建筑物沉降、倾斜自动化监测系统探究

吴 俊 （上海市岩土工程检测中心，上海 200436）

0 前言

监测结构的变形情况，保证结构的安全(监测结构的健康状态)；通过沉降监测，可以采取相应措施，控制沉降的发展，保证结构工程的质量；根据实测的沉降监测数据，通过数学方法对后期沉降速度、总下降量以及工后沉降值进行了计算分析，确保了有效控制路基沉降的必要环节；发现了正常沉降与不均匀沉降。

1 实时监测方案设计

1.1 系统架构

实时在线监测系统由四部分组成：传感器子系统、数据采集子系统、数据传输子系统、数据处理子系统，其中传感器子系统由垂直方向位移、倾斜方向位移对应的监测传感器组成；数据收集子系统由每个监视收集单元组成，收集的原始数据通过数据传输子系统的传输而被传输，最终被转发到数据分析系统内的数据库来收集，由计算机处理系统进行自动解算、分析后展示给各需求方。

1.2 建筑沉降监测设备——压差式静力水准仪

压差式静力水准仪是推出的一款高精度的压差式静力水准传感器，相比传统的静力水准仪，该传感器是由进口元件组成，通过工业化设计，不仅做到了体积小、响应速度快的特点，还具有长期稳定性的特点。多个传感器通过水管连接，组成静力水准测试系统，广泛应用于路面线形沉降和剖面沉降、大坝线形沉降以及建筑物沉降的精密测量。

图1 在线监测系统架构

1.2.1 工作原理

①传感器原理：传感器在不锈钢腔内安装压敏元件，压敏元件在单晶硅片上扩散惠斯通电桥。测量的介质(气体或液体)压力改变桥壁(压阻效应)的电阻值并产生差分电压信号。通过专用放大器，将与该范围对应的信号转换为标准模拟信号输出。

②系统原理：压差式静力水准仪测试系统由多个安装在不同测点的压差式静力水准仪组成，并设置一个不动点作为参考点。将每个传感器用水管联通，整个系统灌满水（防冻液效果佳），系统两端各配备一个水箱，用来使系统更加稳定。通过测量测点传感器与参考点传感器之间的压力差值，计算相对参考点的位移变化。系统采用测试压力变化的方法，相比传统液位测量，响应速度更快，系统体积更小，使用更方便。

图2 压差式静力水准仪安装示意图

1.2.2 测点和线路安装布置

根据结构和现场的实际情况设计测点和线路布置的方案，参考点的选取尤为重要，原则上选择稳定不变的结构点布置。安装工具和部件需要提前准备，包括纯净水、防冻液、水管、传感器、安装配件、万用表、扳手、水泵、电源模块、笔记本等。传感器的安装要控制传感器在量程范围内变化，保证所有传感器基本安装在同一水平面上。将传感器自由在参考点和各个测点，通过水管连接成系统，系统两端与大气连通。系统一端注水，另一端接一大水箱，水箱高度应比所有的测点和参考点的位置略高(注意考虑测点的位移变化，液位高不能超过传感器量程）。从系统的一端通过抽水水泵往系统内注水，注水直至系统另一头出水，停止注水。按水管接的顺序依次摇晃传感器将气泡往后排(摇晃传感器时开水泵注水)，直至将所有气泡排出，同时沿线检查是否有漏水点。确保整个系统灌满水后，固定注水端的注水管与水箱连接，水箱注满水。确定测点传感器安装的高度，根据测点的结构选用。支撑板的安装方式。混凝土结构采用膨胀螺栓固定，钢结构采用焊接方式。两者均通过调节在通丝螺杆的位置调整传感器至合适的高度，拧紧固定。连接传感器至采集模块，根据设计方案布置通讯设备和线路。系统设备、水管、导线等做好防护和标识，防止现场施工破坏系统。注意水管和导线不能拉扯过紧，需考虑测点的位移变化情况留有余量。

1.3 建筑倾斜监测设备——AZ103X倾斜仪

使用高精度MEMS传感器，结合温度、地磁传感器的倾斜与振动模块，能够垂直或者水平安装，完成深层土体水平位移、倾斜、振动、冲击等测量；外型尺寸：27 X 25 X 112，防水能力：水下200m；外型图如图3所示。

图3 倾斜与振动模块外型

图4 太阳能面板和测量杆

测量杆可直接安装于测量体外部或者内部，也可以安装在标准测量管内。1000mm规格的相比500mm规格的效果更佳。测量杆直接固定于墙体。测量杆内置倾斜监测模块和数据采集传输模块，配上电池和太阳能板，即可连续在室外使用。

2 监测系统功能需求

监测系统应具备数据传输功能，数据处理功能，数据展示功能，信息汇报功能。传感器将信息传输到服务器以后，经过复杂的数据处理，显示到监测系统供用户查看，二次分析。实现整个系统自动、实时、连续的数据采集、传输、分析、显示、报警等功能，便于管理人员准确掌握监测体的实时变形量及变形趋势。为安全生产决策提供可靠资料和依据，保证人民群众的生命及财产安全。

2.1 倾斜监测

倾斜监测模块主要用来显示建筑物倾斜的信息，包括各监测点的曲线图、数据、报警信息等内容。通过观察建筑物倾斜的变化，根据设备允许的变化值来设定报警值，当变化超过允许值时，监测平台的报警系统会及时发送消息给各方。

此模块可以对监测点数据随时间变化的曲线图进行放大缩小操作，亦可以通过修改时间来查看各时间段的数据。通过这个功能，各方可以更好的了解数据变化的规律及趋势。

2.2 沉降监测

沉降监测模块主要用来显示建筑物有无差异沉降及整体下沉的信息，包括各监测点的曲线图、数据、报警信息等内容。通过观察建筑物沉降的变化，根据设备允许的变化值来设定报警值，当变化超过允许值时，监测平台的报警系统会及时发送消息给各方。

此模块可以对监测点数据随时间变化的曲线图进行放大缩小操作，亦可以通过修改时间来查看各时间段的数据。通过这个功能，各方可以更好的了解数据变化的规律及趋势。实时监测的数据列表也可以随时进行导入、导出等操作。

2.3 监测频率

检测频率需要满足实际工作需求并且可远程控制，周围基坑开挖前频率可以低些，开挖过程中和开挖后，以及有异常情况时需要缩短检测频率。

2.4 监测报警值

监测报警值需要满足上海市工程建设规范《基坑工程施工监测规程》（DG/TJ 08-2001-2016》中相关规定，并参照围护设计说明以及以监理要求执行。

3 总结

考虑到建筑物沉降和建筑物倾斜需要长期的检测维护，安装自动化检测设备来检测沉降、倾斜对实际工程的数据进行掌握，一方面节省了人工成本，另一方面也提高了工作效率，及时发现问题，做出重要决策。同时也推进智慧监测的发展。本文讨论的两种应用，需要在实践中不多积累数据，掌握各种情况，稳步推进发展，优化相关设计及设备布置技术，为建筑物沉降、倾斜自动化监测提供有力保障。