沉降观测技术在高层建筑施工中及应用.doc

沉降观测在高层建筑施工应用中的技术控制夏爱民（南京宏亚建设有限公司）摘要：随着我国经济建设的发展，社会的不断进步，高层、超高层及许多大型建(构)筑物越来越多。高层建筑物施工过程中应用沉降观测加强过程监控，指导合理的施工工序，并预防在施工过程中出现不均匀沉降，保证建筑结构安全及使用功能，及时反馈信息，加强沉降观测技术控制具有重要意义。关键词：高层建筑物；沉降观测；技术控制1.沉降观测的意义1.1沉降观测的概念沉降观测系指建筑在施工期间和初期使用阶段，由于建筑物本身的荷重和外力作用下，会使建筑物不同程度地发生变形，并在建筑物上设定观测点（又称沉降点），利用测量仪器测定沉降点与水准控制点之间的高差变化量。1.2沉降观测的重要性随着我国经济建设的发展，社会的不断进步，物质文明的极大提高。以及建筑设计和施工技术水平的日臻成熟和完善，同时，我国是一个拥有12亿人口的大国，土地资源日渐减少与人口增长之间日益突出的矛盾，我国的高层、超高层及许多大型建(构)筑物越来越多。建(构)筑物在施工过程中及建成后一段相当长时间内都存在着下沉的现象，这是由于：一是自然条件及其变化，温度与地下水位的季节性和周期性的变化引起建筑屋呈规律性沉降等；二是与建筑物本身有关的一些原因，包括建筑物本身的荷重、结构及机械运行中的震动等产生的沉降。例如建(构)筑物在修建前，地基中早已存在着来自土堤体本身重量、自重应力和修建后的建(构)筑物荷载通过基础底面传递给地基，使地基原由的应力状态发生变化，在附加的各应力分量作用下地基土产生了竖向、侧向和剪切变形，导致各点的竖向和侧向位移，建(构)筑物荷载差异和地基不均匀等原因，基础各部分的沉降或多或少总是不均匀的使得上部结构之中相应地产生额外的应力和变形基础不均匀沉降超过一定的限度，将导致建筑物的开裂、歪斜、甚至破坏；此外由于勘测、设计、施工以及运营使用不和理，也都会引起建筑物产生额外的沉降。由此可见研究建筑物地基的沉降，准确地为技术部门提供沉降数据，将地基的沉降量控制在建筑物允许的范围之内，对于保证建（构）筑物在施工过程中的安全性和建（构）筑物在竣工后的正常使用寿命，都有很大的意义。在我国的现行规范也规定，高层建筑物、高耸构筑物、重要古建筑物及连续生产设施基础、动力设备基础、滑坡监测等均要进行沉降观测。特别是在高层建筑物施工过程中应用沉降观测加强过程监控，指导合理的施工工序，并预防在施工过程中出现不均匀沉降，及时反馈信息为勘察设计施工部门提供详尽有效的一手资料，避免了因沉降原因造成建筑物主体结构的破坏或产生影响结构使用功能的裂缝，从而造成巨大的经济损失和人员伤亡事故。另沉降观测数据资料对建筑物沉降的规律、预测沉降的发展以及施工过程中所受的影响及影响的程度，并能发现和跟踪险情的发展趋势，分析建筑物的安全性和及时采取安全补救措施，以及对今后改进设计具有重要的指导和参考价值。2. 沉降观测技术的控制根据本人在南京江宁区协众雅居10#、11#、12#楼3套住宅项目，总建筑面积约为35000平方米，由2栋高层1栋多层和其他附属建筑施工过程中沉降观测的应用，在此对高层建筑施工过程中沉降观测工作浅谈之见。2.1 沉降观测的基本要求2.1.1 仪器设备、人员素质的要求根据沉降观测精度要求高的特点，为能精确地反映出建构筑物在不断加荷作下的沉降情况，我国一般规定测量的误差应小于变形值的120，为此要求沉降观测应使用高精密水准仪(S1或S05级)，水准尺也应使用受环境及温差变化影响小的高精度铟 合金水准尺。测量仪器要有计量权威部门定期的检验合格证，使用前要对仪器进行检校。测量人员素质的要求：必须接受专业的学习及技能培训，熟练掌握仪器的操作方法和相关的测量规程，熟悉测量理论，并能针对不同的工程特点和现场的具体情况而采用不同的观测方法及观测程序，对施测过程中出现的一些问题能够会分析其原因，并能正确的运用测量误差理论知识进行平差计算，做到按时、快速、精确地完成每次观测任务。2.1.2 观测时间的要求 对建构筑物的沉降观测时间有严格的限制条件，特别是首次观测必须按时进行，否则沉降观测得不到第一手的原始数据，对整个观测得不到完整的沉降观测意义。其他各阶段的观测，根据工程进展情况必须定时进行，不得漏测或补测的情况。只有这样，才能得到准确的建筑物沉降量变化情况或规律。相邻的两次时间间隔称为一个观测周期，高层建筑物的沉降观测一般是按一定的时间段为一观测周期(如：次/30天)或者按建筑物的加荷情况：每升高一层(或数层)为一观测周期。在沉降观测过程中，无论采取何种方式都必须按照制定的沉降测方案中规定的观测周期准时进行。2.1.3 观测点的设置要求为了能够准确地反映出建（构）筑物的沉降情况，沉降观测点要埋设在最能够反映沉降特征而且又便于观测的位置。一般要求在建筑物上设置的沉降观测点：纵横向要对称、相邻点之间的间距以1530米为宜，均匀地分布在建筑物的周围。在通常情况下，设计部门已在设计图纸上设计有专门的沉降观测点布置图。在埋设沉降观测点时要符合各施工阶段的观测要求，特别是要考虑到主体封顶后 装修装饰阶段因墙或柱饰面施工而破坏或者是掩盖住了观测点，从而造成不能连续观测而失去观沉降测意义。2.1.4 沉降观测从开始到结束要遵循“五定”的原则所谓“五定”，即通常所说的：沉降观测依据的基准点、工作基点和被观测物上的沉降观测点，点位要稳定；所用仪器、设备要稳定；观测人员要稳定；观测时的环境条件基本一致；观测路线、镜位、程序和方法要固定。以上的措施在客观上能尽量减少观测误差的不定性，使所测的结果具有统一的趋向性，能较准确地保证各次观测结果与首次观测结果的可比性更一致，使所观测的沉降量更真实。2.1.5 观测的要求仪器、设备的操作方法与观测程序要熟悉、准确。在首次观测前要对所用仪器的各项指标进行检测校正，必要时经计量单位予以鉴定。对测量仪器连续使用了36个月，要重新对所用仪器、设备进行检校。另在观测过程中，操作人员之间要密切相互配合，工作协调一致，认真仔细，数据记录真实、完整无误，做到步步有校核。另在观测记录中，必须注明观测时的气象和荷载情况以及工程的进展情况，观测结束后应提交的资料有：沉降观测成果表；沉降观测点平面位置和沉降展开图；沉降速率、时间、沉降量曲线图；荷载、时间、沉降量曲线图等。2.1.6报警值的确定按相关规范要求提出报警值得要求，沉降观测数据分析表：当沉降速度不超过3mm/d，沉降量的总量不小于15 mm；建筑物差异沉降量不超过1/1000，否则报警。2.1.7 沉降观测精度的要求根据建筑物的特性以及建设、设计单位的要求选择沉降观测精度的等级。在没有其它特别的要求情况下，对一般性的高层建构筑物施工过程中，采用二等水准测量的观测方法就能满足沉降观测的要求。我在协众雅居高层建筑工程施工过程中就采用二等水准闭合导线测量的观测方法，观测方法取二测回，最大累计沉降量为10mm，且沉降速率小于3mm/d，未发生报警值的差异沉降值，取得了良好的效果。各项观测指标要求如下： (1) 往返较差附和或环线闭合差计算式： ha-bl（n1/2），n表示测站数。(或ha-b1.0（L1/2），L表示观测路线距离)(2)前后视距 ： 30m(3)前后视距差 ： 1.0m(4)前后视距累积差 3.0m(5)沉降观测点相对于后视点的高差容差 ：1.0mm(6)水准仪的精度不低于N2级别针对本工程设定的报警值与判别标准为：监测项目安全与危害判别内容报警值与判别标准管理标准危害数值注意数值安全数值沉降点的沉降沉降量n1=实测或预测沉降n11510n115n11/10001/1500n21/1000n21/10002.1.7沉降观测成果整理及计算要求原始数据要真实可靠，记录计算要符合施工测量规范的要求，无涂改现象，依据正确，严谨有序，步步有校核，数据结果有效的原则进行成果的整理及计算。 2.2 具体施测程序及步骤2.2.1设定水准控制网根据工程的布局特点、现场的环境条件制订测量施测方案，由建设单位提供的水准控制点(或城市精密导线点)根据工程的测量施测方案和布网原则的要求采用“闭合环”或“往返闭合”的方法建立水准控制网。要求： (1)一般高层建筑物周围要布置三个以上水准点，通视良好，水准点的间距不大于100米，(2)在场区内任何地方架设仪器至少后视到两个水准点，并且场区内各水准点构成闭合图形，以便闭合检校。(3)各水准点要设在建筑物开挖、地面沉降和震动区范围之外，基准点是沉降观测的基本控制，应保持其坚固与稳定。一般应埋设在较远的基石或深埋于原状土内，根据工程的大小，地形地质的条件以及观测的精度要求，只要变形远小于观测误差，则可认为是稳定的。水准点的埋深要符合二等水准测量的要求(大于1.5米)。根据工程特点，建立合理的水准控制网，与基准点联测，平差计算出各水准点的高程。2.2.2建立固定的观测路线由场区水准控制网，并依据沉降观测点的埋设要求或图纸设计的沉降观测点布点图，确定沉降观测点的位置。在控制点与沉降观测点之间建立固定的观测路线，并在架设仪器站点与转点处作好标记桩，保证各次观测均沿统一路线。2.2.3沉降观测施测要求根据编制的工程施测方案及确定的观测周期，首次观测应在观测点安稳固后及时进行。一般高层建筑物有一或数层地下结构，首次观测应自基础开始，在基础的纵横轴线上(基础局边)按设计好的位置埋设沉降观测点(临时的)，等临时观测点稳固好，进行首次观测。首次观测的沉降观测点高程值是以后各次观测用以比较的基础，其精度要求非常高，施测时一般用S1或S05级精密水准仪。并且要求每个观测点首次高程应在同期观测两次后决定。基础需要观测基坑的回弹，回弹观测点一般沿基坑纵、横轴线或在能反映基坑回弹特征的其他位置上设立。根据工程测量规范规定回弹观测点高程一般测定3次；第一次在基坑开挖前；第二次在基坑开挖后；第三次在浇筑基础之前进行，回弹观测点的测量的高差中误差因不大于1mm。随着建筑物主体结构每升高一层，临时观测点移上一层并进行观测直到十000再按规定埋设永久观测点(为便于观测可将永久观测点设于十500mm)。然后每施工一层就复测一次，施工期测定观测点通常不少于4次，以便得出荷重与沉降的关系；对于建造在深度为8-10以上的基坑中的基础，沉降观测贯穿整个工程直至竣工。2.2.4沉降观测数据计算将每一的次观测记录整理检查无误后，进行平差计算，求出各次每个观测点的高程值。从而确定出沉降量。某一个观测点的每周期沉降量计算式： cH（n，I）-H（n，I -1） n表示某个观测点号，I表示观测周期数(I1，2，3)且 H1H0累计沉降量计算式： Cc(n)，n表示观测点号。2.2.5统计表汇总(1)、根据各观测周期平差计算的沉降量，列统计表，进行汇总。(2)、绘制各观测点的下沉曲线，首先建立下沉曲线坐标，横坐标为时间坐标，纵坐标上半部为荷载值，下半部为各沉降观测周期的沉降量。将统计表中各观测点对应的观测周期所测得沉降量画于坐标中，并将相应的荷载值也画于坐标中，连线，就得到对应于荷载值的沉降曲线。(3) 根据沉降量统计表和沉降曲线图，我们可以预测建筑物的沉降趋势，将建筑物的沉降情况及时的反馈到有关主管部门，准确地指导施工。特别是建设在沉降性较大的地基上的建筑物或重要建筑物的不均匀沉降监测的观测显得更为重要。利用沉降曲线还可计算出因地基不均匀沉降引起的建筑物倾斜度计算式：q=Cm-Cn/LmnCm,Cn分别为m，n点的总沉降量Lmn为m，n点的距离。对沉降观测的成果分析，我们还可以找出同一地区类似结构形式建筑物影响其沉降的主要因素，指导施工单位编好施工组织设计以及正确地指导施工具有重要意义。同样也为勘察设计单位提供宝贵的一手资料，设计出更完善的施工图纸。 2.2.6观测在运用中的注意事项：(1)严格按测量规范的要求施测。(2)前后视观测最好用同一水平尺。(3)各次观测必须按照固定的观测路线进行。(4)观测时要避免阳光直射，且各观测环境基本一致。(5)成像清晰、稳定时再读数。(6)随时观测，及时检核计算，观测时要次测成。(7)在雨季前后均要联测，检查水准点的标高是否有变动。(8)将各次所观测沉降情况及时反馈有关部门，当建筑物每天(24h)连续沉降量超过1mm时应停止施工，会同有关部门采取应急措施。3. 沉降观测技术在运用中存在的一些问题及其处理方法3.1建筑物沉降观测精度的合理性。由于现行规范对施工单位施工过程的沉降观测要求不明朗，这对施工单位在建筑物沉降观测精度选择随意性较大，但是沉降观测精度的高低直接关系到沉降观测数据能否准确地反映建筑物的沉降。故而对沉降观测精度的选择既不能太高也不能太低，只要合理适宜，适合工程特性的需要。既不造成无谓的才力浪费也保证了观测结果的准确性。这样，我本人认为在一般高层及重要的建(构)筑物在首次观测过程中适用精密仪器的设备(高级水准仪、铟 合金尺等)在000以上部分按二等以上水准测量方法，采用放大率倍数较大的S2或S3水准仪进行观测，也可以测出较理想的结果。3.2建筑物的沉降量与时间关系3.2.1沉降量与时间关系曲线在沉降观测过程中，沉降量与时间关系曲线不是单边下行光滑曲线，而是起伏状现象的。这就是分析原因，进行修正。 3.2.2第二次观测数据出现回升而以后各次下降的原因第二次观测出现回升，而以后各次观测又出现逐渐下降的现象。可能是首次观测精过低，若回升超过5mm时，第一次观测作废，若回升5mm内，第二次与第一次调整标高一致。3.2.3时间曲线在某点突然回升现象的分析时间曲线在某点突然回升，其原因是：水准点或观测点被碰动所致且水准点碰动后标高低于碰前标高，观测点碰后高于碰前。处理方法是：取相邻另一观测点的相同期间沉降量作为被碰观测点之沉降量。3.2.4时间曲线自某点起渐渐回升现象的分析时间曲线自某点起渐渐回升，其原因是：一般是水准点下沉所致。处理方法是：确定水准点的下沉值，并采取用符合导线测量方法与高级水准点连测，确定沉降量。4结论和体会4.1初始沉降观测值的重要性由于累计沉降量均与初始观测值相关，因此初始观测值的准确性极为重要，每个观测点的初始观测值必须采用最初连续两次观测结果的平均值。4.2观测的数据与施工阶段的关系沉降观测是建筑物一张动态的“体温表”，无论是土方工程施工还是地下、上部结构施工，施工管理人员都能清楚地掌握施工期间建筑物竖向的变化动态情况，做到心中有数，管理有目标。观测的数据与工程整个施工阶段基础的下沉量及回弹量的变化与施工顺序、地基上的加载大小、施工进度情况等密切相关。4.3实测沉降量与设计部门提供的理论预留沉降量的区别沉降观测资料反映施工阶段的实际沉降量，难以与设计部门提供的理论预留沉降量相符，其主要原因是理论计算假设条件与上述施工条件变化出入较大，理论计算无法考虑施工期各种动态的影响因素，另外地质条件复杂。在目前理论计算虽考虑土体的固结过程，把地基作为粘弹性模型进行计算，但由于计算参数随不同土质而不尽相同，难以正确选取，故只有通过现场观测才能确定计算参数，并提供有效的数据。4.5沉降观测技术要不断创新高层建筑工程的沉降观测工作是一项技术要求高，需要付出艰辛的劳动。高层建筑通常建在城市市区中，周边建筑物较多，彼此间距较小，在观测过程中转站较多，这是影响观测精度的主要原因。如果采用全站仪在固定测站及镜高的情况下，通过三角高程的方法来代替几何水准进行沉降观测，可以减少劳动强度，但能否满足精度要求，是值得在今后高层建筑施工中加以研究的新课题。