新型变形监测装置的研制

胡建平，钮建定，虞祖培

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 201612）

新型变形监测装置的研制

胡建平，钮建定，虞祖培

（中交第三航务工程勘察设计院有限公司，上海 201612）

建筑物施工过程中需要通过变形监测获取观测数据，由于施工或运营的缘故，往往没有条件浇筑强制归心观测墩，而用传统测量来架设测量觇标，则人为及外界环境等因素容易使监测数据产生较大误差。介绍一种新型变形监测装置，提高了变形监测的精度，可对建筑物进行安全评估，解决了这一长期困扰工程监测领域的难题。

觇标；变形监测；隐蔽式；升降式

0 引言

建筑物变形监测是为了观测工程结构物及设施等点位移动状态而进行多次、重复的测量工作，其关键在于获取变形敏感部位在各观测周期的变化信息。建筑物的变形监测主要分为以下三类[1-2]：

1）工业与民用建筑物：主要包括基础沉降与建筑物的变形监测。基础监测涉及基础均匀沉降与不均匀沉降；建筑物变形监测主要包括倾斜、裂缝等。

2）地下工程：主要包括隧道、深基坑等。其中隧道除了本身变形进行监测外，还要对开挖引起的地面沉降、地面建筑变形进行监测；深基坑施工监测还应包括周边环境、基坑围护状态等监测。

3） 水工建筑：主要为桥梁、码头、大坝等，重点是监测位移、伸缩缝隙的变化状况等。

1 目前监测状况

纵观国内外近10 a监测技术的发展，建筑物变形监测采用点、线、面立体交叉的测量机器人、摄影测量、GPS 测量、三维激光扫描等技术得到了飞速进步，但也受到了监测成本及精度所限制，以致传统的测量仍然是高精度变形监测信息获取的主要手段[3-4]。传统的工作方式[5]：

1） 在监测点，将测量觇标放在三脚架上，通过测量人员的整平、对中等操作，使觇标的中心与监测点十字线保持在同一铅垂线上。

2） 在基准点上，经整平、对中后，仪器直接对监测点进行周期性沉降、位移监测。

由于在整平、对中等人工操作过程中，测量人员的视差、操作技能、三角架的不稳定性等因素均会产生各类误差，从而影响到变形监测的精度。一般而言，位移观测基准点设在后方安全区内，有条件设立强制归心的观测墩，而监测点往往需设在建筑物的边缘，如码头角、码头分段处、大坝边上等，由于施工或运营的缘故，在这些地方经常无法设置强制归心的观测墩。变形观测的位移量是以毫米计的，觇标的整平、对中误差等环节均存在影响变形监测精度的因素，这个问题始终困扰着测量技术人员，由此引发研发一种既不影响码头施工或运营，又能提高监测精度，且降低监测成本的装置。

2 隐蔽式觇标装置设计

独创一种隐蔽式觇标设计及制造技术，用于各类建筑物、码头、桥梁、公路等工程沉降、倾斜、变形等监测，产品设计精度达到国际《建筑变形测量规范》一级或以上基准要求。

2.1 设计方案及实施

1） 设计一个测量觇标芯，预先埋设在监测点，旋上觇标帽，成为隐式，达到测量规范“固定永久式觇标”的效果；

2） 选用奥氏体不锈钢制造强制归心测量觇标，基体以立方晶体结构的奥氏体组织为主，无磁性，标杆要求同心；

3） 根据国家 JGJ 8—2007《 建筑变形测量规范 》第四章 4.3.2-4.3.5 对中误差精度标准，变形控制基准点一级（或特级 ）误差≤±0.1mm，标杆的加工精度必须满足此要求。

设计的隐蔽式觇标有三部分组成（如图1所示），标芯（永久埋设在地表中）；标芯帽；标杆（长度规格为 30 cm、50 cm、80 cm 等系列）。

图1 各部件示意图Fig.1 All the partsdiagram

觇标部件全部采用不锈钢 316 牌号制作，它由标芯、标芯帽、标杆及观测觇标（购置测量仪器时的配套产品）所组成。

标芯的外型尺寸凸肩厚度为 2.5mm，外径 φ为25mm，中间 φ 为 18mm，长度为 22.5mm。下端外径 φ 为 18mm，长度是 30mm，倒角 2mm，内螺纹为 M12，有效深度 18mm，总深度 20mm。

标芯帽采用内六角螺钉替代，材质是不锈钢316 牌号。标杆上端为快速接头，外径 φ 为 12 mm，中间标杆（如图 1 标杆 101 所示）外径 φ 为22mm，下端采用 M12 内螺纹接口。快速接头凹槽中心是以标杆上端为基准点向上 30mm，凹槽内径 φ 为 9.6mm，快速接头上端为 2mm 的倒角，快速接头长度为 40mm，。

标杆外径 φ 为 22mm，长度可视实际需要而定，一般在 300~800mm 之间，倒角为 2mm。螺纹接口为 M12，长度是 16mm。快速接头同螺纹接口保持同心，同心度控制在≤±0.1 mm 之内。表面粗糙度允许误差为 3.2 µm，采用顶针一刀落工艺来保证同心度的要求。标杆顶部设计了一个通用标准公接口，用来安装各类测量仪器设备，形成的系列产品如图2所示。

图2 装配示意图Fig.2 Assemb ly diagram

2.2 同类产品比较

目前国内外存在两款与本产品相对比较类似的专利技术。2008 年申报的“标点引伸式强制定位测量觇标”（中国 CN201110763）实用专利： 在被测标点上安装标点引伸式强制定位测量觇标，通过标杆把地面观测点引伸到椎体椎尖上，反复调整该装置上水平和垂直气泡，使椎尖与地面观测点同心定位。因存在中间环节较多，又宜受外界因素、操作熟练程度影响，且属间接引测，故监测精度难以满足高等级精度要求。另外，该装置4个调节支腿需安置在地面上，无法安置在建筑物、码头边上；整平对中要进行多次，因人而异，难以保证每次同心。国外 2001 年申请的“Preciseaim sighting target”（ 美国 US6213470 ）实用专利：觇标上设定X刻度，白底黑字，便于远距离观察，该项专利专用于武器（军事）定位和枪炮准心瞄准。由于用途和功能不同，无可比性。

由于技术方案独特，采用强制归心结合隐蔽式设计，在国内外相关文献中，未见报道，具有创新性。经文献对比分析后认定，该产品优于国内外现有同类产品，成果达到国际先进水平[6]。

2.3 应用效果

发明一种隐蔽式强制归心测量觇标[7]，标芯预先埋设在需监测的建筑物上，并强制归心，作为长期的监测基点，取代了浇筑强制归心装置的混凝土墩。由于标芯及标芯帽嵌入在地平表面，处于隐蔽式状态，它对建筑物施工及运营没有任何影响。隐蔽式觇标无需安装三脚架，避免了仪器整平、对中等误差。以标芯帽顶端为监测基点，用于沉降观测；卸下标芯帽，旋上上部为快速接头的专用标杆，安装觇标后可直接用于位移监测，便可无人值守。该产品低成本、高精度，安装快速简便，产品能反复循环使用，从根本上改变了传统的工作模式。

该装置已在上海国际航运中心洋山深水港、上海液化天然气LNG 工程监测等国家大、中型工程中应用，取得良好的效果（如图 3、图 4 所示）。

图3 上海国际航运中心洋山深水港区工程Fig.3 Yangshan deepwater harbor projectof Shanghai international shipping center

图4 上海液化天然气LNG工程Fig.4 LNG project of Shanghai

3 升降式觇标设计

在实际应用中，我们发现监测点与观测点之间有时存在堆积物或障碍物遮挡，影响了监测工作的正常进行。平面设计的标芯帽与地平平行带来隐式的优点，也伴随着作为平面标芯帽沉降监测基点的弱点，当标尺前、后视转向时，难以保证原点位置，从而影响沉降监测精度。由此启发我们设计一种升降式标杆、圆弧式标芯帽的设想。

3.1 升降式标杆设计

升降式标杆外杆、内杆的材质均为铝合金。标杆由空心硬质材料（铝质）制成，材料轻，整个装置安装快速简便，携带方便。而且整个装置能反复循环使用，符合环保理念。外杆相对于内杆作上下运动，外杆的下端上固定有夹紧环，该夹紧环露出外杆的一端设外螺纹，且该外螺纹沿圆周方向上开有多条收缩槽（如图5所示），夹紧环外还套有夹紧螺母，收缩槽于夹紧环中心轴对称，夹紧螺母的内螺纹孔的形状为锥形，且该夹紧螺母与夹紧环螺纹连接，将夹紧螺母旋上（如图6所示），螺纹间产生压紧力使夹紧环朝中心收缩，抱紧内杆，由此实现外、内杆的固定，使整个升降式装置形成一体。

图5 标杆夹紧装置Fig.5 Pole clam ping device

图6 标杆旋入示意图Fig.6 Sketchmap ofpole screw-in

内杆的下端上固定接头—带有多条收缩槽与丝口，外杆上端与觇标连接，标芯帽的端面为平面（ 如图 7（a）），该平面上设有凹槽，凹槽设计成特殊规格，通过专用工具旋入，起到知识产权保护作用。非工作状态时，标芯帽旋入标芯，对标芯起到保护作用，并阻止垃圾及杂物侵入。另外由于设计了球式标芯帽（ 如图 7（b）），球顶圆弧触点小，可用作于沉降观测中的监测点。

加工中主要关键技术及特点：采用高精度机床加工升降杆，升降杆内外壁之间间距控制是确保升降杆同心的关键。为了保证和提高加工精度，采用减小、补偿、转移、均分原始误差等法，以及“就地加工”法（也称自身加工修配法），就可很方便地解决看起来非常困难的精度问题。就地加工法在机械零件加工中常用来作为保证零件加工精度的有效措施。

升降式测量觇标[8]，克服了视线遮挡的影响，可用于各类建筑物的变形监测。观测高度能根据需求确定，效果好，结构稳定。而且低成本、精度高、重量轻、携带方便，保证了变形监测任务得以进行。

3.2 圆弧形标芯帽

对平面标芯帽设计成球式标芯帽（如图 7（b）所示），球顶圆弧触点小，用于沉降观测中的监测点，标尺前、后视转向时，均能确保沉降监测读数的准确。非工作状态时，旋出球式标芯帽，换上平端标芯帽 （如图 7 （a） 所示） 旋入标芯，对标芯起到保护作用，并阻止垃圾及杂物侵入。

升降式测量觇标，解决了视线遮挡的影响，可用于各类建筑物的变形监测。监测的高度能根据需要调整，效果好、重量轻、携带方便，保证了变形监测任务得以顺利进行（如图8所示）。但升降式标杆加工精度难以控制，产品验收时应特别关注。

图7 平、弧形标芯帽Fig.7 Flatand curved corecaps

图8 升降式觇标结构剖面图Fig.8 Constructureof elevation target

4 结语

《建筑变形测量规范》规定的变形控制基准点一级（或特级）误差≤±0.1mm，需要浇筑强制归心的混凝土墩等。本文创新设计的系列新型变形观测装置，从根本上改变了传统的工作模式。这些技术的开发研究依托洋山深水港等工程，在工程实践中形成产品，产品的技术性能得到了全面的应用、检验和完善，形成了一套较完整、可操作、低成本、高效益的系列监测产品，具有广阔的应用市场和推广前景。

[1]何秀凤.变形监测新方法及其应用[M]. 北京：科学出版社，2007. HE Xiu-feng.New method of deformation monitoring and its application[M].Beijing：Science Press，2007.

[2]陈永奇.变形观测数据处理[M].北京：测绘出版社，1988. CHEN Yong-qi.Deformation observation data processing[M].Beijing：Surveying and Mapping Press，1988.

[3]黄声享，尹晖，蒋征.变形监测数据处理[M].武汉：武汉大学出版社，2003. HUANG Sheng-xiang，YIN Hui，JIANG Zheng.Data processing of deformationmonitoring[M].Wuhan：Wuhan University Press，2003.

[4]吴 子 安. 工 程 建 筑 物 变 形 监 测 数 据 处 理[M].北京：测绘 出 版社，1989. WU Zi-an.Data processing of deformation monitoring for engineeringbuildings[M].Beijing：Surveyingand Mapping Press，1989.

[5]刘考裔，T2 经纬仪在京南大坝的应用[J].水利电力机械，2007，29（8）：95-96. LIUKao-yi.Application of T2 theodolite in Jingnan Dam[J].Water Conservancy&Electric PowerMachinery，2007，29（8）：95-96.

[6]朱文韵.隐蔽式强制归心测量觇标查新报告[R].上海：上海科学技术情报研究所，2009. ZHUWen-yun.Novelty search reportof sheltered compulsive site survey target[R].Shanghai：Shanghai Institute for Scientific and technology Information，2009.

[7]钮建定，虞祖培，胡建平，等.隐蔽式强制归心测量觇标：中国，ZL200920073912.6[P].2009-05-19. NIU Jian-ding，YU Zu-pei，HU Jian-ping，et al.Sheltered compulsivesitesurvey target：China，ZL200920073912.6[P].2009-05-19.

[8]钮建定，胡建平，虞祖培，等.升降式变形观测装置：中国，ZL201120146950.7[P].2011-05-11. NIU Jian-ding，HU Jian-ping，YU Zu-pei，etal.Elevation deformation observation device：China，ZL201120146950.7[P].2011-05-11.

Development of a new deformation observation device

HU Jian-ping，NIU Jian-ding，YU Zu-pei
（CCCCThird HarborConsultantsCo.，Ltd.，Shanghai201612，China）

Passing the building deformationmonitor has been gained observer data，because of constructing or operation reason，no condition built observation pier of forced centering； using the traditional plattingmounted survey maker，factors of manual operation and external environmentcan cause data of inaccuracy，this paper introduces a new deformation observation device now，which raised the precision of a deformation observation and canmake the security assessment for buildings，have resolved a problem ofa long-term besetment in theengineeringmonitor field.

surveymaker；deformationmonitor；hidden；rising-falling

TU415

A

1003-3688（2014）01-0066-04

10.7640/zggw js201401013

2013-05-21

胡建平 （1956 — ），男，江苏溧阳人，教授级高级工程师，主要从事港口工程勘察技术开发与管理。E-mail：hu_jp2004@163. com