浙江省衢州市钟楼监测技术方案
一、背景
衢州钟楼，明万历二十七年（1599），知府张尧文主持建造，楼所赶高7丈，基开四门作通道。登楼小门与石阶在楼东门角、座北朝南。楼座中间有一大方孔，铺木板遮封。二楼和三楼为全木结构，漆黑光亮。登三楼是木梯，靠两面方面，自南向北而上，三楼上有一木结构挂钟用的架子，原有3000斤重的铜钟，被侵华日军所掳掠。
衢州钟楼为明代早期古城建筑，位于北门街南端十字路口而中空通四路，钟楼基座是石条砌成方形建筑，边长12.5米，不算堞垛，高4.3米。石四面的拱门洞高3.94米，基座上建三层木构钟楼，面阔进深，每层各三间，周边有回廊，重檐覆屋，四角攒尖。自在至顶高达二十余米，在中国古代，像这样气势壮观的条基座论，四向拱门，三层重檐木构的钟楼十分罕见，堪称中国古代建筑之瑰宝。
2006年5月26日由国务院公布为国家重点文物保护单位。衢州钟楼是衢州市古城墙唯一现存部份，其稀缺性和不可替代性日益为人们所重视。保持城镇的传统格局与风貌以及各种文物古迹，是保护历史文化名城（镇）的必要条件和特殊需要，具有很高的历史、科学和艺术价值。但是由于岁月的无情侵蚀，衢州钟楼墙体、拱圈等均存在不同程度的损害，石块风化、石墙裂缝、拱圈变形等现象比较严重。
为了更加科学、全面、完整地做好衢州钟楼修缮工作。提高保护修缮的预见性，降低破坏衢州钟楼原状所携带的历史信息的可能性，非常有必要对衢州钟楼实施监测工作。
二、监测依据
《保护世界文化及自然遗产公约》（1972年）
《实行保护世界文化和自然遗产公约操作指南》（2005年）
《国际古迹保护与修复宪章》（1964年）
《中华人民共和国文物保护法》（2002年）
《中华人民共和国文物保护法实行条例》（2003年）
《世界文化遗产保护管理办法》（2006年）
《中国世界文化遗产监测巡视管理办法》（2006年）
《中国文物古迹保护准则》（2000年）
《古迹、建筑群和遗址的记录准则》（2003年）
《浙江省文物保护管理条例》（2003年）
《历史文化名城名镇保护条例》（国务院，2008年）
《城市紫线管理办法》（建设部，2004年）
《西安宣誓——关于古建筑、古遗址和历史区域周边环境的保护》（2005年）
《杭州市文物保护管理若干规定》（1999年5月）
《国家一、二等水准测量规范》GB12897-91
《工程测量规范》（GB 50026-2007）；
《建筑变形测量规范》（JGJ 8-2007）。
《精密工程测量规范》GB/T15314-94
《建筑地基基础设计规范》GB 50007-2002
《中国世界文化遗产监测技术规范》
三、工程监测意义
1、及时发现不稳定因素。由于施工工序的复杂性、古建筑材料质量不确定性、施工人员的素质差异等多种施工因素的存在，加上自然环境因素等的影 响，工程实施中需要借助监测手段进行必要的补充，以便及时采取补救措施，确保工程施工中的结构安全、设备安全和人员安全，减少和避免不必要的损失。
2、科学指导施工。通过动态的施工监测可以了解施工过程中结构的实际变形、应力变化等，为施工方和设计单位提供实测数据和资料。根据实测数据的反馈，实时调整和优化施工方案，确保整个施工过程在可控的管理范围之中。
3、保障业主和相关社会利益。通过在施工全过程中不间断的监测数据采集和分析，及时调整施工方案、施工工序，确保工程科学、合理、有序进行，使得工程最终高质、高效、如期完成，有力保障业主及相关社会利益。
四、工程监测内容
在对古建筑的改造和修缮工程中，必须采用合理的施工工艺、技术方案和科学的监控手段，保证古建筑在整个施工过程以及运营阶段的安全性。
1.水平位移监测：对衢州钟楼古建筑物的北方向或顺轴线方向的水平位移变化进行监测。大地测量方法,大地测量方法主要是以外部变形监测控制网点为基准,以大地测量方法测定被监测点的大地坐标,进而计算被监测点的水平位移, 采用交会法、精密导线法。
2.垂直位移观测：对衢州钟楼古建筑物垂直方向的位移变化进行监测,用以了解衢州钟楼古建筑各种监测部位的垂直位移变化,从各监测点垂直位移变化情况了解有无不均匀垂直位移变化出现。采用几何水准测量方法。
3. 拱圈挠度监测挠度观测：以控制网点为基准，采用三维交会的方法进行观测。由于监测的点位位于桥面以下的拱圈内弧线上, 常规作业无法设施, 只能采用三维交会的方法进行观测。从而确定拱圈的挠曲变化。
4．裂缝观测：对建筑物产生的裂缝或河岸边坡裂缝进行位置、长度、宽、深度错距等进行监测,以了解裂缝的变化情况。采用丈量方式,采用检定过的钢尺、油标卡尺等进行精密量距。
五、监测频率
本次监测频率是由甲方要求对钟楼现存的部份水平位移监测、垂直位移监测、拱圈挠度监测、石墙裂缝监测进行三次监测。第一次为施工前的监测，第二次为施工中的监测，第三为竣工后的监测。
六、使用的仪器设备要求
1. 索佳SET2300RK3全站仪。
2. 天宝03电子水准仪加3米铟钢条码尺
3. 钢尺、油标卡尺
各种仪器均为检定。
七、水平位移监测网
1、监测网的形成
该网由8个点组成，其中4个基准点构成2个大地四边形和4个工作基点一起组成了一个边角网，该网按一等专用控制网精度实施，其控制网。
2、三角点的埋设
三角点有4个埋设在钟楼周边、4个埋设在钟楼墙体上，4个埋设在钟楼周边观测点最是建观测墩并安装了强制对中基座。此项由甲方建墩安装。
3、水平角观测
⑴ 采用索佳SET2300RK3全站仪和0.2mm钢丝照准，按方向观测法观测12个测回。
⑵ 方向的垂直角超过+2°时读记了水准器格值，并进行了垂直轴倾斜改正。
⑶ 整个控制网共观测48个方向。
4、边长观测及计算
⑴ 采用索佳SET2300RK3全站仪测距和测垂直角，每条边均往返观测4个测回，垂直角采用中丝法观测4个测回。
⑵ 测站和镜站均测定了气象数据。
⑶ 整个控制网共观测25条边，平均边长为30米，对边长加入气象改正、加常数改正、乘常数改正、倾斜改正之后，投影在钟楼高程面上，计算中大气折光K=0.13，地球平均曲率半径R=6367800米。
⑷ 根据边长往返测不符值计算往返测平均边长中误差，不大于md=+0.20mm，
5、对两次基准值的验算
按有关规范中的项目对边角网进行检核，其各项限差均符合规范要求。本网共计20个图形，规范允许一等三角测角中误差±1˝，应符合规范要求。
6、水平位移监测网的平差
通过各种概算之后进入控制网的平差，经过分析研究认为基准点稳定可靠，故在首次基准网的平差中采用经典严密平差。
平差软件
采用软件进行平差，该软件系间接平差，它除了计算出各待定点的平差坐标、每条边的平差边长和平差坐标方位角，还能计算出每个待定点的误差椭圆及点位中误差。两次成果取平均值后作为水平位移监测网的基准值。
八、 垂直位移监测网
⒈垂直位移监测网的设置
该网的水准基点设在钟楼周边处，共设两个便于校核。另在城墙上埋设4个观测点。由此两部分水准点构成垂直位移基准网。垂直位移监测网按一等水准精度实施。
⒉垂直位移监测网的实施
待水准标石埋设稳定之后，在钟楼周边用皮尺选点定位确定架站点和立尺点，把第一次水准观测完后再进行第二次水准观测。
⒊垂直位移监测网的平差
⑴ 水准网的概略计算
对各观测高差加入尺长改正后，计算出每公里观测高差中数偶然中误差。基准网观测不大于+0.15mm。
⑵ 水准网的平差
作为独立水准网的高程起算数据作为首次观测，我们采用经典严密平差计算基准网。采用平差软件间接平差，可完成待定点的平差值计算，可评定每一点的高程精度、观测数据的平差值及其改正数的计算。
⑶ 垂直位移监测网的平差成果及精度
九、拱圈变形监测
1、建立基准网
本次选设的基准点按水平位移监测网共用与监测点之间的距离按要求基本控制在30～40m 以内。水平角观测采用索佳SET2300RK3全站仪12测回观测。垂直角观测采用索佳SET2300RK3全站仪9测回观测
2、拱圈内弧监测点设置与照准标志制
根据衢州钟楼古建筑的实际情况, 设置拱圈内弧监测点,按拱圈内弧设置的间隔L/8、L/4、和L/2 来截取布设。这样连同拱圈两头的拱脚共5 点, 编号由北向南或由东向西为1 —5, 其中1 和5 两点为拱的跨径点，共4个拱圈共计20点。为了提高照准标志的观测精度, 本次观测标志特选用4cm ×4cm 白铁皮用红白油漆精确涂成倒三角形, 三角形尖朝向拱圈内弧线。然后用强力环氧树胶将各块标志牢固粘在各个拱圈内弧位置上, 倒三角的尖端即为本次监测点点位。
3、监测点平面坐标交会观测
监测点平面坐标采用前方交会, 作业严格执行三同(同人, 同仪, 同顺序, 仪器遮伞) 。对不合要求的观测资料, 一经检查发现, 均于现场立即重测, 直到全部合格为止。为了提高观测精度, 特别是基准点到各监测点视长不一, 由调焦引起的视轴观测误差有可能掩盖点位的真实形变。为了减小观测仪器视轴误差对成果的影响, 实际作业时,把测回正倒镜观测改为按每方向正倒镜观测。
4、监测点高程交会观测
监测点高程观测采用在拱圈部位同侧两已知点设站分别读取各监测点垂直角, 观测与水平角同期进行。首期拱圈各点垂直角用J索佳SET2300RK3全站仪中丝法单向观测9 测回, 其数据作为本项目的基本数据。继后每期6测回。同水平角观测一样, 每期按三定程序操作。针对短边高精度竖角观测, 除测前对仪器认真调试外, 另在实测过程中针对测站到拱圈各监测点视长不一而导致观测不断调焦带来的误差影响, 仿前述方法, 同样对各点垂直角采取单独一次正倒镜观测, 并严格将仪器竖角观测指标差控制在±5″之内, 测回较差控制在±3″之内。严格控制竖角测角中误差；对仪高丈量精度方面取二步做法: 一是先于室内将仪器调平螺丝上缘至望远镜横轴之间的固定长用千分卡尺精确量取; 二是将礅座至仪器调平螺丝之间的高度用小直钢尺二次以上读数取平均值, 数据估读至0.1mm; 各监测点高差计算采用单向高差公式:Δh = Stgα+ CS2 + i - v +Δh12 。由于小范围近距离观测, 折光影响很小。另也无需将边长投影。
十、 变形监测网观测精度估算与分析
1、监测网精度估算
根据监测数据得知，点位中误差均小于± 1.0 mm，能满足规范中一等独立控制网限差± 1.0 mm的要求。
SET2300RK3全站仪测小角的精度估算公式 mi= mα，视线S的最大值约30米，取mα=0.6″则mi=+0.78mm，符合规范要求，要达到0.6″必须观测4个测回。
采用SET2300RK3全站仪按小角法观测，应在两端工作基点上观测邻近的1/2的测点，每一测次观测4个测回，每测回正、倒镜各照准觇标两次并读数两次，取平均值作为该测回的观测值，其限差为两次读数差不大于1.0″，测回差不大于3.0″。
2、可靠性分析
控制网进行精度估算后, 系统给出如下粗差分析数据:
各站观测值分类C: c-方向, a-方位, d-边长, h-高差, $-间高
权p -- 对边长以PPM为单位.
多余观测分量r = 1-AQxxAP
可靠性指标的:
显著水平为a0,检验功效为b0,非中心参数为d0
若, a0=0.1%, b0=80%, 有 d0=4.13, 则
内可靠性指标R, 一般认为: R<5 好, R<=10 一般, R>10 差
外可靠性指标R' : R'<3 好, R'<=8 一般, R'>8 差
m=0.000500 a0=0.1% b0=80% d0=4.13
3、水平角观测
a. 水平角采用方向法观测12个测回，方向多余6个时应分组观测。采用索佳SET2300RK3全站仪观测，使用垂线作为照准目标。
b. 水平方向观测的限差按规范执行。
c. 水平角观测使用的仪器在测前应按规定进行检定。
4、 三角网边长观测
a. 每条边均应往返观测4测回，观测限差为：往返较差不得大于3mm。
b. 应在大气稳定和成象清晰的气象条件下进行观测，如在雾、雨天，大气透明度较差的情况下不宜观测。
c. 测站和镜站均应测定气象数据（温度、气压）。
d. 测距仪测前应按规定送计量检定站检定。
5、 垂直角观测
a. 天顶距采用中丝法观测4测回。
b. 垂直角其互差不大于10″，指标差互差不大于10″。
c. 测边与测垂直角同步进行。
2．6、 水平监测的平差计算
a. 对水平角观测值进行测站平差，计算出各方向平差值的中误差。
b. 计算三角形闭合差，并按菲列罗公式计算测角中误差。
c. 对观测边长进行气象改正、加常数改正、乘常数改正、倾斜改正、投影改正。
d. 根据边长往返测平距之差，计算出往返观测的平均值中误差。
e. 监测网的平差采用经典严密平差软件计算。首期进行两次观测，可采用经典平差，自由网平差和拟稳平差等，并按统计检验的方法进行检验，符合要求取平均值作为监测网的基准值。
6、监测网检验情况综述
对于监测网两次测量坐标之差及高程值之差并不一定反映点位的变动，它也可能是测量误差引起的，而这个误差是在规范规定的限差之内，所以该次由两次测量平差成果取平均值得到的首次观测基准值是绝对可靠的。同时也为下次复测监测网进行变形分析时提供了必要的基础数据。
十一、质量保证措施
建立质量保证和质量控制机制，对监测的全过程进行质量控制。监测仪器必须在有效定期内使用，并在规定的检定周期内进行检定，自检的仪器设备等应按期进行自检。作业人员在每次观测时应详细记录荷载情况，描述监测的衢州钟楼建筑物出现的情况，并在现场及时计算各测点的辅差，检查各读数是否正确无误，各项误差是否在允许的范围内。做到记录清晰、齐全，计算准确无误。检查人员应及时对成果数据进行检查验算，发现问题及时处理。审核员负责报告的审核，把好质量的最后一道关。
十二、监测资料的提交
根据甲方要求对衢州钟楼古建筑修缮工作的变形监测进行三次监测，第一次为施工前的监测，第二次为施工中的监测，第三为竣工后的监测。提交资料包括三次各种原始观测数据、各类计算资料、以及相关的监测精度分析技术资料。
十三、监测工作和建议
- 本次监测工作频率较低应加大频度的监测。
- 建议对石材风化程度进行监测。
十四、监测经费
本次监测预算费用按中华人民共和国国家测绘局文件国测财字[2002]3号预算。工程测量收费标准。
- 控制测量
- 二等三角：17352.87×4(点)=69411.48元；
- 强制对中点：(建议甲方建墩)；
- 二、三、四等水准选埋：2061.63×2(点)=4123.26元；
- 二等水准测量：1728.54×0.5(公里)=864.27元；
二、变形测量：
按甲方要求共监测三次，每次3个组日，3×3=9个组日。
4265×9（组日）=38385元；
- 裂缝监测：
根据现场实际情况选择10个点。
60×10（点）=600元；
- 管理费、税金；
现考虑监测频度低斩不计。
- 合计：113384.01元(人民币)
