沉降觀測技術在高層建筑施工中的應用分析

但 敏

（德陽市自然資源和規劃局，四川 德陽 610000）

0 引言

近年來，隨著我國建筑行業的蓬勃發展和城鎮化水平的不斷提高，高層、超高層建筑在城市中越發普遍。然而，隨著樓層的不斷增加、荷載逐漸增大，建筑物的沉降量逐漸加大。為了建筑物建設與運營的安全，在建筑物施工過程中必須對其沉降量進行監測，以便及時發現問題并做相應處理，保證建筑物的正常使用壽命和安全性［1］。建筑物發生沉降的原因既有外部因素的影響，也有內部因素的制約，歸納起來主要包括地基基礎處理不合理、建筑場地選址不當、規劃不合理、基礎方案失誤等。

客觀、真實的沉降觀測資料能對施工工序起到指導作用，因此，高層建筑物施工過程中和竣工后的沉降觀測就顯得尤為重要［2-3］。

1 變形監測的特點

1.1 周期性重復觀測

變形觀測的主要任務是周期性地對觀測點進行重復觀測，以求得其在觀測周期內的變化量。周期性是指觀測的時間間隔是固定的，不能隨意更改；重復性是指觀測的條件、方法和要求等基本相同。

在觀測時，每一期觀測應等精度進行，測量人員、儀器、作業條件都應相對固定。比如在進行沉降觀測時，要求在規定的日期，按照設計的路線和精度進行觀測，水準網形原則上不準改變，測量儀器一般也不能更換，對于某些測量要求較高的情況，連測站位置也應基本不變。

1.2 精度要求高

變形監測的精度要求一般比常規工程測量的精度要求要高，比如《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2016）里規定，特高精度要求的特種精密工程的變形測量沉降觀測的精度要求測站高差中誤差要小于0.05 mm，很多工程變形場合要求精度達到毫米級甚至是亞毫米級，像這樣的精度在一般的工程測量中很少遇到。

1.3 多學科綜合分析

變形監測的分析涉及的學科領域較多，比如地質學、工程力學、巖土知識、土木工程等，還會涉及計算機軟件編程、圖形圖像處理知識。

2 實例分析

2.1 工程項目概況與地質條件

本工程項目名稱為中恒·首座公館，位于四川省德陽市中江縣北塔路，占地面積3 608.80 m2，是一個獨棟16 層電梯的高層建筑，總建筑面積約11 684.54 m2。

工程所在區域中江縣地處四川中部偏北，川中丘陵區西部。縣境內出露地層有中、生界的侏羅系、白堊系和新生界的第四系。縣境西部地質構造屬新華夏系龍泉山褶斷東，其北端為合興環狀構造范圍，褶皺較緊密，斷裂以走向逆斷層發育；東部和中南部屬綿陽環狀構造范圍，為近東西向的平緩褶皺組成。從龍臺到包山皆為平緩單斜構造，地層傾角1°～3°，倉山以南，分布有川中東西部向褶皺平緩褶皺構造。

2.2 參照規范與儀器設備選擇

本工程項目依據的規范主要包括：《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2016）、《國家一、二等水準測量規范》（GB/T 12897—2006）和《工程測量規范》（GB 50026—2007）等。依據上述規范的相關要求，本次沉降觀測的技術方法采用水準測量，等級為國家二等，高程系采用獨立高程系統。測量中所使用的儀器設備有SOKKIA 精密電子水準儀、銦合金鋼尺、南方平差易2005版。

2.3 沉降觀測點布設

2.3.1 水準基點。水準基點是整個工程項目的起始控制點，其將為后續的測量工作提供必要的起算數據，根據規范要求結合實際情況，本項目共埋設3 個基準點。基準點埋設在沉降影響范圍以外，且便于長期保存的位置。

水準基點布設為工程項目的首級高程控制網，網型采用閉合環狀。嚴格依據二等水準測量技術要求進行外業數據采集。為保證起始數據的準確性，還必須定期檢測其高程值的變化情況［4］。

2.3.2 觀測點。依據建筑物的形狀、自身特點以及《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2016）中的觀測點布設要求，在完成現場實地勘驗的基礎上，將觀測點選擇在標高±0.00 m 以上30 cm 左右的承力柱或剪力墻上，埋設后做好保護措施，以防施工過程中被破壞。中恒·首座公館工程共布置沉降觀測點8 個，分別為A01、A02、A03、A04、A05、A06、A07 和A08。

2.4 沉降觀測的技術要求

2.4.1 基準點觀測的基本要求。根據規范要求，相鄰基準點高差中誤差的絕對值小于0.5 mm，水準測量往返測較差和環線閉合差小于規范要求。

2.4.2 觀測點測量的一般要求。沉降觀測點測站高差中誤差絕對值≤0.5 mm。

2.4.3 儀器設備要求。工程所使用的儀器全部經過質檢中心的檢定，并在有效時間內使用。每次外業數據采集前進行i角檢校，視準軸誤差（i角）≤15″。

2.4.4 作業時間。確定在2020 年5 月27 日至2021年12月13日進行周期性觀測。

2.4.5 成果整理。全部原始觀測數據必須真實可靠，記錄計算符合規范要求，依據正確、嚴謹有序、步步校核、結果有效的原則進行成果整理及計算［5］。

2.4.6 沉降量計算。將各周期觀測記錄整理檢查無誤后，進行嚴密的平差計算，求出各周期每個觀測點的高程值，從而確定出沉降量。本次沉降量及累計沉降量計算公式如式（1）、式（2）。

2.5 沉降觀測程序要求

沉降觀測嚴格遵循監測點必須固定、儀器設備必須固定、技術人員必須固定、觀測路線固定、方法程序必須固定、外業觀測條件要大概相同的原則。按照此程序觀測可以減小測量誤差對外業采集數據質量的影響。除此之外，每一測站的觀測程序必須嚴格按照規范的要求執行；觀測時應盡量避免強光直射，成像清晰、穩定后才能讀數；外業采集數據的相關計算、校核都必須在現場完成，做到邊記錄邊計算邊校核；控制網應定期檢測。

3 結果與分析

3.1 資料整理

①外業觀測值和記錄，在項目現場直接記錄和計算。

②沉降測量計算包括觀測手簿、環閉合差、每次沉降量、累計沉降量的計算。

③將各沉降監測點數據填入沉降量計算表中，并計算出沉降量，繪制各沉降觀測點的曲線圖。

3.2 資料分析

沉降觀測成果如表1所示。由表1可知，中恒·首座公館工程共布設8個觀測點。本樓8個觀測點中累計沉降量最大值為觀測點A08，沉降累計量為-16.8 mm，累計沉降量最小值為觀測點A01，沉降累計量為-9.9 mm。平均沉降量為-12.4 mm，最大沉降差為6.9 mm。

荷載—沉降量曲線圖如圖1所示，由圖1和表1可知，中恒·首座公館工程最近一次觀測的沉降速率最大值為0.014 mm/d，參與速率計算時間間隔分別為0 d、6 d、30 d、29 d、37 d、32 d、23 d、123 d、95 d、92 d、91 d。根據《建筑變形測量規范》（JGJ 8—2016）中相關要求，當最后100 d 的沉降速率小于0.01～0.04 mm/d時可認為已進入穩定階段。

圖1 荷載—沉降量曲線圖

表1 沉降監測成果表

使用SPSS 軟件分析荷載與沉降量之間的關系可知，荷載與沉降量之間存在較強的二次多項式函 數關系，R2最高在A05 點，為0.973，R2最低在A06 點，為0.907。8 個點位R2均大于0.9，相關關系較強。

使用SPSS軟件分析沉降時間與沉降量之間的關系可知，沉降時間與沉降量之間存在較強的二次多項式函數關系，R2最高在A07點，為0.998，R2最低在A02點，為0.985。8個點位R2均大于0.9，相關關系較強。與荷載相比，沉降時間與沉降量的相關關系更強，使用沉降時間預測沉降量更好。荷載—沉降量與沉降時間—沉降量精度分析如表2和表3所示。

表2 荷載—沉降量精度分析

表3 沉降時間—沉降量精度分析

根據公式分別對8 個監測點位在第625 d 的沉降量進行預測，將8 個監測點位的實測沉降量與預測值進行對比，對比結果如表4所示。

表4 沉降時間預測值與實測值對比表 單位：mm

根據沉降時間預測值與實測值對比表，預測沉降值與實測沉降值差值總體較小，最大為3.7 mm，最小為0.3 mm，總體預測精度較好。

3.3 結論

在高層和超高層建筑施工過程中，通過專業的測量技術手段獲取周期性的沉降數據后，對數據進行客觀、科學的分析，系統掌握建筑沉降變化規律，引導工程順利進行，確保建筑物建設期間的安全性。針對具體工程項目，得出以下兩點結論。

①在高層建筑建設過程中，會產生沉降，荷載與沉降時間是與沉降量相關的兩個因素，且相關程度較高。

②荷載與沉降時間分別與沉降量存在二次多項式曲線關系，可利用沉降時間對沉降量進行預測。通過對沉降量的實時監測與算法預測可掌握高層建筑的實時沉降狀態與沉降趨勢，保證高程建筑施工與運營安全。