0 引言

　　在建筑物整体移位、增层改造、地铁隧道穿越既有建筑等工程施工过程中，沉降监测是必不可少的技术环节，监测结果为工程竣工验收提供依据，是保证工程质量、减少周边建筑物损坏的重要手段^[1]。当发生过大沉降后，沉降调控十分必要。目前，智慧施工成为工程建设领域重要的发展方向，其中，沉降自动监测与调控为智慧施工的重要组成部分^[2]。市场上已出现多种电子数据采集沉降设备^[3]，在建筑物移位与顶升改造工程领域，应用PLC系统进行沉降自动调控技术日趋成熟^[4]。然而，对于地铁穿越既有桩基工程，沉降控制多采用被动方式，不可避免地造成被穿越工程结构出现新增沉降^[5,6,7,8]，从而产生附加应力，降低结构可靠度。主动托换技术与被动托换技术相比，具有显著降低沉降的优点，近年来逐渐应用于地铁隧道工程中^[9,10]，将沉降监测数据输入PLC系统可进行沉降复位。

　　结合广州市地铁13号线穿越鱼珠煤场站A7楼桩基主动托换工程，研发集成静力水准沉降监测与PLC位移控制技术的沉降自动监测与调控系统，可实现沉降数据即时采集、预警判别、超限判别与调控自动启动功能。为避免不可控的工程风险，实际工程应用前，通过全面功能测试，准确掌握该系统沉降差测试精度、数据传输效率及反馈指令响应周期，及时发现问题并改进。由于实际工程中沉降发生位置难以精确判定，沉降速率较小，现场测试无法达到预期效果，因此研发4点沉降自动监测与调控室内模拟试验装置，并进行试验研究。

　　1 沉降自动监测与调控系统的组成

　　沉降自动监测与调控系统由沉降监测与数据自动采集系统、沉降数据分析转换与传输系统、沉降自动调控系统组成，沉降监测与数据自动采集目前已有成熟技术，在既有建筑托换保护与改造工程中，沉降控制点数量较多，室内测点往往受墙体、室内物品阻挡，难以使用常规光学沉降测试仪器(水准仪、经纬仪、全站仪等)^[3]，因此选用自动静力水准监测系统。沉降数据分析转换与传输系统是实现沉降自动监测与调控的关键，应能分析沉降监测数据，自动判别沉降超限，且能自动生成沉降调控目标值，并将该目标值传至沉降自动调控系统。沉降自动调控系统选用PLC位移自动调控系统，由于静力水准仪采集数据传输格式与PLC系统数据传输格式不同^[11]，为实现数据的自动传输，设置1台上位机，将静力水准仪数据传至上位机，进行沉降、沉降差计算与格式转换后，由PLC系统调用，作为自动调控的目标位移量。

　　2 试验装置功能目标

　　为保证试验装置具有普遍适用性，通过分析不同工程沉降特点，有针对性地提出以下功能目标。

　　1)应便于静力水准仪的安装。

　　2)对于既有建筑改造工程，特别是托换工程，上部结构与地基间存在相对位移，因此，应分别模拟上部结构位移与地基沉降。

　　3)实际工程中，结构构件在沉降与调控复位过程中均处于受压非空载状态，因此，应具有加压功能，且应使压力在沉降与调控复位过程是变化的。

　　4)能实现对沉降变化的高精度连续性操作。

　　5)操作简便。

　　3 加载架设计

　　加载架由固定支架、柱沉降模拟体系和基础沉降模拟体系、沉降监测仪器组成。固定支架采用长方体钢框架，梁、柱焊接，下部设支撑底座。上、下部方管梁分别作为柱轴力加载端和调控反力平台。柱沉降模拟体系使用沉降调控螺栓结合大刚度弹簧模拟，既能方便预设数毫米沉降，又能实现柱不空载。调控千斤顶设在柱下方，通过PLC系统进行自动控制。基础沉降模拟通过在千斤顶下设置橡胶垫实现。加载架构造如图1所示。

　　图1 加载架构造  

　　4 试验内容

　　柱沉降监测采用静力水准仪进行，将水准仪安装在柱下端板上。沉降自动调控实现的目标位移采用拉线式传感器控制，该位移在调控过程中为柱回顶位移与地基沉降位移之和，略大于柱沉降。千斤顶下部地基沉降可通过电子位移计监测。

　　4.1 试验步骤

　　1)旋紧柱顶端沉降调控螺栓，将柱向上拉，压缩大刚度弹簧，上拉位移根据柱所需轴力控制，并将此位置设为柱原始标高位置。

　　2)安装静力水准仪、拉线式传感器、千斤顶和PLC系统并调试。

　　3)对千斤顶施加微小压力，直至千斤顶油缸外伸接触柱下端板。油压控制至顶升力小于弹簧回弹力的0.5倍以下。

　　4)将使柱产生沉降的螺栓旋松，预设沉降的精确控制可通过改变螺距与螺母旋转角度实现。

　　5)弹簧回弹，柱下沉，在千斤顶上部产生压力，使千斤顶下部模拟地基的底座板下沉。

　　6)静力水准仪自动采集沉降数据，传至上位机，计算分析后传至PLC系统。

　　7) PLC系统判断位移超限后启动千斤顶，进行同步顶升，顶升复位至预设标高后等待下次指令。

　　4.2 预设沉降

　　本工程限定最大沉降差为3～5mm，因此试验取最大沉降差为5mm。4根柱编号分别为A,B,C,D，以A柱为基准，令其不发生沉降，B,C,D柱依次发生沉降，分别进行静力水准数据采集时间测试和沉降自动调控测试。测试静力水准数据采集时间时，首先将B,C,D柱沉降分别设为0.50,1.00,2.00mm，复位后重新设为3.00,4.00,5.00mm。沉降自动调控测试中，将调控沉降预警值设为1.75mm,B,C,D柱沉降分别设为1.70,1.80,1.90mm。

　　5 试验结果分析

　　试验过程中发现2次测读数据稳定时间基本相同，加载0～40min时，B,C,D柱沉降逐渐增大，加载40min后采集数据达稳定状态(见图2)，这表明在本研究试验装置条件下，预设沉降对静力水准仪液面自流平时间的影响较小。分析认为，当沉降差较大时，液面自流平速率较大。

　　图2 静力水准数据采集时间测试沉降曲线 

　　试验过程中发现，为设定接近2mm的沉降时，加载40min时C,D柱沉降超过预警值，启动PLC系统进行调控，80min后沉降复位(见图3)。

　　图3 沉降自动调控测试沉降曲线  

　　在沉降自动调控阶段，千斤顶启动至顶升复位时间≤2min，试验结果显示复位过程近40min，这是由液面自流平时间决定的。影响液面自流平时间与测试精度的因素较多，其中测点数量、温度等因素的影响较大，测点数量越多，液面自流平时间越长，盾构隧道穿越桩基工程沉降速率较小。本研究沉降自动监测与调控系统适用于沉降速率≤10mm/d的工程，可保证较高的控制精度。

　　6 结语

　　1)研发沉降自动监测与调控室内模拟试验装置，可进行多工况沉降模拟。

　　2)研发集成静力水准沉降监测与PLC位移控制技术的沉降自动监测与调控系统，可实现沉降数据即时采集、预警判别、超限判别与调控自动启动功能。

　　3)预设沉降较大时，静力水准仪液面自流平速率较大。

　　4)静力水准仪液面自流平时间受多因素影响，其中测点数量、温度等因素的影响较大，沉降的影响不显著，其影响规律有待进一步研究。

　　5)考虑液面自流平时间对沉降采集精度的影响，本研究沉降自动监测与调控系统适用于沉降速率≤10mm/d的工程，可保证较高的控制精度。