第一節 工業與民用建築變形監測一、概述
工業與民用建築的基礎沉降是主要監測項目，相關規範都規定為必測項目。由沉降監測資料可計算基礎的絕對沉降值、不均勻沉降值和平均沉降值。由不均勻沉降值可計算建築主體結構的相對傾斜和相對彎曲（撓度）。當不均勻沉降產生的應力超過建築物的容許應力時，會使建築物產生裂縫。均勻沉降不會使建築物出現斷裂、裂縫、傾斜等現象，但絕對值過大的均勻沉降也會引起一些麻煩，例如，建築物的地下部分可能要受到地下水的影響。工業與民用建築的傾斜也是必要的監測項目，而裂縫可根據結構變形大小確定是否需要監測。
工業與民用建築的基礎沉降和建築物本身的傾斜監測，其精度應根據建築物的允許沉降值、允許傾斜度、允許相對彎矩來決定，同時也應考慮變形速度。允許變形值大多是由設計單位提供的，一般按允許變形值的1/10～1/20來確定變形監測的精度，由變形監測的精度確定測量儀器和測量方法。
工業與民用建築變形監測的周期，在結構加載施工期（比如大樓封頂前），通常根據荷載增加的時間來確定；建築結構加載全部完畢後，則采取定期觀測，周期大小可根據變形的速率確定，一般當結構穩定後就停止觀測。
二、某大樓主體沉降與垂直度監測實例
南京某公寓樓群位於秦淮河西龍江花園，共有10幢32層和34層大樓。施工過程中要求對10幢大樓進行主體結構沉降和垂直度監測。下麵介紹其中3幢大樓的監測情況。
主體結構的沉降觀測分3個階段進行：①主體施工階段（即從±0.000到結構封頂）；②封頂至竣工階段；③竣工後一年。主體施工階段，大樓每施工2層觀測1次，大樓封頂至竣工階段每個月觀測1次，竣工後一年每6個月觀測1次，每幢樓共計觀測25次。主體結構的垂直度觀測僅在主體施工階段進行，每施工4層觀測1次，每幢樓觀測8次。
（一）主體結構沉降監測
主體結構沉降監測采用水準測量的方法。其具體做法是：在大樓施工影響區域外建立3個水準基點BM0、BM1和BM2，在3座建築物旁各建1個工作基點BM3、BM4、BM5，這6個點構成一條閉合水準路線；再由工作基點分別圍繞3號、4號、5號樓構成3條獨立的閉合水準路線測定大樓的12個沉降監測點（如圖18-1所示）。
1.基淮點和沉降監測點標誌的構造和埋設
水準基點一般要求埋設在基岩上或沉降影響範圍之外穩定的建築物基礎上。該公寓樓群周邊隻有低矮民房和農田，地質為古秦淮河古道，岩層在地下60m深，難以埋設基岩水準基點。因此，水準基點在大樓施工影響區域外約200m處埋設混凝土標。在3個水準基點的中心位置設置固定測站，每次監測前先檢查水準基點的穩定性。工作基點BM3、BM4、BM5點位盡可能地靠近監測大樓。工作基點隻要保證每次觀測期間穩定即可，因此，點的標誌可采用淺埋混凝土標。
沉降監測點布設在大樓沉降特征點位置，每幢大樓布設12個（M01～M12）沉降監測點，見圖18-2所示。監測點固定在大樓結構基礎柱上，且高出室外地坪0.5m、能反映大樓整體沉降變形、便於測量的位置，采用隱蔽式沉降觀測點標誌。
2.觀測與平差
沉降觀測按《建築變形測量規程》中的一級變形觀測的技術指標，即沉降觀測點測站高差中誤差≤±0.15mm，往返較差及環線閉合差≤±0.3（n為測站數），最弱點的高程中誤差≤±1.0mm。為盡可能地減少測量誤差對沉降值的影響，觀測時采用：固定觀測人員、固定觀測儀器和標尺、固定儀器設站位置。平差以BM1為起算點，經嚴密平差直接計算出3幢大樓各自的M01～M12的高程。
（二）主體結構垂直度觀測
垂直度是指建築物外牆麵的鉛垂度。《建築工程質量檢驗評定標準》（GBJ301-88）中規定，高層建築外牆麵垂直度限差H/1000且≤30mm。在檢測建築物的垂直度中，由於整體牆麵檢測不便，通常評定大樓垂直度是通過測定大樓建築外牆麵轉折處棱角線的鉛垂度。本監測大樓平麵是個燕式形狀，棱角線較多，設計確定監測大樓10個棱角線（C01～C10，如圖18-3所示）來評定大樓的整體垂直度狀況。具體做法是在大樓基礎層±0.00平台澆注完畢後，分別測定C01～C10處棱角頂點的平麵坐標，該次測量稱為首期觀測；當大樓施工至i層h高度時，再觀測i層的C01～C10處棱角頂點的平麵坐標（實際上是在混凝土澆注前測量立模的角點，這樣若垂直度偏差大可進行修正）。測量棱角線角點的坐標可采取外控法或內控法，外控法和內控法測量的方法和要求詳見第五章第二節相應部分。
設某一棱角線基礎層時測量的棱角點平麵坐標為（x0，y0），施工到第i樓層後，在i層測量的該棱角點平麵坐標為（xi，yi），第i樓層高為hi，則該點的傾斜值和傾斜方向為：
，
第二節 基坑支護工程變形監測
一、基坑支護工程變形監測的目的和內容
基坑工程是指建（構）築物基礎工程或其他地下工程（如地鐵車站、地下車庫、地下商場和人防通道等）施工中所進行的基坑開挖、降水、支護（圍護）和土體加固等綜合性工程。一般基坑開挖深度≥5m的稱為深基坑工程。基坑支護是指基坑開挖過程中所設置的坑壁支護結構和撐錨體係。支護結構的類型主要有鋼板樁支護、地下連續牆、柱列式灌注樁排樁支護、內支撐和錨杆支護、深層攪拌水泥土樁支護等。在深基坑施工的過程中，基坑坑壁土體的應力狀態的改變引起圍護結構承受荷載，並將導致圍護結構和土體的變形。一旦圍護結構及土體的內力、變形的量值超過容許的範圍，將導致基坑失穩破壞，或對周邊環境造成不利影響。因此，在基坑施工期應進行變形監測，其目的是：（1）監測基坑的變形，確保基坑支護結構和相鄰建築物的安全；（2）檢驗設計參數和各種假設的正確性，指導基坑開挖和支護結構的施工；（3）用反分析法修正計算參數和理論公式，指導設計。
基坑監測的時段是從基坑開挖直至土體回填結束。基坑工程變形監測工作，對時間和空間的準確性要求很高，工作拖延或失誤造成的影響往往難以補救。因此，在基坑開挖前應製定詳細的監測方案，主要內容包括監測目的、監測項目、測點布置、監測方法、監測儀器及精度、監測進度和頻率、報警值、監測報表等。
基坑監測項目的選擇，應根據基坑工程的安全等級、地質條件和圍護結構的類型確定，一般包括：（1）圍護結構完整性及強度監測；（2）圍護結構水平位移和垂直位移監測；（3）圍護結構應力監測；（4）支護結構內外壓力監測；（5）支護結構內外孔隙水壓力監測；（6）表層土體沉降、水平位移以及深層土體分層沉降和水平位移監測；（7）基坑內外地下水位變化的監測；（8）基坑周邊的建築物、管線和道路等設施變形監測；（9）支撐軸力監測；（10）基坑坑底隆起的監測。
基坑工程監測項目警戒值的確定至關重要，一般情況下，每個警戒值應由兩部分控製，即允許的累計變化量和允許變化速率。預警值的確定沒有統一的定量化計算模式和確定準則，通常都是根據工程地質勘察報告給定的岩性指標、基坑設計的技術參數及區域性經驗來確定。確定的警戒值應能保證基坑工程安全和周圍環境的安全。
二、地鐵地下車站基坑工程監測實例
某地鐵地下車站建築施工的基坑工程，位於市中心高層建築密集區的城市主幹道上，基坑長約363m、寬24～36m、深約19m，設計等級為I級，采用蓋挖逆作法施工。基坑場地處於古河道與I級掩埋階地交接地帶，其下存在Ⅱ～Ⅲ級掩埋階地，地質形態複雜。水文地質為淺層孔隙潛水層，地下水位在0.8～1.8m之間。根據設計要求及施工區段的地質、支護結構的特點和所處的周邊環境條件，確定的監測項目有：（1）圍護結構頂部沉降監測；（2）圍護結構頂部水平位移監測；（3）圍護樁（牆）測斜；（4）圍護結構與中間樁差異沉降監測；（5）支撐軸力監測；（6）圍護結構裂縫及滲水監測；（7）地下水位及孔隙水壓力監測；（8）周邊地表沉降觀測；（9）鄰近建築物變形監測；（10）鄰近地下管線監測。
（一）監測方法
1.圍護結構頂部沉降監測
（1）沉降測點和基準點的布設
沉降測點布設在圍護牆頂兩根水平支撐間的跨中部位以及基坑陽角部位，測點間隔為5～15m，共布設測點約80個，測點布設見圖18-4，點名“A××”、“B××”、“C××”、“D××”、“E××”和“F××”均為沉降測點。觀測標誌采用鑽孔鑲嵌直徑為10mm的膨脹螺栓，螺栓頂麵為高程測量立尺點。
基準點設置在基坑外100m的穩定基礎上，基坑施工對其基本無影響，為複核其穩定性，在不遠處另設了兩個校核水準基點。
（2）沉降監測方法
沉降觀測采用精密幾何水準方法測量，基準點與沉降測點之間構成閉合水準路線，按國家一等水準測量技術要求作業。內業計算以基準點高程為起算值，按閉合水準路線平差獲得各測點本期高程，進而計算其沉降值。再根據監測結果做出沉降變化圖。
2.圍護結構頂部水平位移監測
（1）水平位移監測方法
水平位移測點與沉降測點的標誌相互兼用，不另外布點，膨脹螺栓的中心切割“十”字標誌，即為水平位移對中點。
根據基坑頂口的幾何形狀特點，水平位移采用測小角法和全站儀極坐標法兩種方法觀測，基坑矩形長邊直線段的測點（約60個點）采用視準線法，右側圓弧段和左側矩形短邊直線段采用全站儀極坐標法。如圖18-5所示，視準線設置了MN和JK兩條，M、N和J、K為工作基點；A、B為全站儀極坐標法測量的工作基點，位於距基坑約30m的三層樓高平台上。監測利用的全站儀的精度：測角2〞，測距±（2mm+2×l0-6×D）。設計要求地下連續牆頂水平位移允許值為2cm，當大於2cm時，應立即采取加強支撐措施。
（2）水平位移工作基點的穩定性監測
工作基點應盡可能離基坑遠一些，以減少基坑變形對其穩定性的影響，但有時施工場地狹小，很難做到工作基點離基坑遠一些。不過，工作基點離基坑近一些時便於監測，同時也能提高測量的精度，此時工作基點的穩定性必須定期檢查。為提高工作效率，應盡可能使儀器不換站，采用邊角後方交會法來監測A、B工作基點穩定性。如圖18-5，T1、T2、T3是固定的基準點，為地鐵首級控製網點，位於距基坑約150~200m的高層建築物樓頂。檢驗A點穩定性時，儀器架在A點，對T1、T2、T3三點進行方向和距離觀測。利用間接平差法求取A點的本期坐標，本期坐標與上期坐標的差值在2～3倍的測量中誤差之內，則認為A點是穩定的，其坐標值不作修正；反之則采用本期的計算坐標值。比如在實測中用2〞級全站儀方向觀測2測回、平距測量l測回（讀數4次），經間接平差精度估算得A點x、y坐標中誤差均為0.76mm，則本期坐標與上期坐標的差值大於±2mm時才對A點的坐標進行修正。工作基點B、視準線工作基點M、N和J、K也采用相似方法來監測穩定性，監測時應盡可能選擇較優的交會角。
（3）觀測點精度估算
一般基坑支護工程變形觀測要求：點位測量中誤差應≤±2mm，下麵分析上述兩種測量基坑水平位移點的精度情況。
對於測小角法觀測精度，根據公式，設最不利的點D=200m，mΔ=1.41″，則mΔP=1.37mm，再考慮工作基點0.76mm的誤差，mΔP仍小於2mm。
對於全站儀極坐標法測量位移測點，根據公式，根據現場實際情況，取D=60m，mΔ=1.41″，mD=1.50mm，則mΔP=1.55mm，再考慮工作基點1.07mm的誤差，mΔP仍小於2mm。
3.圍護樁（牆）測斜
（1）測斜管布設
根據基坑平麵和支撐布置形式，測斜管布置在基坑維護牆結構內外壁中間位置，每隔30m左右布置一根，共布置23個，圖18-4中點名“CXG××”為測斜管點位。確定測斜管具體位置是根據支護結構設計計算書，選擇在圍護樁（牆）計算變形較大的部位，以及根據周圍環境情況，在需要進行保護的建築物、構築物和地下管線處布設。測斜管選用直徑為70mm帶“十”字內導槽的高精度PVC塑料管直接安放在牆體內混凝土中，安放深度為20～25m。
（2）量測方法
觀測選用CX-01型測斜儀，每間隔L=0.5m，且0°～l80°兩次測讀，觀測誤差≤±1.0mm。測量時，把測斜儀放入測斜管中，保持一段時間，使測斜儀與管內溫度基本一致，待顯示讀數穩定後開始測量。以管頂為基準，用全站儀測出該點的絕對水平位移，用測斜儀測量出傾角i，則可推算出測斜管從管口往下數第n測量段處的水平偏移量。
然後，以深度為縱軸，以位移為橫軸，做出測斜曲線圖，如圖18-6所示。
4.周邊地表及建築物的變形監測
周邊地表沉降觀測，測點布置在基坑結構矩形長邊兩側，各布兩條平行基坑結構的監測點，每20m一個點。用水準儀監測地麵高程。按國家一等水準測量技術要求作業，高程中誤差控製在±0.3mm內。
基坑周邊為城市商貿中心，建築物密集。為監測周邊高層建築結構安全，根據沉降觀測規程和實際情況，測點布設原則為：建築物的四角、大轉角處；高低層建築物、新舊建築物、縱橫牆等的交接處兩側；建築物伸縮縫和沉降縫兩側、基礎埋深相差懸殊處、不同結構的分界處；框架結構的基礎柱上，能及時反映出沉降、傾斜、裂縫的位置，沿基坑周邊60～80m的建築共布點300個。監測方法采用精密幾何水準，按照國家一等水準測量技術要求進行。
5.圍護結構與中間樁差異沉降監測
圍護結構頂部沉降根據現場實際情況，將監測點布置在相對較危險的地段上和盡可能靠近建築物處。中間柱差異沉降觀測將測點布置在連續牆與中間樁軸線上，以便能及時反映出水平位移和沉降。沉降監測采用精密幾何水準，按照國家一等水準測量技術要求作業；水平位移監測方法采用全站儀極坐標法，測量點位中誤差控製在±2.0mm內。
6.地下水位及孔隙水壓力監測
地下水位觀測孔沿基坑長邊和短邊布設，保證短邊至少有1個孔，長邊至少有3個孔，考慮到觀測資料要能夠反映出地下水流梯度的大小，因此在基坑外南側和北側分別布置兩排孔，南側兩排孔的第一排為S3，第二排為S1、S2，北側兩排孔的第一排為S3’，第二排為S1‘、S2’，東、西兩端各設1個孔，如圖18-4所示。孔位於地麵建築物附近。采用鋼尺（點測）水位儀測量，量測方法是用儀器的探頭沿水位管下放，當碰到水時，上部的接收儀發出蜂鳴聲，通過信號線的刻度讀數，直接測得地下水位距管口的距離，管口高程用精密水準法測定。提供每次測試的地下水位高程，本次和累計變化量成果表，繪製地下水位變化曲線圖。
7.其他監測項目
圍護結構裂縫及滲水監測采用巡視法。每天巡視並對基坑內的裂縫和滲漏水情況做出詳細的記錄。
支撐軸力監測，在開挖基坑內，沿基坑縱向每兩個開挖段布設一組鋼支撐軸力計，采用1/1000（F×s）軸（反）力計測量。
（三）警戒值的確定和監測頻率
各項監測項目的警戒值為：（1）基坑連續牆測斜。矩形直段的牆體最大位移量30mm，大圓盤的連續牆牆體最大位移量35mm，變形速率不超過2mm/d。（2）基坑地下水位動態監測。基坑降水或開挖時引起坑外水位下降不超過l000mm且不超過500mm/d。（3）支撐彎矩及軸力監測。支撐實際彎矩及軸力不超過設計值的80%。（4）連續牆頂的位移。牆體最大的位移量為20mm，變形速率不超過2mm/d。（5）基坑周邊地麵變形觀測。沉降不超過3mm/d。（6）周邊建築物變形觀測，沉降不超過30mm且不超過5mm/d。（7）地下管線變位。煤氣管道沉降或水平位移均不得超過10mm且不超過2mm/d；自來水管道沉降或水平位移均不得超過30mm且不超過5mm/d。監測頻率：原則上，從基坑開挖前到車站結構頂板澆築完畢，每天監測1次，頂板澆築後至挖土回填完畢，每周觀測1～2次。
第三節 水工建築物變形監測
一、水工建築物變形監測的內容與方法
水工建築物是水利樞紐中調控水的建築設施，主要有堤壩、船閘、溢洪建築物等。隨著水利資源的深入開發，壩址的地質條件越來越複雜，大壩的規模也向高、大方向發展。大壩的安全與穩定關係重大，在安全監測係統的設計中，應根據壩型、壩體結構和地質條件等，選定觀測項目，設計觀測方案。對於土壩、土石混合壩，其失事通常是由於滲透破壞和壩坡失穩，其主要觀測項目有垂直和水平位移、裂縫、浸潤線、滲流量、土壓力、孔隙水壓力等。對於混凝土壩、圬工壩，其失事的主要原因是壩體、壩基內部應力和揚壓力超出設計限度，表現為出現裂縫、壩體位移量過大和不均勻以及滲水等，其主要觀測項目有變形、應力、溫度、滲流量、揚壓力和伸縮縫等。另外，如果工程位於地震多發區和附近有不穩定岸坡，還應進行必要的抗震、滑坡、崩岸等觀測。
（1）水平位移觀測。水平位移觀測是水利工程安全監測的重要項目，常用的觀測方法可分為兩大類：基準線法和大地測量方法。基準線法主要包括視準線法、引張線法、激光準直法和垂線法。大地測量方法一般用於水利工程的外部變形監測，主要包括：交會法、精密導線法、三角測量方法和GPS觀測法等。
（2）垂直位移觀測。垂直位移觀測也是水利工程安全監測的重要項目。常用觀測方法有幾何水準測量法、液體靜力水準法和三角高程測量法。
（3）撓度觀測。壩體的撓度觀測，一般是在壩體內設置固定的鉛垂線作為基準線，然後測量壩體不同高度處相對於鉛垂線的水平位移，從而得知壩體的豎向撓度。設置鉛垂線的方法有正錘線和倒錘線兩種。
（4）裂縫觀測。水工建築物裂縫觀測，通常可分為土工建築物裂縫觀測和混凝土建築物裂縫觀測。方法是對裂縫進行位置、長度、寬度、深度和錯距等的定期觀測。
（5）應力／應變觀測。將儀器埋設在壩體或地基內部以觀測重要點位的應變值，據以計算和掌握建築物的應力狀態，判斷其安全程度。應變觀測分三種：①混凝土應變觀測：在混凝土內埋設應變計，了解壩體內的應力分布。②土壩應變觀測：在土壩內埋設土應變計，研究壩體內的應力分布，分析產生內部裂縫或局部破壞的可能性。③基岩變形觀測：在壩基內埋設岩石應變計，以觀測壩基變形，分析壩基產生滑動的可能性。
（6）分層沉降觀測。在土壩內部用十字臂固結管、深式標點組、電磁式沉降儀或水管式沉降儀等觀測壩體內部不同高程點位上的沉降量，以便了解壩體內部土料的固結程度，評估設計施工質量，保證大壩安全運行。
（7）傾斜觀測。在土石壩或岩土邊坡的鑽孔內用傾斜儀觀測不同高程點位的傾斜度，用以計算岩土體內部的水平位移，以便分析岩土體的穩定性或產生內部裂縫的可能性。
（8）滲流觀測。滲流觀測是對水工建築物及其基礎內由滲流形成的浸潤線、滲透壓力（或滲透水頭）、滲流量和滲水水質等的觀測。以便掌握水工建築物及其地基的滲流情況，分析判斷是否正常和可能發生不利影響的程度及原因，為工程養護修理和安全運營提供依據。進行滲流觀測時應同時觀測上下遊水位、水溫及其他必要的水文氣象項目。
（9）溫度觀測。溫度觀測是指將專用的溫度傳感器埋設在混凝土建築物內部進行溫度測量。在各種因素引起的建築物總變形中溫度變形所占比重較大，為此，在施工期和運行期都需要進行溫度觀測。混凝土溫度觀測使用的儀器有電阻式溫度計、熱電阻等溫度傳感器。
（10）檢查觀測。檢查觀測是指在施工和運行期間對水利工程的表麵觀察和原型觀測。前者主要指經常性的，有時也包括臨時性的檢查，可憑直觀從外表觀察工程情況；後者是在有代表性的工程部位，埋設觀測設備，定期用儀器進行觀測，可以得到工程內外有代表性部位狀態變化的物理數據。二者互相補充。水利工程檢查觀測項目一般有：水工建築物的檢查與觀測、大壩安全檢查、庫區浸沒觀測、冰情觀測、滑坡崩岸觀測和河道觀測等。
（11）滑坡崩岸觀測。針對河穀、水庫、渠道、溢洪道等的岸坡，滑坡監測是對可能滑動的山坡、明塹和填築坡的變形觀測，通常根據具體情況選定觀測範圍、布設垂直位移和水平位移標點，定期進行觀測。在降雨或融凍季節，位移出現異常時期，要增加觀測次數。崩岸觀測的開展和規模，根據地形、地質和可能的危害程度而定。
（12）變形監測的周期。變形觀測的周期與工程的大小、測點所在位置的重要性、觀測目的以及觀測一次所需時間的長短有關。及時進行首期觀測有重要的意義，而且應特別重視首期觀測的質量。一般來說大壩首期水平位移測量是在建築物承受水壓力之前進行的，在施工期和水庫蓄水時，建築物的變形發展較快，所以觀測的時間間隔不宜過大，它與預期的變形值及水庫蓄水階段有關，期間若遇特殊情況（暴雨、洪水、地震等）應進行加測。在施工結束、水庫開始蓄水，庫水位下降、水庫放空等有代表性的階段，要進行測量。在大壩運行期間，建築物及其基礎變形已變得緩慢，因而周期可以放長，而各觀測期應盡量在每年相同的情況下進行。在時效變形基本停止以後（這一過程一般需10年以上），測量工作並不能停止，應繼續觀測以防事故的發生。