建筑物沉降的实时远程自动监测系统

建筑物沉降的实时远程自动监测系统熊春宝1，孙明1，王儒杰2（1.天津大学建筑工程学院, 天津300072; 2.天津市建设工程质量监督管理总站, 天津300191）摘要：介绍了一种用于监测建筑物沉降的实时远程自动监测系统。

将液体静力水准测量、电磁式位移传感、计算机、GPRS无线通信等技术集成于一体，该系统具有如下功能：监测数据的实时连续采集与管理、建筑物沉降的自动计算与分析、信息的远程无线发布与预警。

该系统已成功应用于天津西站主站楼整体平移搬迁的施工过程中，对于此工程的施工进度以及施工措施的适时调整起到了关键性的指导作用。

关键词：建筑物沉降；实时；远程；自动监测A Real-time Remote Automatic System forMonitoring the Settlement of BuildingXIONG Chun-bao1，SUN Ming1, WANG Ru-jie2(1. School of Civil Engineering, Tianjin University, Tianjin 300072, China; 2. Tianjin Construction Quality Supervision Center, Tianjin300191, China)Abstract：A system, which is real-time, remote, automatic for monitoring the settlement of building, is introduced. Hydrostatic leveling, displacement sensing by electromagnetism, computer technology and GPRS wireless communication are integrated into the system. The system has the following functions: real-time, continuous acquisition and management of the measured data; automatic computation and analysis of the settlement; remote, wireless release of information and early-warning. Applied successfully to monitor the settlement of the main building of Tianjin West Railway Station in integral moving, the system has taken the key directive effect in adjusting the schedule and the methods of construction timely.Key words：settlement of building; real-time; remote; automatic monitoring作者简介：熊春宝（1964–），男，博士，教授，****************.建筑物在施工过程中因自身荷载重量的不断增加会产生沉降，深基坑的开挖也常导致基坑周边原有建筑物的沉降。

因此，为了确保施工质量和施工安全，建筑物的沉降监测至关重要。

建筑物沉降传统的监测方法是采用精密几何水准测量[1]，此方法虽然技术可靠、精度高，但它是一种非实时连续的、劳动强度很大的人工观测方法。

近年来，借助于计算机和无线通信等技术，建筑工程各种变形的自动监测系统开始得到研制[2][3][4][5]。

本文介绍了一种建筑物沉降实时远程自动监测系统，此系统已经成功应用于天津西站主站楼的整体平移搬迁的施工过程中。

1 系统工作原理1.1 系统的组成如图1所示，本监测系统主要由静力水准器、电磁式位移传感器、巡检仪、计算机、GPRS模块等部分组成。

系统的工作原理为：在建筑物的各沉降监测点处安置静力水准器，各水准器相互之间采用连通管相连，各水准器及连通管内装有含防冻液的纯净水。

因地球重力作用，使得各水准器的液面高度永远保持相同。

当建筑物的某监测点处产生下沉或上升，则此处水准器的液面高度会产生变化（液面上升或下降），同时其它各监测点处水准器的液面也会受此影响随之变化（液面下降或上升）。

各水准器的上部都安装有一个电磁式位移传感器，液面高度的变化值可由传感器精确地探测到，并通过一台与各传感器相连的巡检仪传输给计算机监控中心。

计算机根据各监测点水准器液面高度的变化值，随时计算和分析各监测点之间的相对沉降量。

当相对沉降量超过一定的预警值时，计算机通过GPRS模块采用GSM 无线通信网络向工程负责人员发送信息报警。

下面主要介绍静力水准器沉降测量和电磁式位移传感的基本原理。

图1系统结构Fig. 1 Structure of the system1.2 静力水准测量在建筑物上布设有n个沉降监测点，在建筑物以外布设有一不受沉降影响的固定基准点，各沉降监测点和固定基准点均安置一个用连通管相互连接的静力水准器。

当其中有一监测点发生沉降时，此点的静力水准器液面上升，其它所有点（包括基准点）水准器的液面下降；反之，此点液面下降，其它所有点的液面上升。

假设基准点和n个沉降监测点的静力水准器读数（即液面高度变化量）分别为：R0、R1、R2、…、R n，（液面上升，读数为正；液面下降，读数为负），则各沉降监测点的沉降量分别为S i=R i–R0（i=1,2,…,n）（1）式（1）中，S i为正值表示该点下沉，为负值表示该点上抬。

1.3 电磁式位移传感各沉降监测点的静力水准器的读数（即液面高度变化量）是通过一电磁式位移传感器探测到。

传感器中有两组采用漆包线绕制在环氧玻璃布和不锈钢骨架上的平行线圈，一组为初级线圈，另一组为次级线圈，两组线圈之间有一铁芯。

当供给初级线圈一定频率的交变电压（激励电压）时，次级线圈就产生感应电动势，随着初级线圈与次级线圈之间的铁芯沿平行于线圈轴线方向的来回移动，次级线圈的感应电动势也会随之改变，这样就将铁芯的位移量转化成了次级线圈的电压信号输出，且电压变化值与铁芯位移量成线性关系。

由于实际的铁芯是通过测杆与被测物体（即静力水准器的液面）接触，因此铁芯的位移量也就是水准器的液面高度变化量。

2 工程实例2.1 工程概况天津西站主站楼由德国人于1909年8月设计建造，具有典型的欧式建筑风格。

主站楼为三层的砖木混合结构，其占地面积为930m2，建筑面积为2058m2，主站楼总重量约为5500吨。

按照市政府对天津西站改扩建的总体规划要求，需将主站楼整体向南平移135m，再向东平移40m，最后抬升2.5m。

由于主站楼已经历了一百多年，因此在整体平移搬迁之前，首先对主站楼进行了现状测绘、结构的安全鉴定，之后针对主站楼结构的薄弱部位，对二楼大厅等处采用轻型桁架加固，对拱卷部分进行砖砌封堵。

为了平移搬迁，首先在新址与原址之间建造水平滑动轨道（南北向11组，东西向8组），轨道采用条形混凝土基础，其中跨地铁通道部分采用筏板式基础。

其次对主站楼进行托换施工，采用夹墙梁和抬墙梁等方式将主站楼整体托换至托盘梁系上。

最后进行墙体切割，将主站楼的荷载转换至下滑梁上。

2.2 监测点的布设沉降监测点1静力水准器1电磁位移传感器1巡检仪计算机监控中心无线通信网被测建筑物监测装置沉降监测点2沉降监测点n 静力水准器2静力水准器n电磁位移传感器2电磁位移传感器nGPRS模块主站楼坐北朝南，正立面的中部前凸，呈凸字型，图2所示即为主站楼沉降监测点的平面位置布设示意图，共计布设了17个监测点。

图2监测点布设平面位置图Fig. 2 Layout of the monitor points2.3 无固定基准的静力水准测量由于此次建筑物整体搬迁的距离较远，因此不便于在建筑物以外设置一用连通管与建筑物监测点相连的固定基准点。

与有固定基准相比较，无固定基准的静力水准测量有如下两个特点：（1）建筑物整体竖向均匀升降的不可发现性。

当所有监测点同时下沉或上抬相同的值时，各点静力水准器的水位将无变化量，即不能监测到建筑物整体的均匀下沉或上抬。

但我们同时也知道，建筑物在整体平移搬迁过程中，对建筑物结构造成损害或危险的是建筑物局部两点之间的相对下沉或上抬，而整体竖向均匀升降对建筑物结构无危害性，因此可以忽略建筑物整体竖向均匀升降不可发现的这一缺陷。

（2）各点绝对沉降量解算的非唯一性。

由于不存在可以比照的固定基准点，因此我们首先计算各点静力水准器的平均读数R=（R1＋R2＋…＋R n）/n，（2）如果以平均读数为基准，则各点的沉降量S i=R i–R（i=1,2,…,n）（3）同样，式（3）中，S i为正值表示该点下沉，为负值表示该点上抬。

实际上，无论各监测点的沉降情况如何，各点静力水准器的平均读数永远为R=0，即如果以平均读数为基准，各点的沉降量就是各点静力水准器的读数：S i=R i （i=1,2,…,n）。

我们进一步分析可以发现，由上述式（3）解算所得各点的沉降量并非是唯一的一组解，例如，假设有10个监测点，只有测点1下沉了10mm，其它各点均未动。

这时，由于各水准器是相互连通的，则测点1上的水准器读数应是9mm（液面上升），其它各点水准器读数应是–1mm（液面下降）。

按上述式（2）、式（3）可算得平均读数R=0, 各点的下沉量S1=R1=9mm, S2=S3=…=S n=–1mm。

显然，这组解与实际情况不符。

但我们从解算结果同时也可以进一步算得，各点之间的相对下沉或上抬量与实际情况是完全一致的：例如测点1与其它各点之间的相对下沉量为ΔS1=S1–S i=9–(–1)=10mm, （i=2, 3, …, 10）；除测点1以外，其它各点之间的相对下沉量均为ΔS=0。

由此可知，尽管各监测点沉降量的解不是唯一的，但各点之间的两两相对沉降量的解是唯一的，因而我们可以通过计算各点之间的相对下沉或上抬量来克服这一因无固定基准点而造成的各点绝对沉降量解算不唯一的缺陷。

2.4 监测数据分析图3~图8是主站楼平移搬迁过程中的相对沉降曲线图，其中图3~图5中的三条曲线分别是测点1与11、16与17、5与7之间的相对沉降（南北向），图6~图8中的三条曲线分别是测点1与5、12与6、11与7之间的相对沉降（东西向）。

主站楼平移搬迁时的沉降监测工作从2009年9月19日开始，至11月15日止，历时58天。

其间有一些重要的时间点，这些时间点的施工进度与相应的工况详见表1。