大型工程场地及建筑物安全监测与分析

俞春，王昌翰

（重庆市勘测院，重庆 401121）

大型工程场地及建筑物安全监测与分析

俞春*，王昌翰

（重庆市勘测院，重庆 401121）

以重庆国际博览中心安全监测为例，本文阐述了大型工程场地及建筑物安全监测的内容与方法。在综合考虑场地原始地形地貌及地质条件，工程设计及施工情况的基础上，本着经济最优化原测，合理选择监测内容和布设监测点位是安全监测的关键。项目在安全监测自动化方面进行了有益探索实践，研发的基于物联网的安全监测平台，具有多传感器集成管理，数据采集与处理等功能，改变了传统监测作业模式，显著提高了工作效率。

大型工程；场地；建筑物；安全监测

1　概 述

重庆国际博览中心是西部第一、全国第二的国际大型会议展览中心，东西宽约 0.8 km，南北长约1.3 km。主要由展馆区、酒店、多功能厅、会议中心和沿江商业等五部分组成，总建筑面积约为60万平方米，建筑外形似一只翩翩起舞的蝴蝶，如图1所示。

重庆国际博览中心占地面积广，其中填方区域面积约0.83 km2，填方厚度0 m～32 m不等，整个场地由嘉陵江而上形成三阶弧形大型边坡组成，如图2所示。

重庆国际博览中心展馆为钢桁架和铝格栅结构组成的大型建筑结构，树状支承柱直接支承铝合金格栅结构，主体屋顶结构采用立体馆桁架、支承于下部砼结构，其中跨度最大的多功能厅单榀钢桁架跨度为117 m。其钢桁架结构和铝结构具有跨度较大、结构复杂，服役环境较为恶劣，其上的作用荷载复杂［2］。

图1　重庆国际博览中心效果图

图2　重庆国际博览中心场坪及边坡分布示意图

根据工程建设的要求，对重庆国际博览中心场地边坡、建筑物及钢结构进行建设期安全监测，了解其稳定性，并及时预警预报是十分必要的。

2　监测内容

监测内容主要包括三部分。一是监测三阶大型边坡挡土墙及高填方土体稳定性，包括挡土墙水平位移、沉降及伸缩缝监测，填方土体深部水平位移监测，边坡锚杆轴力监测。二是监测建筑物位移和沉降。三是监测会展场馆钢结构安全，包括钢桁架应力监测、挠度监测、树状柱树干应力监测、屋面风速、风压监测、温度监测。

3　监测技术设计

3.1挡土墙及边坡监测点布设

（1）平面位移、沉降、伸缩缝、深部位移监测点布设

根据《建筑基坑工程监测技术规范》（GB 50497-2009）、《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2002）规定并结合现场实际情况，挡土墙平面位移、沉降、伸缩缝监测点布设位置及密度主要考虑因素包括:一是监测点应主要布设在挖方区域。二是土体较厚且岩土界面较陡的地段和原始冲沟或基础薄弱的地方应适当加密监测点，必要时增加监测断面。三是在档墙转角处应布设监测点，且适当加密。深部水平位移测点位应综合考虑边坡填土厚度、岩土界面、土体下滑推力等因素［4］。

第一阶滨江路边坡高度30 m～40 m，填土厚度10 m～33 m不等。在挡土墙顶部按30 m间距布设平面及沉降位移监测共用点，该边坡中段为原始冲沟，土体较厚，适当加密布设，共布设变形点63点。伸缩缝监测点布置于伸缩缝两侧，共布设400点监测点，形成200条观测边。深部水平位移测点间距 150 m～200 m，共计布置9个测孔。

第二阶会展场地边坡，边坡填土厚度22 m～28 m不等，主要采用挡土墙设计。按30 m间距布设平面及沉降位移监测共用点，共布设监测点122点。伸缩缝两侧共布设700点监测点，形成350条观测边。深部水平位移测点间距150 m～200 m，共计布置11个测孔。

第三阶会展公园边坡为岩质挖方边坡，边坡按照1∶2～1∶4进行处理，其坡率较缓，故本段边坡监测点间距放宽至120 m左右，共布设监测点19点。伸缩缝两侧共布设130点，形成65条观测边。因本段是挖方区域，因此不布设深部位移测监测点。

（2）锚杆轴力监测点布设

在第三阶边坡进行锚杆轴力监测。根据边坡特征按一定间距布置测点，在不同受力、变形较大的关键位置共选取28根（设计总锚杆数量为16 000根左右）锚杆共84个测点进行监测。

3.2建筑物水平位移和沉降监测点布设

重庆国际博览中心建筑物包括展厅、多功能厅、宴会厅、酒店和沿江商业用房等。建筑物监测点布设在建筑物的主要角点上，点位布设时考虑地基承载力，按挖、填方区域控制点位稀密度。共计布设平面位移及沉降监测共用点66点。

3.3钢结构健康监测

重庆国际博览中心展馆区分为南、北两个呈对称性分布，每个展馆区由登录厅、8个单体展馆、馆间连接体及观众连廊等展览附属功能用房组成。其结构体量大，若对全部建筑进行监测，则监测系统极为庞大，工程造价也极其昂贵，故在监测场馆的选择上根据结构的重要性、对称性、经济最优化、场地地质特性等要素综合考虑，从16个场馆中选取了Se04、Sw02、Ne01、Ne03、会议中心和多功能厅6个场馆作为监测对象，如图3所示。

图3　场馆分布图

（1）钢桁架应力监测点布设

从钢桁架结构受力分析，跨中截面桁架所承受的拉、压应力最大，桁架端部附近位置所承受的剪应力最大。因此，应力传感器应主要布置在跨中截面和桁架端部截面［3］。

以会议中心为例，选择5榀桁架进行监测，如图4所示。监测点位立面如图5所示。会议中心总计布设光纤光栅应力监测点30个，如表1所示。

图4　会议中心桁架应力监测布置平面图

图5　会议中心WJ02-3桁架应力监测布置立面图

会议中心应力监测点数量表　表1

（2）树状柱应力监测点布设

树状柱应力监测测点主要布设在结构受力最不利树状柱上（树干靠近树杈位置处），部分挖方地段按1根树状柱监测四个方向的应力，布设4个测点，其余地段按1根树状柱监测两个方向的应力，布设2个测点。全区域共计布设124个。

（3）钢桁架挠度变形监测点布设

从钢桁架结构体系挠度变形分析，关键截面有三处，分别为L/2，L/4和3L/4截面，其中跨中截面桁架挠度变形最大，四分点次之，端部为零。因此，依据上述结构力学原理，挠度变形传感器主要布设在L/2截面，和部分L/4和3L/4截面。

以会议中心为例，选择5榀钢桁架进行监测，每榀桁架上布置1个或3个监测点，共布置监测点7个，如图6所示。

图6　钢桁架挠度监测点布设

（4）风速、风压监测

风速风压监测测点主要布置在铝格栅及屋面的最不利位置处，主要参照西南交大《重庆国际博览中心风洞试验报告》布置，兼顾较高屋顶、受风影响较大、结构重要性较为突出且覆盖范围相对均衡的角度进行考虑［1］。共计布设传感器30个，如图7所示。

图7　风速风压监测测点布置图

3.4监测时间及频率

重庆国际博览中心安全监测属施工阶段的监测，根据工程施工进程和场地稳定情况，参照《建筑变形测量规范》、《建筑边坡工程技术规范》、设计文件等技术标准及委托方的要求确定监测次数与监测频率。

水平位移监测、沉降监测、伸缩缝监测、边坡支护结构应力每月监测1次，共监测12次；深部位监测、挠度监测、风压风速监测采用自动实时监测12个月。以上监测结果均以月报的形式报送委托方，特殊情况及时报送。

监测期间可根据实际监测结果适当调整监测频率，若位移速率或位移量迅速增大或出现其他局部异常时，应针对性的增加观测周期，并立即将观测结果报告项目委托方，以体现监测工作的作用，确保工程安全。

4　数据采集与处理

4.1数据采集

观测点平面位移、沉降、伸缩缝观测数据等需要人工采集的数据，采用基于PDA的外业数据采集系统将现场记录，观测数据通过有线或无线的方式传入自主研发的安全监测平台进行计算和分析。

为满足平面位移及沉降监测的需要，在监测区域附近布设基准控制网，埋设基准点12点和工作基点7点，为了减少仪器对中误差和便于长期保存，平面基准点和工作基点均埋设强制归心观测墩。基准控制网观测精度满足《建筑变形测量规范》二级精度要求。

平面位移监测点采用0.5 s级智能全站仪进行观测。观测时，在平面基准点和工作基点上设站，按《建筑变形测量规范》二级平面精度要求采用极坐标法进行观测。

沉降点观测采用Leica DNA03电子水准仪，配条形码铟钢尺，按《建筑变形测量规范》二级水准精度要求进行观测，组成闭合或附合水准线路，并接测于高程基准点及工作基点上，首次应进行往返路线观测，以后各次观测均采用单程路线观测。

挡墙伸缩缝采用钢尺或游标卡尺直接丈量，每一对量测点采用2把尺子各丈量4次，每丈量一次读数3次，读数最大误差不超过1.0 mm，取平均值作为观测结果，与起零值相比较，计算出各对量测点的量距变化量。

应力、挠度、风速风压、深部位移监测通过监测点传感器以无线网络或有线方式将观测数据实时传输至安全监测平台进行自动记录、计算和分析。

4.2数据处理

数据处理采用自主研发的智能化安全监测平台，平台具有多传感器集成管理，数据采集与处理、多源数据集成与融合，监测数据综合分析，报表报告生成、预警预报等功能。现场利用PDA采集的数据及传感器自动采集的数据通过无线网络或有线的方式传输至安全监测平台进行处理。

5　监测结果与分析

（1）边坡挡墙90%监测点累计纵向位移在-15 mm ～10 mm之间，横向位移在-10 mm～10 mm之间，沉降量在0 mm～-8 mm之间。最大纵向、横向及沉降变化量分别是448.3 mm、-294.9 mm、-84.1 mm，均发生在第一阶边坡中间段挡墙，委托方对据此对挡墙进行了加固处理。从各期监测数据看，挡墙各监测点变形速率经历了由初始变形明显到逐步稳定的过程。

（2）深层土体水平位移监测数据表明，最大位移多发生在深度0.0 m～16.0 m处，位移量在15.5 mm ～48.3 mm之间。

（3）挡墙伸缩缝最大累计变形23.0 mm，其余超过90%测点伸缩缝变化量在3 mm以内，说明挡墙在监测期间未发生明显相对位移。

（4）从锚杆监测数据显示，锚杆受力均受拉且较小，最大值为38.551 kN，小于设计值（160 kN）。

（5）钢结监测结果表明，各监测数据均在设计值控制范围内，如表2所示。

钢结构健康监测结果　表2

6　结 语

针对重庆国际博览中心场地及建筑物安全监测所采用的技术方案科学合理，监测指标及结果比较全面准确的地反映了场地及建筑物健康安全状况。监测结果对于委托方安全建设管理，设计方验证及优化设计发挥了重要作用。

大型工程的安全监测，监测项目多，工作环境差，工作量十分巨大。为提高工作效率，减少人工劳动强度，适应新的科技发展形式，应尽量采用新的技术手段，实现自动化，智能化监测。重庆国际博览中心监测中应用的多项科技创新成果，为项目的顺利实施提供了重要保障。一是采用了大量的自动化数据采集设备，包括应力传感器，静力水准计，频率读数仪，风速风压计、土体测斜仪等，数量达833个。二是通过利用自主研发的智能安全监测平台使监测基本实现智能化，改变了传统监测生产作业模式，效率显著提高［5］。

［1］廖黎海.重庆西部国际会议展览中心风洞试验研究报告［R］.西南交通大学风工程试验研究中心，2011：1～4.

［2］重庆市勘测院.重庆国际博览中心变形监测技术报告［R］.重庆市勘测院，2012：1～100.

［3］周雨斌.网架结构健康监测中传感器优化布置研究［D］.浙江：浙江大学，2008：1～10.

［4］刘兴远，雷用，康景文.边坡工程：设计、监测、鉴定与加固［M］.北京：中国建筑工业出版社，2007：119～266.

［5］国家电力监管委员会大坝安全监察中心.岩土工程安全监测手册［M］.北京：中国水利水电出版社，2008：292～312.

Safety Monitoring and Analysis of Large-scale Engineering Field and Building

Yu Chun，Wang Changhan
（Chongqing Survey Institute，Chongqing 400020，China）

Take the Chongqing International Expo Center safety monitoring as the example，this paper introduced the content and method of safety monitoring on large-scale engineering field and buildings.On the basis of considering the original topographic feature，geological condition，engineering design and construction，the monitor content and monitor site location are optimized.This paper also does useful research for automation of safety monitoring，the monitor platform based on IOT，with the multi-sensor integration management，data acquisition and processing function，has changed the traditional operation mode，and improved the work efficiency.

large-scale engineering；building；safety monitoring

1672-8262（2016）04-119-04

P258，TU196

B

2016—04—29

俞春（1965—），男，高级工程师，主要从事测绘及空间地理信息开发应用。

住房和城乡建设部科技计划项目（2015-K8-012）