沉降测量在高层建筑物变形测量中的应用

林金标 陈志里

福建省地质测绘院 福建 福州 350011

随着国家经济的快速发展及城镇化水平的不断提高，城镇土地资源供需紧张，为应对这种用地紧张局面，各大城市都在发展高层建筑，高层建筑可以提高土地资源利用效率，缓解城市用地紧张的问题，实现对城市有限土地资源的充分利用。但是少数高层建筑物也会存在安全隐患，地基四周出现沉降不均匀的不安全问题，影响高层建筑物的正常使用，严重时将导致高层建筑物出现变形，给高层建筑物的使用造成安全隐患，因此，对高层建筑物进行沉降测量是十分必要的，若发现沉降变化值超过变形允许值，就要及时采取必要措施加以防范。下面就高层建筑物变形测量的相关概念，沉降测量的重要性、主要方法进行具体阐述。

1 变形测量概念

变形测量根据监测对象的不同可分建筑工程、全球性、区域等三类变形测量，是对监测对象的水平位移、垂直位移进行监测，监测对象在发展过程中也可能会出现位移或者变形等现象。①建筑工程变形测量是对建筑物或构筑物的场地、地基、基础、上部结构及周边环境受荷载作用下产生的形状或位置变化进行观测，并对观测结果进行处理、表达和分析的工作[1]，分为沉降和位移两大类：沉降指竖向的变形，包括下沉和上升，而位移为除沉降外其他变形的统称，包括水平位移、倾斜、挠度、裂缝、收敛变形、风振变形和日照变形等。根据对监测点测量的数据值变化大小来判断建筑物是否出现了位移或者变形问题；②全球性变形测量是对地球自转、地壳变形、潮汐变化等各种自然现象进行监测；③区域变形测量是对区域范围地球表面出现的沉降或变形状况开展监测工作。

变形测量内容主要有水平位移、垂直位移、倾斜、弯曲、裂缝、扭转等方面，还有应力、气压、温度、水位等也要纳入监测内容。导致高层建筑物变形主要原因：①水文工程地质等条件出现重大变化；②建筑物的结构、荷载等自身产生的影响；③勘测设计阶段、施工过程等出现瑕疵或不足因素，这些因素都会增大建筑物发生变形的概率[2]。通过对建筑物水平位移观测的变化值，可以掌握建筑物在水平方向上的变化趋势，通过对建筑物垂直位移观测的变化值，可以掌握建筑物在垂直位移上的变化趋势，为全面掌握了解建筑物水平位移、垂直位移的变化情况，静态测量、动态监测都要开展，静态测量是周期性测量，动态监测是连续性监测。

2 沉降测量重要性

高层建筑物出现的沉降是地基、基础和上层结构共同作用下的结果，为保证高层建筑物的正常使用，并为勘察、设计、施工等部门提供相应的沉降测量数据，对高层建筑物开展沉降测量的必要性和重要性愈加突出，沉降测量就是为了全面了解掌握高层建筑物的沉降变化情况，及时发现高层建筑物发生不利的沉降现象，以便采取科学有效措施，减少风险隐患，确保建筑物正常使用。

2.1 及时发现高层建筑物地基变形问题

层数不太多的建筑物往往采用天然地基或人工地基，若不注意沉降验算及不对浅层的软弱土层进行处理的，这类建筑物建成后会发生较大沉降现象，可能引起严重的基础沉降问题，甚至因不均匀沉降造成房屋开裂、倾斜。在软土地区建造高层或小高层建筑需要采用桩基础，一是因地基承载力不够，需要采用桩基础将上部结构荷载传到深层土，二是因地基土会产生比较大的下沉，采用桩基础来减弱因地基土发生下沉而引起高层建筑物沉降[3]。高层建筑物所有荷载全部由地基承担，这就要求地基要有较高的承载能力，还需要地基的沉降量保持相对稳定。对地基进行沉降测量，可以全面地掌握了解高层建筑物的沉降情况，通过沉降测量数据及时发现建筑物地基的变形趋势。

2.2 减少高层建筑物风险隐患

高层建筑地基承载力是受基础和上层结构共同作用的，要加强重视影响地基承载力的因素。建筑工程设计时，在计算高层建筑物地基承载力必须对各方面的影响因素要进行全面考虑，若地基承载力的设计值与地基的实际承载力出现偏差，则会直接影响高层建筑物施工时发生不均匀沉降的概率就会进一步增大，使高层建筑物出现一些破坏性问题，增大高层建筑物在使用过程中的风险隐患，通过沉降测量可以有效发现这一风险隐患，有利于减少高层建筑物的风险隐患。

2.3 减少自然环境影响程度

除地基条件会导致高层建筑物发生沉降问题外，土壤温度、湿度、地下水位等因素的变化也会引起高层建筑物发生沉降情况，在不受到这些因素影响下，高层建筑物的受力是处在一个相对平衡的状态，若高层建筑物附近的地下水被过度抽取，会导致地下水位明显降低，高层建筑物容易发生不均匀沉降问题，因此，高层建筑物受到自然因素的变化对其影响也是较大的，会导致高层建筑物发生沉降情况[4]。

此外,降水、风化、太阳辐射等恶劣天气，这些因素也会对建筑物外表造成一定影响，引起高层建筑物发生变形现象。通过对高层建筑物进行沉降测量，掌握高层建筑物的变形情况，以便采取科学技术手段减少自然环境的影响程度。

3 沉降测量方法

高层建筑物变形测量中，沉降测量的应用则是较为广泛。建筑物变形是一个动态变化的过程，通过沉降测量帮助我们掌握高层建筑物监测点的变化情况，将测量所得数据作为依据，并开展数据统计、分析工作。沉降测量工作中主要采用水准测量、GNSS测量等方法，但具体也要根据现场情况选择合适的测量方法。

3.1 水准测量

水准测量是沉降观测中常用的测量方法。在高层建筑物的沉降测量中，采用水准测量方法可以消除大气折射引起的误差，可以非常准确地测出垂直位移结果，为使沉降测量结果能真实反映建筑物的变化值，作业人员要严格执行变形监测标准规范和作业流程。

3.2 GNSS测量

随着GNSS测量技术的快速发展，GNSS测量技术在测量领域得到了广泛的应用，在各行各业中扮演着十分重要的角色。GNSS测量可以实现全球定位导航测量，在高层建筑物的沉降测量中，GNSS测量技术发挥了重要作用，可以对监测点进行全天候高精度的测量，GNSS测量具有覆盖面积广、精确高、操作简便、成本较低的优点，GNSS测量技术可以提高对高层建筑物沉降测量的准确性，简化了内业数据处理流程。

4 水准测量应用实例

4.1 工程概况

工程位于福州市区某广场，现对该小区7#住宅楼进行沉降观测，宽14.5m，长52.0m，地面17层，地下1层，建筑结构安全等级为二级，地基基础设计为乙级。

4.2 技术依据

（1）《工程测量规范》 GB 50026-2007

（2）《国家一、二等水准测量规范》GB/T 12897-2006

（3）《建筑变形测量规范》(JGJ 8-2016)

4.3 技术要求

水准测量等级：根据《建筑变形测量规范》(J G J 8-2016)的要求，本项目采用二等水准精度要求进行沉降观测，测站高差中误差为0.5mm。

高程基准：采用1985高程基准。

仪器设备：根据本项目工程建筑物沉降观测的精度要求，外业观测采用徕卡DNA03电子水准仪、因瓦条码标尺，所用仪器均经仪器检定部门检定合格，且在有效期内。

观测方法：根据《规范》要求，基准点采用往返观测法，监测点采用单程观测法。观测顺序：奇数站：后一前一前一后，偶数站：前一后一后一前。每天开始观测前，需对数字水准仪进行i角值测定，i角值均应小于15"。观测前半小时，应把水准仪放于阴凉处，让仪器温度与外界气温基本接近后才开始作业。

沉降基准点、沉降工作基点的布设及观测：根据施工场地条件，布设4个沉降基准点、3沉降工作基点，便于后期开展沉降观测，编号分别为E1～E4、F1～F3，沉降基准点、沉降工作基点的制作、埋石符合《规范》要求，满足沉降观测的使用。基准网的布网、观测、计算均满足二等水准精度的要求，可以作为沉降监测点的起算数据使用。

沉降监测点的布设及观测：根据施工现场情况，布设建筑沉降监测点12个，编号为7-1～7-12。沉降监测点的制作、埋石符合《规范》的要求，满足沉降观测的需要。按照二等水准精度测量要求，沉降监测点与工作基点联测，采用单程观测，组成附合水准路线进行平差计算。

观测周期（施工阶段）：在建筑物1层浇注完后，埋设好沉降监测标志，并进行首次测量，其它时段在建筑物每浇注2层测量1次，直至主体封顶为止，具体测量次数为：1层、3层、5层、7层、9层、11层、13层、15层、17层，共测量9次。

观测周期（运营阶段）：在建筑物竣工后第一年每隔3个月测量1次，第二年每隔5个月测量1次，第三年后每年测量1次，直至建筑物沉降处于稳定状态，共测量8次。若出现沉降不均匀严重问题，或裂缝迅速发展扩大趋势，要求每日或连续多日进行测量。

本工程沉降观测从2018年07月10日起，2021年11月02日结束，施工阶段、竣工阶段共测量17次。经平差计算出各沉降监测点的高程、累积沉降量、总沉降趋势、平均沉降速度等（见表1），时间～荷载～沉降量曲线图（见图1）。

图1 时间～荷载～沉降量曲线图

表1 7#楼监测点观测累计沉降量统计表

通过以上累计沉降量统计表、时间～荷载～沉降量曲线图，经分析表明：

a.各监测点沉降累计变化量均为下降，变化值范围在-13.85mm～-21.17mm之间。

b.累计沉降差最大为7.32mm，最大倾斜度为0.14‰，小于《规范》规定倾斜度3‰限差。

c.最后百日的沉降观测结果:日平均沉降量为0.002mm/d，满足《规范》要求，即可判定该高层建筑物在施工阶段逐步趋于稳定。

d.平均沉降量在荷载不断增加过程中，各监测点的沉降量也随着发生变化，但到了2018年11月份后平均沉降量趋于平稳，即可判定该高层建筑物在运营阶段趋于稳定。

e.累计沉降量和下沉速度数值均比较小，各监测点沉降量差值均在限差允许值之内，未达到规定的预警值，已进入稳定安全状态，该高层建筑物达到规范规定的稳定标准，无需继续测量。

5 结语

综上所述，高层建筑物的沉降测量已成为全社会必须关注的问题。高层建筑物在施工阶段随着荷载的增加对建筑物的基本稳定产生影响，容易导致沉降不均匀问题，严重时会导致高层建筑物倾斜或裂缝现象，影响高层建筑物的建设和使用安全，因此，我们必须对高层建筑物进行沉降测量，全面掌握了解高层建筑物的沉降情况，及时发现高层建筑物存在的安全隐患，为消除安全隐患提供准确、翔实的测量数据。