超高层建筑主体沉降及倾斜的监测方法

谭 龙，韦昌富

(1.山东建勘集团有限公司，山东 济南 250031；2.中国科学院武汉岩土力学研究所岩土力学与工程国家重点实验室，湖北 武汉 430071)

随着我国城市化快速发展，为了节约城市土地资源，高层和超高层建筑日益增多。高层建筑物对差异沉降和倾斜度比较敏感，因此相关规范对其有严格规定[1]，并要求在施工期间和使用期间对主体结构进行严密的沉降观测和倾斜监测，以便及时发现问题。

目前，常见的建筑物主体沉降和倾斜监测方法有水准测量法、投点法、水平角观测法、前方交会法、纵横轴线法、激光铅直仪法、垂准法、倾斜仪法和差异沉降法等[1]。石利情等[2]基于全站仪在建筑物楼房角布设上、下2个标志点进行投点法倾斜监测，采用电子水准仪进行建筑物沉降观测，通过工程实例验证了倾斜和沉降监测方法的可靠。覃辉[3]运用前方交会方法对建筑物倾斜进行监测，获得了很高的点位测量精度。郑磊[4]基于免棱镜全站仪的“水平距作差法”很好地解决了塔体施工过程中通视条件较差难以利用常规方法进行塔体倾斜位移监测的难题。黄新民等[5]通过现场沉降监测，运用对比分析与回归分析方法验证了建筑物的基础沉降与整体倾斜之间的线性正相关关系。张立群等[6]基于免棱镜全站仪测量了建筑物主体两墙面相交的一组棱线顶端相对于底端的偏移量，其解析交会点精度可达到二等水平位移监测精度要求。涂群生[7]建立了建筑物的变形监测系统，在导线控制点上架设全站仪测量了建筑物上下房角的三维坐标来计算倾斜值，提高了监测效率，并解决了测点通视问题。以上研究均表明，对高层、特别是超高层建筑物的沉降和倾斜进行监测，需结合工程现场，综合运用多种观测方法才能达到预期效果。

本文以济南某超高层监测工程为例，详细介绍了超高层建筑沉降和倾斜观测点的布置原则以及观测方法，探讨了各观测方法在本工程的适用性，旨在为今后超高层的沉降观测和倾斜监测提供借鉴。

1 工程概况

济南某超高层项目由2座塔楼(T1塔楼、T2塔楼)和2座商业裙房(P1裙房、P2裙房)组成。T1为圆筒型高层建筑，T2为方形外观高层建筑。项目一期工程包含地下室及T2塔楼，二期工程包含T1塔楼、裙房-1及裙房-2。总用地面积为21 317 m2，建筑面积约为282 343 m2。该项目高层建筑物的基础信息见表1。

表1 高层建筑物的基础信息

2 主体沉降监测

2.1 监测点布设

在建筑物主体结构施工时，随着主体荷载增加，建筑物沉降会逐渐增大。沉降监测有助于及时判别异常沉降、不均匀沉降，避免建筑物主体结构存在破坏风险，是保证高层建筑物施工安全的有效措施。

根据《建筑变形测量规程》(JGJ/T 8—2016)[1]和设计文件，2座塔楼和2座裙房的沉降监测点布设原则为T1和T2核心筒四角、4栋建筑的四角、沿外墙每10～20 m处、高低层建筑交接处。

本项目3个高程基准点埋设在沉降影响范围以外的稳定且易保护的位置(距离沉降观测点约100 m)，2个工作基点距离沉降观测点约60 m(2倍基坑深度外)。建筑物沉降测点采用混凝土现浇预埋，分2个阶段布设。

1)基础施工时，现场将定制的蘑菇头型监测点与基础底板钢筋绑扎固定，底板混凝土浇筑后，测点与底板紧密结合。现浇预埋测点相对传统后期钻孔埋设更稳固、位置更精确[8]。

2)建筑物结构施工至±0以上时，在1层地面30 cm以上位置预埋L型监测点，埋设方法同上。L型沉降测点示意图如图1所示。

图1 L型沉降测点示意图

位于底板的测点主要用于主体结构施工期间建筑物的沉降监测，其数据观测至装修拆除后结束。位于1层的测点既用于主体施工期间的沉降监测，也用于建筑物使用期间的长期沉降观测，应做好长期保护标识。

2.2 监测方法

采用美国天宝Trimble-DiNi03电子水准仪，配1对2 m条码尺，其标称精度为每千米高程中误差≤0.3 mm，最小显示0.01 mm。主体沉降观测按二等水准测量要求进行[1]。每期测量作业开始时，先将工作基点与基准点进行联测，再利用工作基点对监测点进行观测。每次测量时，在相同的时段和环境条件下，采用相同的监测线路、监测方法、监测人员、监测仪器和设备对不同的建筑物进行高程测量[9]。首次观测时，取3次测量值的平均值作为测点初始值，每期测量完成后，根据测量误差理论和统计检验原理对所测数据进行平差计算分析。如观测限差超限，则应重测。底板完成后开始观测，底板初凝观测1次，之后每施工3层观测1次，竣工后第1年观测不少于4次，第2年不少于3次，以后每年1次直至沉降稳定，观测期不少于5 a。

2.3 计算方法

以下基准点为已知高程点，利用测得的各监测点与基准点的高差，可得到各监测点的高程H，其与上次测得高程的差值△h为该监测点的沉降值，即：

△h(1,0)=H(1)-H(0)

(1)

式(1)中,H(0)为监测点上次高程；H(1)为监测点本次高程；△h(1,0)为监测点沉降值。

2.4 沉降分析

在监测周期内，对建筑物沉降测点进行重复观测，计算得出沉降测点累计沉降量、沉降速率及差异沉降值，并对其数值与变形允许值进行对比分析，以便判别建筑物沉降是否超标或是否存在异常[10]，也可间接计算建筑物的倾斜值。

3 主体倾斜监测

3.1 监测点布设

本工程监测控制网为假定平面坐标系。在施工区域影响范围外的稳定区域布设基准点，在T1和T2塔楼基础前布设完控制网，并完成基准点的联测。平差计算后获得各基准点的平面坐标，通过比较其坐标差值对基准点稳定性进行判别，及时剔除不稳定点[1]。基准点1个月复测1次。

T1和T2塔楼每层监测点示意图分别如图2和图3所示。按假定坐标系控制点布设要求，在T1塔楼四周分别布设S1，S2，S3，S4平面控制点，同时在T2塔楼四周布设R1，R2，R3，R4平面控制点。2座塔楼单独布设控制网是为了避免随着T1和T2施工楼层增高，基准点与测点产生通视问题，影响监测数据的连续性。

图2 T1塔楼每层监测点示意图

图3 T2塔楼每层监测点示意图

T2塔楼建筑物建成高度为121.15 m，地上部分有23层，建筑物外观为方形结构。先施工核心筒结构，然后施工玻璃幕墙结构，建筑物倾斜测点需要在核心筒和玻璃幕墙分别布设，确保倾斜监测的连续性。

从建筑物外部进行倾斜监测观测时，经与施工单位沟通确认，建筑物外墙和顶部不具备布设固定棱镜的条件。本次监测采用的非预埋观测标志为可粘贴反射片标志。在建筑物高度20 m和90 m处分层布设监测点，每层4个监测点，分别位于建筑物四边位置，监测点位命名规则为建筑楼号+(A，B，C，D)+高度。

T1塔楼建筑物建成高度为326.10 m，地上部分有64层，建筑物外观为圆筒结构。在建筑物高度20，100，200，290 m处分层布设监测点，每层4个监测点，分别位于建筑物四周位置，运用全站仪将建筑物任一角不同高度的测点辅助布设在同一垂直线上。考虑到T1塔楼结构高度为297 m，故未在300 m的玻璃幕墙上布设监测点。

根据施工进度分阶段埋设不同高度的监测点。埋设时，采用全站仪三角高程确定测点的高度和精确位置，由施工单位提供高空作业吊篮。

3.2 监测方法

采用徕卡TS30超高精度全站仪(标称精度0.5″和0.6 mm+1 ppm)进行监测。监测点布设完成后，仪器测站点选在距照准目标1.5～2.0倍目标高度的固定位置。以北方向为X轴，东方向为Y轴，高度方向为Z轴，3次以上测量数值的平均值作为各倾斜测点的初始值。同时，为了减小周边环境的施工扰动、温度、强日照、大风等不利条件影响，采集时间通常在早上6∶00—7∶00和17∶00—18∶00，每次采集3次数据，其平均值作为观测结果。

考虑到T1和T2塔楼建筑物顶部与底部之间中间位置的竖向方向不具备通视观测条件,无法采用激光垂准测量，故本项目可采用倾斜间接法、投点法及前方交会法，下面对此进行详细说明。

3.2.1间接法

根据《建筑变形测量规程》(JGJ 8—2016)[1]，利用相对沉降量间接计算建筑物主体的倾斜，即针对主体沉降的楼体各边的监测数据，采用楼体同一边上两测点之间的差异沉降和距离计算倾斜值及倾斜方向。建筑物倾斜观测间接法示意图如图4所示。

图4 建筑物倾斜观测间接法示意图

(2)

(3)

式(2)和式(3)中,i为建筑物主体的倾斜度；α为倾斜角度；△h为建筑物主体同边2个沉降点的相对沉降量或差异沉降量；L为建筑物的2个沉降点之间的距离；△d为建筑物上、下部分相对位移值或倾斜值；H为建筑物的高度。

间接法的本质是利用“线”的倾斜来反映“体”的倾斜，而“体”的倾斜往往是三维的，因此间接法反算出的倾斜是失真的。本项目中，建筑物的同一高度上存在多个测点，根据其沉降可以算出该平面的倾斜。进一步地，不同高度的平面倾斜可以真实地反映建筑物的三维倾斜状态。

3.2.2投点法

在建筑物同一个竖直面的上、下部位布设倾斜监测点。运用全站仪辅助照准建筑物X墙体上部A观测点，采用盘左﹑盘右分中投点法，确定X墙体下部B观测点。同理，在与X墙面垂直的Y墙面上部布设C观测点和下部布设D观测点。A，B和C，D即为建筑物主体倾斜观测标志的位置。

盘左、盘右分中投点法的具体操作为：将全站仪放置在基准点上，仪器整平、调整对中，用盘左照准建筑物上面的A点，水平制动，纵转照准部，使其提供1条垂线，相交于建筑物底部基准线上。同理，盘右也在基准线上标记垂线,2条垂线在水平基准线上取中值。

在下一个监测周期，在原基准点位置安置全站仪，分别照准倾斜监测点A和C，用盘左、盘右分中投点法确定B′和D′位置。建筑物倾斜观测投点法示意图如图5所示。

图5 建筑物倾斜观测投点法示意图

如果B和B′、D和D′不重合，则建筑物发生了倾斜。用钢尺分别测量出X墙和Y墙的偏移量△ab和△cd，然后用矢量相加的方法，计算出该建筑物的总偏移值△d。

(4)

(5)

式(4)～(5)中，△d为建筑物主体的总偏移量；△ab为建筑物X墙面的倾斜偏移量；△cd为建筑物Y墙面的倾斜偏移量；i为建筑物主体的倾斜度;H为建筑物的高度。

投点法现场测量相对简单，可直观得出倾斜偏移量，应用时应重点考虑建筑物倾斜测点的布设困难、仪器设站的空间距离问题。本项目中，核心筒上的AC和BD分别布置在同一层的混凝土梁上，对于结构外部框架，AC和BD分别布置在同一层的楼板或外墙上。

3.2.3前方交会法

T1塔楼是类圆筒结构外形，P点为建筑物顶部中心位置，P′点为建筑物底部中心位置。现场前方交会法如图6所示。在建筑物一侧布设监测基线EF,基线的长度通常小于5倍的建筑物高度，其中E基准点和F基准点应在远离施工影响范围的稳定且易保护的位置上布置，也可在附近稳定的易于观测的建筑物上布设。

图6 现场前方交会法

首先在E基准点上安置全站仪，测量建筑物顶部P两侧切线与基线的夹角，求取其平均值β。同理，在F基准点上安置全站仪，测量建筑物顶部P两侧切线与基线的夹角，求取其平均值γ。然后利用前方交会公式计算出建筑物顶部P点的平面坐标。重复以上操作，计算得到建筑物底部P′点的平面坐标。

在三角形EFP中，已知E点的坐标为(xE,yE)，F点的坐标为(xF,yF)。分别在E和F点上设站，测量并计算得出β和γ2个角，通过解算三角形算出未知P点的坐标(xP,yP)。这种方法称为测角前方交会法。

根据文献[11]，当△EFP的点号是依E，F，P按照逆时针方向编码的，其中E，F是已知点，P为未知点。P点的坐标计算公式为：

(6)

(7)

通过P点(xP,yP)和P′点(xP′,yP′)两点的平面坐标，可由坐标反算公式计算P′和P两点之间的平距，其平距也即倾斜偏移值△d。

(8)

前方交会倾斜监测法适用于圆筒型建(构)筑物倾斜测量，尤其是在不具备埋设监测点的圆筒型建筑物上优势更明显。该方法需要稳定且远距离的基准点，作业空间大，并通过计算上部和下部的圆筒中心坐标的方式推算主体结构的倾斜偏移量，计算相对复杂。

3.3 倾斜监测方法比选

根据工程实际，考虑到建筑物主体沉降是该工程的必测项目，可以用同边的沉降测点的数据间接计算建筑物主体的倾斜度和不同高度的倾斜偏移值。

T1塔楼是圆筒状外形，可采用前方交会法测建筑物倾斜。为了更好地判断建筑物主体的倾斜情况，可将该方法的倾斜测量结果与相对沉降量间接法测量的数据进行对比分析。值得注意的是，间接法的偏移量要换算到同样的楼层高度。

根据现场踏勘情况，T1塔楼也可采用投点法观测，也应同步布设监测点，并完成初始值采集，以便后期的对比分析。

T2塔楼是方形外观，可采用投点法观测倾斜，将每期倾斜数据与间接法数据对比分析，综合判定楼体的倾斜情况。

4 结束语

通过对主体沉降、倾斜观测的方法进行探讨，可得出以下结论。

1)用建筑物上同一高度测点的沉降量计算测点所在平面的倾斜，再用沿建筑物高度分布的多个平面倾斜来反映建筑物的真实三维倾斜，方法简单，具有很好的实用性。

2)建筑物倾斜观测受现场施工扰动、温度变化、强日照、大风等不利条件影响较大，此时需采用多种倾斜观测方法，综合研判倾斜变化情况，更好地指导现场施工。

3)对于由核心筒和外部框架组成的建筑结构，需要联合实施核心筒和外部框架的监测，并注意监测数据的连续性。

4)案例工程成功应用了间接法、投点法、前方交会法3种倾斜监测方法，可为今后超高层的大型建筑工程的倾斜监测提供参考和借鉴。