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摘要：研究变形监测设计和观测周期，结合工程实践，探讨变形观测的具体实施步骤，比较变形观测数据的三种平差方式和基准点稳定性分析步骤与实际工程情况进行取舍的方法，计算观测点在不同观测时期的沉降速度，利用沉降变形的折线图显示沉降的过程，最后做出安全评价，旨在研究施工中工程变形监测的过程选择和数据处理技术。
关键词：变形观测；数据处理；安全评价；
引 言
工程变形监测的直接目的之一就是对工程的施工运营状态进行安全监控、评价和预报，对工程建筑物的施工和运营管理极为重要。从20世纪90年代以来，高层建筑变形监测手段的硬件和软件迅速发展，对工程变形监测提出了更高的要求，工程施工中变形观测与数据处理技术研究，成为工程设计和施工质量控制的重要手段，使得变形监测成为保证工程建筑物安全施工是一个十分重课题[1、2、3]。
1变形观测关键技术路线
根据《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007）中二等变形观测的技术要求，使用精密电子水准仪，结合施工现场的实际情况，制定变形观测方案，包括对沉降基点和沉降观测点的布设、观测周期的确定、基准点的检测方法、变形观测数据的平差方法进行选择。通過绘制各个变形观测点的变形折线图，反映各个观测点变化过程，在此基础上，对施工中的建筑物的安全性进行了判断，具体内容如图1-1所示。
2 变形观测算例分析
2.1 工程概况
工程为某商住楼，该工程所处的地段由于二十多年来过量开采地下水，致使地下水位急剧下降。处于符合漏斗范围的地方将存在由孔隙比较大，高压缩土层。因此，工程区较容易引起地面的沉降。
2.2观测仪器及精度要求
工程变形观测仪器要使用精密水准仪，测量精度的确定极其重要，过高的精度要求使测量工作复杂、增加费用和时间，精度定的太低，又会增加变性分析的困难，使变形参数误差大，会得出不正确的结论。制定变形观测的精度取决于变形的大小、速率仪器和方法所能达到的实际精度、观测的目的等。当变形观测是为了确保建筑物的安全，测量精度应小于允许沉降值得1∕10-1∕20[8]。测量精度确定后，测量过程严格按照《建筑变形测量规范（JGJ8—2007）中二等变形观测的技术要求施测获得了可靠地数据。按照测量精度要求，采用了徕卡NDA03精密电子水准仪，配合铟钢条码尺，此时的观测精度可达到0.3mm/km。配合正确的观测方案，就能达到二等变形观测精度要求，施测过程由固定经验人员进行观测和计算。
2.3观测系统的建立
（1）水准基点的选埋
建筑物变形观测的依据是埋设在建筑物附近的高程控制基准点，因此，点位必须坚固稳定，对点的埋设要求也高。水准基点要求布设在建筑物沉降区、施工机器震动区及开挖区的范围以外，水准基点与邻近建筑物的距离应大于建筑物基础深度的1.5～2.0倍。至少布设三个水准基点，三个水准基点构成闭合检校，并保证在施工现场内任何地方架设仪器至少后视到两个基准点同时水准基点离开观测点不应大于100m。变形观测水准基点可根据地质条件不同，选择深埋式或浅埋式[9]，图2-1为三个水准基点点位分布。
（2）变形观测点布设
变形观测点是固定在观测建筑物上的标识，选用直径为20mm的螺纹钢，用冲击钻在建筑物墙上打眼固定在建筑物墙体上。按照《建筑物变形测量规范》（JGJ8-2007）要求，变形观测点的数量和位置应能全面反映建筑物的变形情况[10]。点位选设如图2-2在下列位置。
2.4观测周期的确立
变形观测周期包括变形观测网的观测周期和基准网检验周期。施工阶段的观测随施工进度及时进行。观测次数与时间应视地基与加荷情况而定。施工过程中如暂时停工，在停工时及重新开工时应各观测一次。停工期间，可每隔2～3月观测一次。封顶至竣工阶段观测，封顶至竣工阶段每月观测一次。在观测过程中，如有基础附近地面荷载突然增减、基础四周大量积水、长时间连续降雨等情况，均应及时增加观测次数。当建筑物突然发生大量沉降、不均匀沉降或严重缝裂时，应立即进行逐日或几天一次的连续观测[11]。
本次沉降变形监测共进行了十次，楼层数共有22层。故基本事按照楼层数每增加2层观测一次的规律进行的。表2-1是十次沉降观测具体施测时间和该楼房的层数。
沉降基准点稳定性检查的首次观测与沉降观测时间相同，最后一次复测在所有沉降观测任务完成的时间。且要求基准网的检测测量均匀分布整个沉降观测过程，视情况可以增加观测次数，从而反映整个沉降测量过程中基准点的稳定状态。
2.5进行沉降观测
本次观测选用的仪器为徕卡NDA03精密水准仪，配合铟钢条码尺观测精度可以到达0.3mm/km，沉降观测的观测路线是由沉降基点和沉降观测点组成闭合路线，必须采用往返测两次观测，且两次观测都应为偶数站。在两次所测得的沉降点的高程值差值满足1mm以内后，取两次测量高程值的平均值作为最后的沉降点高程，闭合差小于允许值得一半。图2-3为本次沉降观测路线图，测量从J1开始并闭合到J1。在每次的沉降测量中都在尽量采用本路线，取往测与返测的平均值作为最后的高程值。
《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007）二级水准测量的要求，视线长度小于或等于50m，前后视距累计差小于或等于3m，视线高度大于或等于0.3m，基辅分划所测高差之差小于或等于0.7mm，往返差及附合差或闭合差小于或等于1.0，单程双侧站所测高差较差小于或等于0.7，检测已测段高差之差1.5。其中n为测站的个数[12]。
3 沉降数据处理
3.1水准网的平差
在经典平差中采用选择固定基准的方法来确定参考系，不同的参考系给出网点不同的位移值。由经典平差所求得的网点位移值是相对于假定的固定点的变化量。由自由网平差计算所求得的网点位移是相对于网的重心的变化值。由拟稳平差所求得的网点变形则是相对于拟稳点的重心而言的。当网中存在固定点时，采用这些固定点作为基准应用经典平差可以得到满意的效果。当网中某些点具有相对的稳定性，在相互变动是随机的情况下，用拟稳平差对成果进行分析效果最好。当监测网中所有网点具有微小的随机变动时，自由网平差对这种变形情况是一种有效的分析方法[13]。 本次沉降监测采用的是经典平差的方法，使用的是徕卡水准网平差程序，把沉降基点J1的高程值视为真值，设起算点J1的起算高程为10.0m，闭合点J1高程为10.0m。把每次的觀测数据输入到软件中，对闭合环进行平差处理。以第十次观测数据为闭合环，J1-J2-1-J3-A6-A7-A8-A9-A10- 2-A5-3-A4-A3-A2-4-J1，把各点高程值输入软件中计算得到平差结果如表3-1所示。
本次闭合环闭合差为-0.021mm，符合限差要求。表3-2为同样的方法计算得到的十次观测中各点平差后的高程值。
3.2基准点稳定性检验
虽然沉降基准点往往布设在远离变形体的稳定地层或基岩上，但是参考点也可能因为某些因素而发生移动。在变形观测过程中为了能够发现不稳定的参考点，通常布设多个参考点，且构成一个参考网。通过定期对但考完的复测来检查参考点是否稳定，并将不稳定的参考点剔除[14]。如图2-2所示，通过比较基准点与检测点的相对标高H1和测标高H2的差值是否在允许值之内来判断基准点的稳定性，基准点1号高程：10.0m。表3-3是三次复测基准点稳定性监测成果。
3.3累计沉降量的计算
水准网平差处理后，根据计算出的各个基准点高程和沉降点相对于相应基准点的高差，计算出各沉降点的高程。各个沉降点前后两次的高程之差即为这周期的沉降量。各期沉降量的和为沉降点的累计沉降量[15]。经计算各点沉降量及累计沉降量统计如表3-4：
3.4 变形观测变形曲线
在沉降数据的处理上，一般采用变形折线图来反映变形观测点的变形大小和速度。在绘图时，根据经验和沉降趋势判断，剔除存在观测误差的点[16]。表3-5为10次观测过程中各个变形观测点随时间累计沉降量的变化表。
由表3-5中数据可得到1号楼的整个检测过程中沉降变形的折线图。由于本次监测时间跨度大，且每次观测相隔时间差别很大，为了便于清楚表现每次沉降观测各个观测点的变形情况，以观测次数为横轴，单位为次，沉降量为数轴，单位为mm，各个沉降点用不同颜色的曲线表示，并把每次观测的距离第一次观测时长标注在图上。通过该图该不但可以明显看出来各个观测点随观测次数的沉降大小和沉降趋势，对于同一次观测，还能比较出不同观测点变形大小。图3-1各个观测点总体呈缓和下降趋势，符合沉降观测的客观规律。
3.5 工程安全评价
该商住楼已沉降观测十次，现将观测几个主要观测数据计算如下：
（1）平均沉降量为-6.41mm，最大沉降量（A2）为-9.77mm，最小沉降量（A9）为-1.35mm。
（2）观测点相对倾斜值按下式计算：a=（Si-Sj）/L
式中：Si为基础倾斜方向端点i的沉降量（mm）；
Sj为基础倾斜方向端点j的沉降量（mm）；
L为基础两端点（i，j）间的距离（mm）。
观测点最大相对倾斜值（A1-A2）为0.00031，观测点最小相对倾斜值（A4-A5）为0.000040909。
（3）差异沉降最大允许值按下式计算：
M最大=2/1000×L ， L-两相邻沉降点的最小间距。
M最大=2/1000×10.0m
=20.0mm
观测结果最大差异沉降量点A2与A3，值为5.58mm﹤20.0mm，在允许沉降范围之内。根据对观测数据的分析、比较，认为本建筑物在观测期间沉降量较小。
4 结论
工程施工监测中采用了精密水准测量仪器，由专门人员严格按照《建筑变形测量规范》（JGJ8—2007）中二等变形观测的技术要求施测。通过对测量数据的处理，最终获得了某工程施工过程中各个变形观测点的变形折线图和沉降速度，客观的描述了变形观测点在不同施工阶段的沉降变形情况。通过计算得到施工中的平均沉降量、最大沉降量、最小沉降量、观测点最大相对倾斜值和最小相对倾斜值以及最大差异沉降量，比较其与允许值的大小，最终判断该工程为安全工程。
参考文献
[1] J719-2007，《建筑变形测量规范》[S].
[2]金其冲，郭新成，邵颖浩.西安民生大楼一期工程沉降监测与分析[J].测绘工程，1995，4（1）：57-61.
[3]蒋建，路倬，高广运等.建筑地基沉降预测的Usher-Spillman组合模型研究[D].北京工业大学学报，2011，37（4）：507-514.
[4]吕喜明，李明远.最小二乘曲线拟合的MATLAB实现[J].内蒙古民族大学学报（自然科学版），2009，24（2）：125-127.
[5]吴清海.1st0pt在沉降预测中的应用研究[J].测绘科学，2009，34（4）：34-35.
[6]巨正平，郭广礼，张书毕等.最佳曲线拟合[J].江西科学，2009，27（1）：25-27.
[7]吴清海.地面沉降预测方法的探讨[D].测绘通报，2009，2：46-4.
[8]袁德宝. GPS变形监测数据的小波分析与应用研究.中国矿业大学（北京）：出版者，2009.
[9]杨东升.建筑物变形观测的意义[J].施工技术，2010，39：513-514.
[10]陈世梅.建筑变形监测技术探讨[J].科技资讯，2011，20：79-80.
[11]邹昆.高层建筑变形监测方案设计及监测方法研究[J].建筑科学，2010，18：83-84.
[12]马华宇，翟银凤.地铁变形监测方案设计与变形分析[J].河南建材，2011.
[13]GB50026-2007，《工程测量规范》[S].
[14]吴子安.工程建筑物变形观测数据处理.北京：测绘出版社，1989，
[15]陈永奇，吴子安，吴中如.变形监测分析与预报.北京：测绘出版社，1998.
[16]李青岳，陈永奇.工程测量学.北京：测绘出版社，1995.
关键词：变形观测；数据处理；安全评价；
引 言
工程变形监测的直接目的之一就是对工程的施工运营状态进行安全监控、评价和预报，对工程建筑物的施工和运营管理极为重要。从20世纪90年代以来，高层建筑变形监测手段的硬件和软件迅速发展，对工程变形监测提出了更高的要求，工程施工中变形观测与数据处理技术研究，成为工程设计和施工质量控制的重要手段，使得变形监测成为保证工程建筑物安全施工是一个十分重课题[1、2、3]。
1变形观测关键技术路线
根据《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007）中二等变形观测的技术要求，使用精密电子水准仪，结合施工现场的实际情况，制定变形观测方案，包括对沉降基点和沉降观测点的布设、观测周期的确定、基准点的检测方法、变形观测数据的平差方法进行选择。通過绘制各个变形观测点的变形折线图，反映各个观测点变化过程，在此基础上，对施工中的建筑物的安全性进行了判断，具体内容如图1-1所示。
2 变形观测算例分析
2.1 工程概况
工程为某商住楼，该工程所处的地段由于二十多年来过量开采地下水，致使地下水位急剧下降。处于符合漏斗范围的地方将存在由孔隙比较大，高压缩土层。因此，工程区较容易引起地面的沉降。
2.2观测仪器及精度要求
工程变形观测仪器要使用精密水准仪，测量精度的确定极其重要，过高的精度要求使测量工作复杂、增加费用和时间，精度定的太低，又会增加变性分析的困难，使变形参数误差大，会得出不正确的结论。制定变形观测的精度取决于变形的大小、速率仪器和方法所能达到的实际精度、观测的目的等。当变形观测是为了确保建筑物的安全，测量精度应小于允许沉降值得1∕10-1∕20[8]。测量精度确定后，测量过程严格按照《建筑变形测量规范（JGJ8—2007）中二等变形观测的技术要求施测获得了可靠地数据。按照测量精度要求，采用了徕卡NDA03精密电子水准仪，配合铟钢条码尺，此时的观测精度可达到0.3mm/km。配合正确的观测方案，就能达到二等变形观测精度要求，施测过程由固定经验人员进行观测和计算。
2.3观测系统的建立
（1）水准基点的选埋
建筑物变形观测的依据是埋设在建筑物附近的高程控制基准点，因此，点位必须坚固稳定，对点的埋设要求也高。水准基点要求布设在建筑物沉降区、施工机器震动区及开挖区的范围以外，水准基点与邻近建筑物的距离应大于建筑物基础深度的1.5～2.0倍。至少布设三个水准基点，三个水准基点构成闭合检校，并保证在施工现场内任何地方架设仪器至少后视到两个基准点同时水准基点离开观测点不应大于100m。变形观测水准基点可根据地质条件不同，选择深埋式或浅埋式[9]，图2-1为三个水准基点点位分布。
（2）变形观测点布设
变形观测点是固定在观测建筑物上的标识，选用直径为20mm的螺纹钢，用冲击钻在建筑物墙上打眼固定在建筑物墙体上。按照《建筑物变形测量规范》（JGJ8-2007）要求，变形观测点的数量和位置应能全面反映建筑物的变形情况[10]。点位选设如图2-2在下列位置。
2.4观测周期的确立
变形观测周期包括变形观测网的观测周期和基准网检验周期。施工阶段的观测随施工进度及时进行。观测次数与时间应视地基与加荷情况而定。施工过程中如暂时停工，在停工时及重新开工时应各观测一次。停工期间，可每隔2～3月观测一次。封顶至竣工阶段观测，封顶至竣工阶段每月观测一次。在观测过程中，如有基础附近地面荷载突然增减、基础四周大量积水、长时间连续降雨等情况，均应及时增加观测次数。当建筑物突然发生大量沉降、不均匀沉降或严重缝裂时，应立即进行逐日或几天一次的连续观测[11]。
本次沉降变形监测共进行了十次，楼层数共有22层。故基本事按照楼层数每增加2层观测一次的规律进行的。表2-1是十次沉降观测具体施测时间和该楼房的层数。
沉降基准点稳定性检查的首次观测与沉降观测时间相同，最后一次复测在所有沉降观测任务完成的时间。且要求基准网的检测测量均匀分布整个沉降观测过程，视情况可以增加观测次数，从而反映整个沉降测量过程中基准点的稳定状态。
2.5进行沉降观测
本次观测选用的仪器为徕卡NDA03精密水准仪，配合铟钢条码尺观测精度可以到达0.3mm/km，沉降观测的观测路线是由沉降基点和沉降观测点组成闭合路线，必须采用往返测两次观测，且两次观测都应为偶数站。在两次所测得的沉降点的高程值差值满足1mm以内后，取两次测量高程值的平均值作为最后的沉降点高程，闭合差小于允许值得一半。图2-3为本次沉降观测路线图，测量从J1开始并闭合到J1。在每次的沉降测量中都在尽量采用本路线，取往测与返测的平均值作为最后的高程值。
《建筑变形测量规范》（JGJ8-2007）二级水准测量的要求，视线长度小于或等于50m，前后视距累计差小于或等于3m，视线高度大于或等于0.3m，基辅分划所测高差之差小于或等于0.7mm，往返差及附合差或闭合差小于或等于1.0，单程双侧站所测高差较差小于或等于0.7，检测已测段高差之差1.5。其中n为测站的个数[12]。
3 沉降数据处理
3.1水准网的平差
在经典平差中采用选择固定基准的方法来确定参考系，不同的参考系给出网点不同的位移值。由经典平差所求得的网点位移值是相对于假定的固定点的变化量。由自由网平差计算所求得的网点位移是相对于网的重心的变化值。由拟稳平差所求得的网点变形则是相对于拟稳点的重心而言的。当网中存在固定点时，采用这些固定点作为基准应用经典平差可以得到满意的效果。当网中某些点具有相对的稳定性，在相互变动是随机的情况下，用拟稳平差对成果进行分析效果最好。当监测网中所有网点具有微小的随机变动时，自由网平差对这种变形情况是一种有效的分析方法[13]。 本次沉降监测采用的是经典平差的方法，使用的是徕卡水准网平差程序，把沉降基点J1的高程值视为真值，设起算点J1的起算高程为10.0m，闭合点J1高程为10.0m。把每次的觀测数据输入到软件中，对闭合环进行平差处理。以第十次观测数据为闭合环，J1-J2-1-J3-A6-A7-A8-A9-A10- 2-A5-3-A4-A3-A2-4-J1，把各点高程值输入软件中计算得到平差结果如表3-1所示。
本次闭合环闭合差为-0.021mm，符合限差要求。表3-2为同样的方法计算得到的十次观测中各点平差后的高程值。
3.2基准点稳定性检验
虽然沉降基准点往往布设在远离变形体的稳定地层或基岩上，但是参考点也可能因为某些因素而发生移动。在变形观测过程中为了能够发现不稳定的参考点，通常布设多个参考点，且构成一个参考网。通过定期对但考完的复测来检查参考点是否稳定，并将不稳定的参考点剔除[14]。如图2-2所示，通过比较基准点与检测点的相对标高H1和测标高H2的差值是否在允许值之内来判断基准点的稳定性，基准点1号高程：10.0m。表3-3是三次复测基准点稳定性监测成果。
3.3累计沉降量的计算
水准网平差处理后，根据计算出的各个基准点高程和沉降点相对于相应基准点的高差，计算出各沉降点的高程。各个沉降点前后两次的高程之差即为这周期的沉降量。各期沉降量的和为沉降点的累计沉降量[15]。经计算各点沉降量及累计沉降量统计如表3-4：
3.4 变形观测变形曲线
在沉降数据的处理上，一般采用变形折线图来反映变形观测点的变形大小和速度。在绘图时，根据经验和沉降趋势判断，剔除存在观测误差的点[16]。表3-5为10次观测过程中各个变形观测点随时间累计沉降量的变化表。
由表3-5中数据可得到1号楼的整个检测过程中沉降变形的折线图。由于本次监测时间跨度大，且每次观测相隔时间差别很大，为了便于清楚表现每次沉降观测各个观测点的变形情况，以观测次数为横轴，单位为次，沉降量为数轴，单位为mm，各个沉降点用不同颜色的曲线表示，并把每次观测的距离第一次观测时长标注在图上。通过该图该不但可以明显看出来各个观测点随观测次数的沉降大小和沉降趋势，对于同一次观测，还能比较出不同观测点变形大小。图3-1各个观测点总体呈缓和下降趋势，符合沉降观测的客观规律。
3.5 工程安全评价
该商住楼已沉降观测十次，现将观测几个主要观测数据计算如下：
（1）平均沉降量为-6.41mm，最大沉降量（A2）为-9.77mm，最小沉降量（A9）为-1.35mm。
（2）观测点相对倾斜值按下式计算：a=（Si-Sj）/L
式中：Si为基础倾斜方向端点i的沉降量（mm）；
Sj为基础倾斜方向端点j的沉降量（mm）；
L为基础两端点（i，j）间的距离（mm）。
观测点最大相对倾斜值（A1-A2）为0.00031，观测点最小相对倾斜值（A4-A5）为0.000040909。
（3）差异沉降最大允许值按下式计算：
M最大=2/1000×L ， L-两相邻沉降点的最小间距。
M最大=2/1000×10.0m
=20.0mm
观测结果最大差异沉降量点A2与A3，值为5.58mm﹤20.0mm，在允许沉降范围之内。根据对观测数据的分析、比较，认为本建筑物在观测期间沉降量较小。
4 结论
工程施工监测中采用了精密水准测量仪器，由专门人员严格按照《建筑变形测量规范》（JGJ8—2007）中二等变形观测的技术要求施测。通过对测量数据的处理，最终获得了某工程施工过程中各个变形观测点的变形折线图和沉降速度，客观的描述了变形观测点在不同施工阶段的沉降变形情况。通过计算得到施工中的平均沉降量、最大沉降量、最小沉降量、观测点最大相对倾斜值和最小相对倾斜值以及最大差异沉降量，比较其与允许值的大小，最终判断该工程为安全工程。
参考文献
[1] J719-2007，《建筑变形测量规范》[S].
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[4]吕喜明，李明远.最小二乘曲线拟合的MATLAB实现[J].内蒙古民族大学学报（自然科学版），2009，24（2）：125-127.
[5]吴清海.1st0pt在沉降预测中的应用研究[J].测绘科学，2009，34（4）：34-35.
[6]巨正平，郭广礼，张书毕等.最佳曲线拟合[J].江西科学，2009，27（1）：25-27.
[7]吴清海.地面沉降预测方法的探讨[D].测绘通报，2009，2：46-4.
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[11]邹昆.高层建筑变形监测方案设计及监测方法研究[J].建筑科学，2010，18：83-84.
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[15]陈永奇，吴子安，吴中如.变形监测分析与预报.北京：测绘出版社，1998.
[16]李青岳，陈永奇.工程测量学.北京：测绘出版社，1995.