沉降測量在高層建筑物變形測量中的應用

林金標 陳志里

福建省地質測繪院 福建 福州 350011

隨著國家經濟的快速發展及城鎮化水平的不斷提高，城鎮土地資源供需緊張，為應對這種用地緊張局面，各大城市都在發展高層建筑，高層建筑可以提高土地資源利用效率，緩解城市用地緊張的問題，實現對城市有限土地資源的充分利用。但是少數高層建筑物也會存在安全隱患，地基四周出現沉降不均勻的不安全問題，影響高層建筑物的正常使用，嚴重時將導致高層建筑物出現變形，給高層建筑物的使用造成安全隱患，因此，對高層建筑物進行沉降測量是十分必要的，若發現沉降變化值超過變形允許值，就要及時采取必要措施加以防范。下面就高層建筑物變形測量的相關概念，沉降測量的重要性、主要方法進行具體闡述。

1 變形測量概念

變形測量根據監測對象的不同可分建筑工程、全球性、區域等三類變形測量，是對監測對象的水平位移、垂直位移進行監測，監測對象在發展過程中也可能會出現位移或者變形等現象。①建筑工程變形測量是對建筑物或構筑物的場地、地基、基礎、上部結構及周邊環境受荷載作用下產生的形狀或位置變化進行觀測，并對觀測結果進行處理、表達和分析的工作[1]，分為沉降和位移兩大類：沉降指豎向的變形，包括下沉和上升，而位移為除沉降外其他變形的統稱，包括水平位移、傾斜、撓度、裂縫、收斂變形、風振變形和日照變形等。根據對監測點測量的數據值變化大小來判斷建筑物是否出現了位移或者變形問題；②全球性變形測量是對地球自轉、地殼變形、潮汐變化等各種自然現象進行監測；③區域變形測量是對區域范圍地球表面出現的沉降或變形狀況開展監測工作。

變形測量內容主要有水平位移、垂直位移、傾斜、彎曲、裂縫、扭轉等方面，還有應力、氣壓、溫度、水位等也要納入監測內容。導致高層建筑物變形主要原因：①水文工程地質等條件出現重大變化；②建筑物的結構、荷載等自身產生的影響；③勘測設計階段、施工過程等出現瑕疵或不足因素，這些因素都會增大建筑物發生變形的概率[2]。通過對建筑物水平位移觀測的變化值，可以掌握建筑物在水平方向上的變化趨勢，通過對建筑物垂直位移觀測的變化值，可以掌握建筑物在垂直位移上的變化趨勢，為全面掌握了解建筑物水平位移、垂直位移的變化情況，靜態測量、動態監測都要開展，靜態測量是周期性測量，動態監測是連續性監測。

2 沉降測量重要性

高層建筑物出現的沉降是地基、基礎和上層結構共同作用下的結果，為保證高層建筑物的正常使用，并為勘察、設計、施工等部門提供相應的沉降測量數據，對高層建筑物開展沉降測量的必要性和重要性愈加突出，沉降測量就是為了全面了解掌握高層建筑物的沉降變化情況，及時發現高層建筑物發生不利的沉降現象，以便采取科學有效措施，減少風險隱患，確保建筑物正常使用。

2.1 及時發現高層建筑物地基變形問題

層數不太多的建筑物往往采用天然地基或人工地基，若不注意沉降驗算及不對淺層的軟弱土層進行處理的，這類建筑物建成后會發生較大沉降現象，可能引起嚴重的基礎沉降問題，甚至因不均勻沉降造成房屋開裂、傾斜。在軟土地區建造高層或小高層建筑需要采用樁基礎，一是因地基承載力不夠，需要采用樁基礎將上部結構荷載傳到深層土，二是因地基土會產生比較大的下沉，采用樁基礎來減弱因地基土發生下沉而引起高層建筑物沉降[3]。高層建筑物所有荷載全部由地基承擔，這就要求地基要有較高的承載能力，還需要地基的沉降量保持相對穩定。對地基進行沉降測量，可以全面地掌握了解高層建筑物的沉降情況，通過沉降測量數據及時發現建筑物地基的變形趨勢。

2.2 減少高層建筑物風險隱患

高層建筑地基承載力是受基礎和上層結構共同作用的，要加強重視影響地基承載力的因素。建筑工程設計時，在計算高層建筑物地基承載力必須對各方面的影響因素要進行全面考慮，若地基承載力的設計值與地基的實際承載力出現偏差，則會直接影響高層建筑物施工時發生不均勻沉降的概率就會進一步增大，使高層建筑物出現一些破壞性問題，增大高層建筑物在使用過程中的風險隱患，通過沉降測量可以有效發現這一風險隱患，有利于減少高層建筑物的風險隱患。

2.3 減少自然環境影響程度

除地基條件會導致高層建筑物發生沉降問題外，土壤溫度、濕度、地下水位等因素的變化也會引起高層建筑物發生沉降情況，在不受到這些因素影響下，高層建筑物的受力是處在一個相對平衡的狀態，若高層建筑物附近的地下水被過度抽取，會導致地下水位明顯降低，高層建筑物容易發生不均勻沉降問題，因此，高層建筑物受到自然因素的變化對其影響也是較大的，會導致高層建筑物發生沉降情況[4]。

此外,降水、風化、太陽輻射等惡劣天氣，這些因素也會對建筑物外表造成一定影響，引起高層建筑物發生變形現象。通過對高層建筑物進行沉降測量，掌握高層建筑物的變形情況，以便采取科學技術手段減少自然環境的影響程度。

3 沉降測量方法

高層建筑物變形測量中，沉降測量的應用則是較為廣泛。建筑物變形是一個動態變化的過程，通過沉降測量幫助我們掌握高層建筑物監測點的變化情況，將測量所得數據作為依據，并開展數據統計、分析工作。沉降測量工作中主要采用水準測量、GNSS測量等方法，但具體也要根據現場情況選擇合適的測量方法。

3.1 水準測量

水準測量是沉降觀測中常用的測量方法。在高層建筑物的沉降測量中，采用水準測量方法可以消除大氣折射引起的誤差，可以非常準確地測出垂直位移結果，為使沉降測量結果能真實反映建筑物的變化值，作業人員要嚴格執行變形監測標準規范和作業流程。

3.2 GNSS測量

隨著GNSS測量技術的快速發展，GNSS測量技術在測量領域得到了廣泛的應用，在各行各業中扮演著十分重要的角色。GNSS測量可以實現全球定位導航測量，在高層建筑物的沉降測量中，GNSS測量技術發揮了重要作用，可以對監測點進行全天候高精度的測量，GNSS測量具有覆蓋面積廣、精確高、操作簡便、成本較低的優點，GNSS測量技術可以提高對高層建筑物沉降測量的準確性，簡化了內業數據處理流程。

4 水準測量應用實例

4.1 工程概況

工程位于福州市區某廣場，現對該小區7#住宅樓進行沉降觀測，寬14.5m，長52.0m，地面17層，地下1層，建筑結構安全等級為二級，地基基礎設計為乙級。

4.2 技術依據

（1）《工程測量規范》 GB 50026-2007

（2）《國家一、二等水準測量規范》GB/T 12897-2006

（3）《建筑變形測量規范》(JGJ 8-2016)

4.3 技術要求

水準測量等級：根據《建筑變形測量規范》(J G J 8-2016)的要求，本項目采用二等水準精度要求進行沉降觀測，測站高差中誤差為0.5mm。

高程基準：采用1985高程基準。

儀器設備：根據本項目工程建筑物沉降觀測的精度要求，外業觀測采用徠卡DNA03電子水準儀、因瓦條碼標尺，所用儀器均經儀器檢定部門檢定合格，且在有效期內。

觀測方法：根據《規范》要求，基準點采用往返觀測法，監測點采用單程觀測法。觀測順序：奇數站：后一前一前一后，偶數站：前一后一后一前。每天開始觀測前，需對數字水準儀進行i角值測定，i角值均應小于15"。觀測前半小時，應把水準儀放于陰涼處，讓儀器溫度與外界氣溫基本接近后才開始作業。

沉降基準點、沉降工作基點的布設及觀測：根據施工場地條件，布設4個沉降基準點、3沉降工作基點，便于后期開展沉降觀測，編號分別為E1～E4、F1～F3，沉降基準點、沉降工作基點的制作、埋石符合《規范》要求，滿足沉降觀測的使用。基準網的布網、觀測、計算均滿足二等水準精度的要求，可以作為沉降監測點的起算數據使用。

沉降監測點的布設及觀測：根據施工現場情況，布設建筑沉降監測點12個，編號為7-1～7-12。沉降監測點的制作、埋石符合《規范》的要求，滿足沉降觀測的需要。按照二等水準精度測量要求，沉降監測點與工作基點聯測，采用單程觀測，組成附合水準路線進行平差計算。

觀測周期（施工階段）：在建筑物1層澆注完后，埋設好沉降監測標志，并進行首次測量，其它時段在建筑物每澆注2層測量1次，直至主體封頂為止，具體測量次數為：1層、3層、5層、7層、9層、11層、13層、15層、17層，共測量9次。

觀測周期（運營階段）：在建筑物竣工后第一年每隔3個月測量1次，第二年每隔5個月測量1次，第三年后每年測量1次，直至建筑物沉降處于穩定狀態，共測量8次。若出現沉降不均勻嚴重問題，或裂縫迅速發展擴大趨勢，要求每日或連續多日進行測量。

本工程沉降觀測從2018年07月10日起，2021年11月02日結束，施工階段、竣工階段共測量17次。經平差計算出各沉降監測點的高程、累積沉降量、總沉降趨勢、平均沉降速度等（見表1），時間～荷載～沉降量曲線圖（見圖1）。

圖1 時間～荷載～沉降量曲線圖

表1 7#樓監測點觀測累計沉降量統計表

通過以上累計沉降量統計表、時間～荷載～沉降量曲線圖，經分析表明：

a.各監測點沉降累計變化量均為下降，變化值范圍在-13.85mm～-21.17mm之間。

b.累計沉降差最大為7.32mm，最大傾斜度為0.14‰，小于《規范》規定傾斜度3‰限差。

c.最后百日的沉降觀測結果:日平均沉降量為0.002mm/d，滿足《規范》要求，即可判定該高層建筑物在施工階段逐步趨于穩定。

d.平均沉降量在荷載不斷增加過程中，各監測點的沉降量也隨著發生變化，但到了2018年11月份后平均沉降量趨于平穩，即可判定該高層建筑物在運營階段趨于穩定。

e.累計沉降量和下沉速度數值均比較小，各監測點沉降量差值均在限差允許值之內，未達到規定的預警值，已進入穩定安全狀態，該高層建筑物達到規范規定的穩定標準，無需繼續測量。

5 結語

綜上所述，高層建筑物的沉降測量已成為全社會必須關注的問題。高層建筑物在施工階段隨著荷載的增加對建筑物的基本穩定產生影響，容易導致沉降不均勻問題，嚴重時會導致高層建筑物傾斜或裂縫現象，影響高層建筑物的建設和使用安全，因此，我們必須對高層建筑物進行沉降測量，全面掌握了解高層建筑物的沉降情況，及時發現高層建筑物存在的安全隱患，為消除安全隱患提供準確、翔實的測量數據。