天氣的幹擾，定位精度高，點位間無須通視，容易實施長距離的精確三維定位，可以進行實時測量，具備良好的自動化和集成性能。GPS用於變形觀測有兩種基本模式，一種是按一定頻率重複測量監測網，得出各監測點的位移；另一種是GPS接收機固定安置在測點上，實現連續觀測。GPS測量也有不足的方麵，主要是測點所處的天空應具備良好的開闊度，以確保接收到4顆以上、圖形強度較好的衛星信號。對於城市高樓密集區的“城市峽穀”、位於深山峽穀中的水庫大壩、地下工程等，GPS定位方法往往不能滿足要求。此外，應用GPS技術進行精密測量，在水平方向的定位精度可達到毫米級，但在垂直方向精度較差，有時難以滿足要求。
2.合成孔徑雷達幹涉測量（InSAR）技術
20世紀90年代以來是合成孔徑雷達（SAR）係統的高速發展階段，SAR衛星也日漸增多。InSAR是近年來迅速發展起來的一種微波遙感技術，其基本原理是通過雷達衛星在相鄰重複軌道上對同一地區進行兩次成像，利用其所記錄的相對相位進行幹涉處理，可獲取地表的三維信息和高程變化信息的一項技術。它是目前空間遙感技術中獲取高程信息精度最高的一項技術。由於它可以獲得全球高精度、高可靠性（全天時、全天候）地表變化信息，因而能夠有效地監測由自然和人為因素引起的地表形變。
運用InSAR及其差分技術進行地麵位移觀測，是近年來發展起來並得到日益重視的新方法。對不同地區地麵形變的最新研究結果表明，合成孔徑雷達幹涉及其差分技術在地震形變、冰川運移、活動構造、地麵沉降及滑坡等研究與監測中有廣闊的應用前景。與其他方法相比，用InSAR進行地麵形變監測的主要優點在於：①覆蓋範圍大，方便迅速；②成本低，不需要建立監測網；③空間分辨率高，可以獲得某一地區連續的地表形變信息；④可以監測或識別出潛在或未知的地麵形變信息；⑤全天候，不受雲層及晝夜影響。但是，用InSAR做地麵變形監測，地麵植被覆蓋對精度影響大。
第二節 垂直位移監測網（點）的布設
地麵和建（構）築物的變形包括垂直位移和水平位移兩種。垂直位移主要表現為地表麵或建（構）築物的沉降或上升，水平位移指地表麵或建（構）築物在水平方向上的移動。許多建（構）築物的變形，都是垂直位移和水平位移同時發生。
建（構）築物垂直位移觀測是測定基礎和建（構）築物本身在垂直方向上的位移，其觀測工作應該在基礎施工時開始，並且貫穿於整個施工過程中，而且延續到建成後若幹年，直至沉降現象基本停止為止。地麵垂直位移觀測也是應在地麵變形之前進行首次觀測，然後在變形過程中定期進行觀測，直至地麵變形基本停止為止。
一、垂直位移監測網（點）布設
垂直位移測量通常采用水準測量的方法，多次重複測定埋設在移動區域變形體上的觀測點（監測點）相對於基準點的高差隨時間的變化量。在擬訂垂直位移測量觀測點的布置方案時，通常由設計部門提出要求，由施工方提出布設方案。觀測點應有足夠的數量、有代表性，以便測出整個基礎的沉陷、傾斜與彎曲，且能繪製出沉陷值曲線圖。同時，還應根據建（構）築物的形狀大小、使用性質、結構特征，以及建（構）築物場地的地質條件等情況，選擇觀測點的布設方式和觀測點標誌。觀測點應牢固地與建（構）築物結合在一起，便於觀測，且盡量保證在整個沉陷觀測期間不受損害。
對於工業與民用建築物，觀測點的布設需要滿足以下要求：（1）點位標誌穩定可靠，便於長期保存，不影響施工和建築物的使用、美觀。（2）點位通常布設在變形明顯而且有代表性的部位。對於方形建築物應在4個角點、中點、轉角處布置觀測點，沿建築物的周邊每隔10～20m布置一個觀測點；設置有伸縮縫的建築物，或者在新建與原有建築物的連接處，在其兩側或伸縮縫的任意一側布置觀測點；對於寬度大於15m的建築物，在其內部有承重牆或支柱時，應在該部位盡可能布置觀測點；為了查明建築物基礎的縱向和橫向的彎曲，在其縱橫軸線上也應埋設觀測點。對於高大圓形或橢圓形的建築物，觀測點一般布設在其周圍或軸線上。（3）對於一般的工業建築物來說，除了在立柱的基礎上布設觀測點之外，其主要設備基礎的四周以及動荷載四周、地質條件不良處也應布置觀測點。
垂直位移測量與一般水準測量相比，具有觀測工作局限在某個固定的範圍內，觀測路線相對固定，觀測工作重複進行，觀測精度要求高，視距短，有時一次安置儀器可以觀測多個前視點等特點。垂直位移監測的水準路線應組成附合水準路線、閉合水準路線或者水準網進行觀測，以便對觀測成果有可靠的檢核和平差計算。必要時每次觀測需加標尺的長度改正，對鋼管標誌點還要加鋼管的溫度改正。最後進行水準監測網的平差計算，並計算出各觀測點的最或是高程值，由同一觀測點在不同時間測定的高程最或是值計算出該點在這一時間段內的垂直位移值。為了減少測量係統誤差的影響，一般考慮采取以下措施：（1）監測觀測點的垂直位移時，設置固定的安置儀器點和立尺點，保證往、返測量和複測是同一水準路線。（2）監測工作中使用固定儀器和水準標尺，有條件時最好固定人員進行觀測。
二、水準基點標誌的結構和埋設
為了測定地麵和建（構）築物的垂直位移，需要在遠離變形區的穩固地點設置水準基點，在變形區範圍內（或變形體上）設置觀測點，以水準基點為依據測定觀測點的垂直位移。為了檢查水準基點本身是否穩定不動，可將其成組埋設，常每組設3個點，形成一個邊長約100m的等邊三角形。在三角形的中心與三點等距的地方設置固定測站，在此測站上可以經常觀測三點間的高差，由此便可判斷出水準基點的高程有無變動。
水準基點是沉陷觀測的基準點，因此它的構造與埋設必須保證穩定不變和長久保存。標誌的結構和埋設形式應根據建（構）築物場地的地質情況、建（構）築物使用的重要性和使用年限等條件選擇。例如大型水利樞紐的大壩，水準基點應埋設在河流兩岸的下遊方向，而且在沉陷範圍之外；工業建設場地大多位於平坦地區，由於覆蓋土層較厚，往往采用深埋標誌作為基點。為了保證水準基點本身的穩固可靠，應盡量使標誌的底部埋到岩石上。因為埋設在土層中的標誌，受土壤膨脹和收縮的影響不易穩定。當基岩較深時，可采用鑽孔穿過土層和風化岩層達到基岩埋設鋼管標誌，這種鋼管式基岩標如圖16-2所示。在常年溫度變化幅度很大的地方，當岩石上部土層較深時，為了避免由於溫度變化大對標誌高程的影響，可采用深埋雙金屬標。如圖16-3所示，此種標誌係由膨脹係數不同的兩根金屬管（例如鋼管和鋁管）組成，在兩根管的頂部裝有讀數設備，利用它可以得出由於溫度變化所引起兩管長度變化的差數Δ，由Δ值便可計算出金屬管本身長度的變化。其原理如下：設以鋼、鋁製成的兩根金屬管，原長均為L0，受熱後各自伸長：
式中，t為標誌各層高程處溫度改變的平均值，其數值不知，而兩金屬管之長度差值Δ數值已知，因此得：，
移項得：，
已知鋼的線膨脹係數為0.000012/℃，鋁的線膨脹係數為0.000024/℃。
在礦山和城市建築物區，進行地麵和建築物基礎沉陷觀測時，水準基點標誌可以設置成簡單的形式，如圖16-4所示，這種標誌結構簡單，埋設方便，實用性好。有時還可將標誌埋設在穩固的永久建築物上，設立牆腳水準點標誌。
當監測目標附近不易找到埋設穩定水準基點的位置時，為了保證水準基點的穩定，一般在較遠的穩定位置設置水準基點。這時，由於水準路線長度加大了，測量誤差的積累也隨之加大，所測得的變形值的可靠程度就小。為了解決這一矛盾，可以考慮在變形體附近較穩定地區設置工作基點，在遠離變形體的穩定地區設置基準點，利用工作基點對沉降觀測點進行監測，而工作基點本身的穩定性則定期地由水準基點來檢查與測定。工作基點應選擇相對較為穩定的位置，並盡可能靠近監測對象，工作基點的標誌可以采用淺埋混凝土標等形式。工作基點與水準基點之間可采用閉合水準路線或複測水準路線的形式進行聯測。