新型變形監測裝置的研制

胡建平，鈕建定，虞祖培

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 201612）

新型變形監測裝置的研制

胡建平，鈕建定，虞祖培

（中交第三航務工程勘察設計院有限公司，上海 201612）

建筑物施工過程中需要通過變形監測獲取觀測數據，由于施工或運營的緣故，往往沒有條件澆筑強制歸心觀測墩，而用傳統測量來架設測量覘標，則人為及外界環境等因素容易使監測數據產生較大誤差。介紹一種新型變形監測裝置，提高了變形監測的精度，可對建筑物進行安全評估，解決了這一長期困擾工程監測領域的難題。

覘標；變形監測；隱蔽式；升降式

0 引言

建筑物變形監測是為了觀測工程結構物及設施等點位移動狀態而進行多次、重復的測量工作，其關鍵在于獲取變形敏感部位在各觀測周期的變化信息。建筑物的變形監測主要分為以下三類[1-2]：

1）工業與民用建筑物：主要包括基礎沉降與建筑物的變形監測。基礎監測涉及基礎均勻沉降與不均勻沉降；建筑物變形監測主要包括傾斜、裂縫等。

2）地下工程：主要包括隧道、深基坑等。其中隧道除了本身變形進行監測外，還要對開挖引起的地面沉降、地面建筑變形進行監測；深基坑施工監測還應包括周邊環境、基坑圍護狀態等監測。

3） 水工建筑：主要為橋梁、碼頭、大壩等，重點是監測位移、伸縮縫隙的變化狀況等。

1 目前監測狀況

縱觀國內外近10 a監測技術的發展，建筑物變形監測采用點、線、面立體交叉的測量機器人、攝影測量、GPS 測量、三維激光掃描等技術得到了飛速進步，但也受到了監測成本及精度所限制，以致傳統的測量仍然是高精度變形監測信息獲取的主要手段[3-4]。傳統的工作方式[5]：

1） 在監測點，將測量覘標放在三腳架上，通過測量人員的整平、對中等操作，使覘標的中心與監測點十字線保持在同一鉛垂線上。

2） 在基準點上，經整平、對中后，儀器直接對監測點進行周期性沉降、位移監測。

由于在整平、對中等人工操作過程中，測量人員的視差、操作技能、三角架的不穩定性等因素均會產生各類誤差，從而影響到變形監測的精度。一般而言，位移觀測基準點設在后方安全區內，有條件設立強制歸心的觀測墩，而監測點往往需設在建筑物的邊緣，如碼頭角、碼頭分段處、大壩邊上等，由于施工或運營的緣故，在這些地方經常無法設置強制歸心的觀測墩。變形觀測的位移量是以毫米計的，覘標的整平、對中誤差等環節均存在影響變形監測精度的因素，這個問題始終困擾著測量技術人員，由此引發研發一種既不影響碼頭施工或運營，又能提高監測精度，且降低監測成本的裝置。

2 隱蔽式覘標裝置設計

獨創一種隱蔽式覘標設計及制造技術，用于各類建筑物、碼頭、橋梁、公路等工程沉降、傾斜、變形等監測，產品設計精度達到國際《建筑變形測量規范》一級或以上基準要求。

2.1 設計方案及實施

1） 設計一個測量覘標芯，預先埋設在監測點，旋上覘標帽，成為隱式，達到測量規范“固定永久式覘標”的效果；

2） 選用奧氏體不銹鋼制造強制歸心測量覘標，基體以立方晶體結構的奧氏體組織為主，無磁性，標桿要求同心；

3） 根據國家 JGJ 8—2007《 建筑變形測量規范 》第四章 4.3.2-4.3.5 對中誤差精度標準，變形控制基準點一級（或特級 ）誤差≤±0.1mm，標桿的加工精度必須滿足此要求。

設計的隱蔽式覘標有三部分組成（如圖1所示），標芯（永久埋設在地表中）；標芯帽；標桿（長度規格為 30 cm、50 cm、80 cm 等系列）。

圖1 各部件示意圖Fig.1 All the partsdiagram

覘標部件全部采用不銹鋼 316 牌號制作，它由標芯、標芯帽、標桿及觀測覘標（購置測量儀器時的配套產品）所組成。

標芯的外型尺寸凸肩厚度為 2.5mm，外徑 φ為25mm，中間 φ 為 18mm，長度為 22.5mm。下端外徑 φ 為 18mm，長度是 30mm，倒角 2mm，內螺紋為 M12，有效深度 18mm，總深度 20mm。

標芯帽采用內六角螺釘替代，材質是不銹鋼316 牌號。標桿上端為快速接頭，外徑 φ 為 12 mm，中間標桿（如圖 1 標桿 101 所示）外徑 φ 為22mm，下端采用 M12 內螺紋接口。快速接頭凹槽中心是以標桿上端為基準點向上 30mm，凹槽內徑 φ 為 9.6mm，快速接頭上端為 2mm 的倒角，快速接頭長度為 40mm，。

標桿外徑 φ 為 22mm，長度可視實際需要而定，一般在 300~800mm 之間，倒角為 2mm。螺紋接口為 M12，長度是 16mm。快速接頭同螺紋接口保持同心，同心度控制在≤±0.1 mm 之內。表面粗糙度允許誤差為 3.2 μm，采用頂針一刀落工藝來保證同心度的要求。標桿頂部設計了一個通用標準公接口，用來安裝各類測量儀器設備，形成的系列產品如圖2所示。

圖2 裝配示意圖Fig.2 Assemb ly diagram

2.2 同類產品比較

目前國內外存在兩款與本產品相對比較類似的專利技術。2008 年申報的“標點引伸式強制定位測量覘標”（中國 CN201110763）實用專利： 在被測標點上安裝標點引伸式強制定位測量覘標，通過標桿把地面觀測點引伸到椎體椎尖上，反復調整該裝置上水平和垂直氣泡，使椎尖與地面觀測點同心定位。因存在中間環節較多，又宜受外界因素、操作熟練程度影響，且屬間接引測，故監測精度難以滿足高等級精度要求。另外，該裝置4個調節支腿需安置在地面上，無法安置在建筑物、碼頭邊上；整平對中要進行多次，因人而異，難以保證每次同心。國外 2001 年申請的“Preciseaim sighting target”（ 美國 US6213470 ）實用專利：覘標上設定X刻度，白底黑字，便于遠距離觀察，該項專利專用于武器（軍事）定位和槍炮準心瞄準。由于用途和功能不同，無可比性。

由于技術方案獨特，采用強制歸心結合隱蔽式設計，在國內外相關文獻中，未見報道，具有創新性。經文獻對比分析后認定，該產品優于國內外現有同類產品，成果達到國際先進水平[6]。

2.3 應用效果

發明一種隱蔽式強制歸心測量覘標[7]，標芯預先埋設在需監測的建筑物上，并強制歸心，作為長期的監測基點，取代了澆筑強制歸心裝置的混凝土墩。由于標芯及標芯帽嵌入在地平表面，處于隱蔽式狀態，它對建筑物施工及運營沒有任何影響。隱蔽式覘標無需安裝三腳架，避免了儀器整平、對中等誤差。以標芯帽頂端為監測基點，用于沉降觀測；卸下標芯帽，旋上上部為快速接頭的專用標桿，安裝覘標后可直接用于位移監測，便可無人值守。該產品低成本、高精度，安裝快速簡便，產品能反復循環使用，從根本上改變了傳統的工作模式。

該裝置已在上海國際航運中心洋山深水港、上海液化天然氣LNG 工程監測等國家大、中型工程中應用，取得良好的效果（如圖 3、圖 4 所示）。

圖3 上海國際航運中心洋山深水港區工程Fig.3 Yangshan deepwater harbor projectof Shanghai international shipping center

圖4 上海液化天然氣LNG工程Fig.4 LNG project of Shanghai

3 升降式覘標設計

在實際應用中，我們發現監測點與觀測點之間有時存在堆積物或障礙物遮擋，影響了監測工作的正常進行。平面設計的標芯帽與地平平行帶來隱式的優點，也伴隨著作為平面標芯帽沉降監測基點的弱點，當標尺前、后視轉向時，難以保證原點位置，從而影響沉降監測精度。由此啟發我們設計一種升降式標桿、圓弧式標芯帽的設想。

3.1 升降式標桿設計

升降式標桿外桿、內桿的材質均為鋁合金。標桿由空心硬質材料（鋁質）制成，材料輕，整個裝置安裝快速簡便，攜帶方便。而且整個裝置能反復循環使用，符合環保理念。外桿相對于內桿作上下運動，外桿的下端上固定有夾緊環，該夾緊環露出外桿的一端設外螺紋，且該外螺紋沿圓周方向上開有多條收縮槽（如圖5所示），夾緊環外還套有夾緊螺母，收縮槽于夾緊環中心軸對稱，夾緊螺母的內螺紋孔的形狀為錐形，且該夾緊螺母與夾緊環螺紋連接，將夾緊螺母旋上（如圖6所示），螺紋間產生壓緊力使夾緊環朝中心收縮，抱緊內桿，由此實現外、內桿的固定，使整個升降式裝置形成一體。

圖5 標桿夾緊裝置Fig.5 Pole clam ping device

圖6 標桿旋入示意圖Fig.6 Sketchmap ofpole screw-in

內桿的下端上固定接頭—帶有多條收縮槽與絲口，外桿上端與覘標連接，標芯帽的端面為平面（ 如圖 7（a）），該平面上設有凹槽，凹槽設計成特殊規格，通過專用工具旋入，起到知識產權保護作用。非工作狀態時，標芯帽旋入標芯，對標芯起到保護作用，并阻止垃圾及雜物侵入。另外由于設計了球式標芯帽（ 如圖 7（b）），球頂圓弧觸點小，可用作于沉降觀測中的監測點。

加工中主要關鍵技術及特點：采用高精度機床加工升降桿，升降桿內外壁之間間距控制是確保升降桿同心的關鍵。為了保證和提高加工精度，采用減小、補償、轉移、均分原始誤差等法，以及“就地加工”法（也稱自身加工修配法），就可很方便地解決看起來非常困難的精度問題。就地加工法在機械零件加工中常用來作為保證零件加工精度的有效措施。

升降式測量覘標[8]，克服了視線遮擋的影響，可用于各類建筑物的變形監測。觀測高度能根據需求確定，效果好，結構穩定。而且低成本、精度高、重量輕、攜帶方便，保證了變形監測任務得以進行。

3.2 圓弧形標芯帽

對平面標芯帽設計成球式標芯帽（如圖 7（b）所示），球頂圓弧觸點小，用于沉降觀測中的監測點，標尺前、后視轉向時，均能確保沉降監測讀數的準確。非工作狀態時，旋出球式標芯帽，換上平端標芯帽 （如圖 7 （a） 所示） 旋入標芯，對標芯起到保護作用，并阻止垃圾及雜物侵入。

升降式測量覘標，解決了視線遮擋的影響，可用于各類建筑物的變形監測。監測的高度能根據需要調整，效果好、重量輕、攜帶方便，保證了變形監測任務得以順利進行（如圖8所示）。但升降式標桿加工精度難以控制，產品驗收時應特別關注。

圖7 平、弧形標芯帽Fig.7 Flatand curved corecaps

圖8 升降式覘標結構剖面圖Fig.8 Constructureof elevation target

4 結語

《建筑變形測量規范》規定的變形控制基準點一級（或特級）誤差≤±0.1mm，需要澆筑強制歸心的混凝土墩等。本文創新設計的系列新型變形觀測裝置，從根本上改變了傳統的工作模式。這些技術的開發研究依托洋山深水港等工程，在工程實踐中形成產品，產品的技術性能得到了全面的應用、檢驗和完善，形成了一套較完整、可操作、低成本、高效益的系列監測產品，具有廣闊的應用市場和推廣前景。

[1]何秀鳳.變形監測新方法及其應用[M]. 北京：科學出版社，2007. HE Xiu-feng.New method of deformation monitoring and its application[M].Beijing：Science Press，2007.

[2]陳永奇.變形觀測數據處理[M].北京：測繪出版社，1988. CHEN Yong-qi.Deformation observation data processing[M].Beijing：Surveying and Mapping Press，1988.

[3]黃聲享，尹暉，蔣征.變形監測數據處理[M].武漢：武漢大學出版社，2003. HUANG Sheng-xiang，YIN Hui，JIANG Zheng.Data processing of deformationmonitoring[M].Wuhan：Wuhan University Press，2003.

[4]吳 子 安. 工 程 建 筑 物 變 形 監 測 數 據 處 理[M].北京：測繪 出 版社，1989. WU Zi-an.Data processing of deformation monitoring for engineeringbuildings[M].Beijing：Surveyingand Mapping Press，1989.

[5]劉考裔，T2 經緯儀在京南大壩的應用[J].水利電力機械，2007，29（8）：95-96. LIUKao-yi.Application of T2 theodolite in Jingnan Dam[J].Water Conservancy&Electric PowerMachinery，2007，29（8）：95-96.

[6]朱文韻.隱蔽式強制歸心測量覘標查新報告[R].上海：上海科學技術情報研究所，2009. ZHUWen-yun.Novelty search reportof sheltered compulsive site survey target[R].Shanghai：Shanghai Institute for Scientific and technology Information，2009.

[7]鈕建定，虞祖培，胡建平，等.隱蔽式強制歸心測量覘標：中國，ZL200920073912.6[P].2009-05-19. NIU Jian-ding，YU Zu-pei，HU Jian-ping，et al.Sheltered compulsivesitesurvey target：China，ZL200920073912.6[P].2009-05-19.

[8]鈕建定，胡建平，虞祖培，等.升降式變形觀測裝置：中國，ZL201120146950.7[P].2011-05-11. NIU Jian-ding，HU Jian-ping，YU Zu-pei，etal.Elevation deformation observation device：China，ZL201120146950.7[P].2011-05-11.

Development of a new deformation observation device

HU Jian-ping，NIU Jian-ding，YU Zu-pei
（CCCCThird HarborConsultantsCo.，Ltd.，Shanghai201612，China）

Passing the building deformationmonitor has been gained observer data，because of constructing or operation reason，no condition built observation pier of forced centering； using the traditional plattingmounted survey maker，factors of manual operation and external environmentcan cause data of inaccuracy，this paper introduces a new deformation observation device now，which raised the precision of a deformation observation and canmake the security assessment for buildings，have resolved a problem ofa long-term besetment in theengineeringmonitor field.

surveymaker；deformationmonitor；hidden；rising-falling

TU415

A

1003-3688（2014）01-0066-04

10.7640/zggw js201401013

2013-05-21

胡建平 （1956 — ），男，江蘇溧陽人，教授級高級工程師，主要從事港口工程勘察技術開發與管理。E-mail：hu_jp2004@163. com