廣州軟土地面沉降遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉延勇

（廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東廣州510440）

廣州軟土地面沉降遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研究

劉延勇*

（廣州市地質(zhì)調(diào)查院，廣東廣州510440）

地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間的不可預(yù)見性、長(zhǎng)期性和場(chǎng)地的危險(xiǎn)性，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是必由之路。對(duì)軟土地區(qū)路面沉降的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研發(fā)，以解決目前該方面監(jiān)測(cè)精度不高的問(wèn)題。安裝地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、傳輸與計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)地面沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

軟土地面；沉降；運(yùn)程；自動(dòng)化監(jiān)測(cè)

軟土地區(qū)因?yàn)檐浲恋娘柡汀⒖闪鲃?dòng)性，極易在荷載作用下產(chǎn)生固結(jié)沉降，這種沉降會(huì)導(dǎo)致路面開裂、建筑物傾斜破壞，屬于地質(zhì)災(zāi)害。目前，廣州地區(qū)該類地質(zhì)災(zāi)害越來(lái)越頻發(fā)，所造成的損失越來(lái)越大。

由于地質(zhì)災(zāi)害發(fā)生時(shí)間的不可預(yù)見性、長(zhǎng)期性和場(chǎng)地的危險(xiǎn)性，自動(dòng)化監(jiān)測(cè)是必由之路，但現(xiàn)場(chǎng)條件和目前的技術(shù)手段又使其實(shí)現(xiàn)有相當(dāng)之困難。面對(duì)這一問(wèn)題，本行業(yè)的工程師提出了一些解決方案，如目前采用的衛(wèi)星遙感監(jiān)測(cè)技術(shù)、靜力水準(zhǔn)法［1-2］，但其監(jiān)測(cè)精度目前尚達(dá)不到沉降監(jiān)測(cè)的要求。

為解決目前該方面監(jiān)測(cè)精度不高的問(wèn)題，廣州市地質(zhì)調(diào)查院在實(shí)施“廣州城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警新技術(shù)示范研究”項(xiàng)目過(guò)程中，與廣州市吉華勘測(cè)公司進(jìn)行合作，對(duì)軟土地區(qū)路面沉降的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)方法進(jìn)行研發(fā)。通過(guò)研發(fā)并安裝了2套地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)設(shè)備，對(duì)沉降數(shù)據(jù)進(jìn)行自動(dòng)采集、傳輸與計(jì)算，最終實(shí)現(xiàn)地面沉降實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與預(yù)警。

1　工作原理

根據(jù)地質(zhì)情況選擇具有代表性的點(diǎn)位進(jìn)行監(jiān)測(cè)，利用全站儀對(duì)擬布設(shè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行坐標(biāo)放樣，并做好點(diǎn)位標(biāo)示。用勘察鉆機(jī)在標(biāo)示好的點(diǎn)位進(jìn)行鉆孔，待成鉆孔完成后，將每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)根部支撐于基巖上，采用帶智能芯片的智能沉降計(jì)作為主體，將其固定在基于堅(jiān)硬巖石的剛性桿上，頂部與地面嵌連，通過(guò)測(cè)試智能沉降計(jì)的沉降量得知地面的沉降量。

采用統(tǒng)一的工業(yè)總線接口，將智能沉降計(jì)通過(guò)一條總線與遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集箱相連，組成自動(dòng)化測(cè)量系統(tǒng)，利用GPRS或CDMA等無(wú)線公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。傳感器通過(guò)GPRS或CDMA接入Internet網(wǎng)，主機(jī)只要接入Internet網(wǎng)就可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)高精度遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟土沉降的目的。

2　設(shè)備組成

設(shè)備包括硬件設(shè)備和軟件設(shè)備組成，其中硬件設(shè)備由智能沉降計(jì)、自動(dòng)化采集箱、無(wú)線電傳輸模塊、太陽(yáng)能電池組和密封機(jī)箱組成，軟件由廣州市吉華勘測(cè)公司使用廣州市吉華勘測(cè)公司原有專利“一種巖土工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置”和“遠(yuǎn)程自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)V2.0”軟件著作權(quán)為技術(shù)核心。

（1）智能沉降計(jì)（產(chǎn)品型號(hào)：JH02-A）：內(nèi)置數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器，傳感器內(nèi)置1600條數(shù)據(jù)存儲(chǔ)空間，數(shù)據(jù)循環(huán)記錄，可隨時(shí)從傳感器中下載相關(guān)紀(jì)錄。傳感器內(nèi)置芯片，自動(dòng)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行換算，直接輸出監(jiān)測(cè)物理量，無(wú)須人工轉(zhuǎn)換。降低人工勞動(dòng)強(qiáng)度，同時(shí)也保證了數(shù)據(jù)的真實(shí)性。可用于地質(zhì)災(zāi)害、軟土基礎(chǔ)、各類路基、大壩和各種建筑的基礎(chǔ)沉降監(jiān)測(cè)。

（2）自動(dòng)化采集箱（型號(hào)：JH-8000）：可控制傳感器在指定的時(shí)間自動(dòng)進(jìn)行測(cè)量，并將結(jié)果保存在傳感器內(nèi)。需要提取觀測(cè)數(shù)據(jù)時(shí)，可將電腦與自動(dòng)采集箱相連，一次性讀出傳感器內(nèi)存中的數(shù)據(jù)。自動(dòng)采集箱供電根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)情況選用太陽(yáng)能或接220V電源。

（3）無(wú)線傳輸模塊：（型號(hào)：JH6601）：與自動(dòng)采集箱配合，在有GSM網(wǎng)絡(luò)覆蓋的地方，通過(guò)無(wú)線傳輸模塊進(jìn)行采集控制和數(shù)據(jù)傳輸?？稍谌我唤尤隝nternet公網(wǎng)（如：ADSL、163撥號(hào)等）的電腦上進(jìn)行實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)采集和遠(yuǎn)程監(jiān)控。

（4）太陽(yáng)能電池組及密封機(jī)箱：密封機(jī)箱內(nèi)安裝自動(dòng)采集模塊、無(wú)線傳輸模塊、蓄電池、太陽(yáng)能控制器等，密封機(jī)箱上方安裝的太陽(yáng)能板通過(guò)太陽(yáng)能控制器給蓄電池充電。本次采用的遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)采集監(jiān)控系統(tǒng)見圖1所示。

圖1　遠(yuǎn)程無(wú)線自動(dòng)采集監(jiān)控系統(tǒng)框架圖

（5）軟件（系統(tǒng)）：本次系統(tǒng)軟件使用廣州市吉華勘測(cè)公司原有專利“一種巖土工程實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)裝置”和“遠(yuǎn)程自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)V2.0”軟件著作權(quán)為技術(shù)核心。專利和系統(tǒng)包括CAN總線傳輸、9針RS232通信、GPRS通信、RS485通信、供電電壓監(jiān)測(cè)、JTAG和GPS接口、主板供電轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互接口、外設(shè)電源控制、現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)和C8051F040系統(tǒng)，所述C8051F040系統(tǒng)分別與CAN總線傳輸、9針RS232通信、GPRS通信、RS485通信、供電電壓監(jiān)測(cè)、JTAG和GPS接口、主板供電轉(zhuǎn)換、人機(jī)交互接口、外設(shè)電源控制、現(xiàn)場(chǎng)溫度檢測(cè)通過(guò)導(dǎo)線連接。將GPRS數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)應(yīng)用在滑坡地質(zhì)災(zāi)害遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)終端系統(tǒng)中；在系統(tǒng)調(diào)試中，從供電、防雷、防水、防潮等方面入手，應(yīng)用多項(xiàng)軟硬件抗干擾技術(shù)來(lái)提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性，提高了系統(tǒng)的適應(yīng)野外工作環(huán)境的能力。

在本次研究中，采用統(tǒng)一的工業(yè)總線接口，將智能沉降傳感器通過(guò)一條總線連接自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集傳輸系統(tǒng)，利用GPRS或CDMA等無(wú)線公用網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，完成對(duì)傳感器數(shù)據(jù)的采集和監(jiān)控。傳感器通過(guò)GPRS或CDMA接入Internet網(wǎng)，主機(jī)只要接入Internet網(wǎng)就可進(jìn)行數(shù)據(jù)采集和監(jiān)控，從而實(shí)現(xiàn)高精度自動(dòng)化監(jiān)測(cè)軟土沉降的目的。

3　施工工藝

（1）安裝智能沉降計(jì)：

①鉆孔：在監(jiān)測(cè)點(diǎn)位置進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量放樣后即可進(jìn)行鉆孔，孔徑大小以?90mm～?110mm為宜，使用鉛垂測(cè)量鉆孔的垂直情況。鉆孔深度穿過(guò)軟土層、大于地基壓縮層厚度，直至基巖且應(yīng)入巖500mm。安裝時(shí)無(wú)塌孔、縮孔現(xiàn)象存在。為了防止深部橫向位移對(duì)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的影響，鉆孔完成后，立即采用了?110mmPVC套管護(hù)壁的方式，進(jìn)行鉆孔埋設(shè)。套管埋入的深度，底部與基巖連接，頂部距離地面1.5m。

②探孔：首先用等徑接頭連接好錨頭與測(cè)桿，將接好錨頭的測(cè)桿緩慢放入已鉆好的鉆孔內(nèi)（錨頭朝下，測(cè)桿朝上）。待測(cè)桿頂部離孔口高約200mm時(shí)停住，且用等徑接頭加長(zhǎng)測(cè)桿，再往下放置，直至錨頭下放到孔底。根據(jù)下放至孔內(nèi)測(cè)桿長(zhǎng)度確定孔的實(shí)際深度。在進(jìn)行探孔時(shí)要保證孔底無(wú)沉渣、淤泥等，保證單點(diǎn)沉降計(jì)的錨頭與基巖直接接觸。

③安裝沉降計(jì)：安裝時(shí)，應(yīng)先探孔，算好可下測(cè)桿長(zhǎng)度，最后安裝單點(diǎn)沉降計(jì)，此在探孔、確定好孔深后，所需測(cè)桿總長(zhǎng)應(yīng)采用不同長(zhǎng)度的測(cè)桿來(lái)配置。其所需測(cè)桿總長(zhǎng)=實(shí)際孔深-1.0m（沉降計(jì)主體拉伸總長(zhǎng)）-（0.1～0.2）m。在確定好所需測(cè)桿后，將錨頭、測(cè)桿與沉降主體連接好、安裝至孔內(nèi)且錨頭至基巖。

④注漿：為了將錨頭與基巖更好的錨固成為整體，必須用注漿方式將錨頭固定。首先，將注漿管直插到孔底，把注漿管的另一端與地質(zhì)鉆水鎊出水管相連接，用地質(zhì)鉆水鎊進(jìn)行注漿。水泥漿比例（水∶水泥=1∶1），孔底漿層深度為1～2m。

⑤灌砂：?jiǎn)吸c(diǎn)沉降計(jì)安裝好，待水泥漿沉淀2h后，往孔內(nèi)灌砂回填，以防止安裝孔塌孔而影響測(cè)試數(shù)據(jù)。灌砂時(shí)應(yīng)緩慢灌注，以防孔被堵塞，在灌砂的同時(shí)用2m長(zhǎng)的竹竿或鋼管將砂稍微夯實(shí)，使灌砂至法蘭沉降盤以下10cm處，再用混凝土填實(shí)至法蘭沉降盤（防止施工后期雨水滲入孔內(nèi)而影響路基結(jié)構(gòu)），法蘭沉降盤上部可用中粗砂回填至地基面。

⑥保護(hù)：?jiǎn)吸c(diǎn)沉降計(jì)及傳輸電纜的保護(hù)是安裝后其成活率的關(guān)鍵所在，因此裝好單點(diǎn)沉降計(jì)后，將傳輸電纜套上?20mmPVC鋼絲波紋管進(jìn)行保護(hù)，鋼絲波紋管首端應(yīng)插入法蘭沉降盤下，并挖深300mm寬100mm的布線槽，引入自動(dòng)采集箱內(nèi)，并注意使鋼絲波紋管及導(dǎo)線適當(dāng)松弛。布線槽用中粗砂回填至地基面，接頭注意防水。

（2）安裝豎桿式遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集系統(tǒng)：

①挖孔：智能沉降計(jì)安裝后，在其1m外挖長(zhǎng)500mm，寬500mm，深500mm的立方孔，土體作業(yè)完成后，土體四壁壓實(shí)，底部灌200mm的水泥并抹平。

②立桿：將連接智能沉降計(jì)的水工電纜線通過(guò)安裝桿底部的開口引入自動(dòng)采集箱內(nèi)，并將裝有遠(yuǎn)程自動(dòng)化采集系統(tǒng)的密封機(jī)箱和太陽(yáng)能電池組通過(guò)抱箍及安裝輔件固定在安裝桿上，完成上述步驟后，將安裝桿立于挖好的立方孔內(nèi)，用水泥回填，立桿時(shí)應(yīng)注意安裝桿桿不能歪斜。

③保護(hù)：立桿完成后，在立桿四周用磚頭、水泥漿、花崗巖砌水泥墩。并在花崗巖上篆刻單位、保護(hù)標(biāo)示等信息。

（3）測(cè)試與數(shù)據(jù)記錄：

①做好單點(diǎn)沉降計(jì)安裝記錄，存檔。其內(nèi)容包括，該單點(diǎn)沉降計(jì)埋設(shè)的具體位置、埋設(shè)錨頭深度、實(shí)驗(yàn)編號(hào)、單點(diǎn)沉降計(jì)編號(hào)、埋設(shè)安裝日期、天氣狀況及安裝人員。

②制作好相應(yīng)的標(biāo)示牌，插在法蘭沉降盤位置及傳輸電纜布線位置，以做標(biāo)示。在每次工序轉(zhuǎn)換施工時(shí)要安排專人負(fù)責(zé)看管，以防單點(diǎn)沉降計(jì)因施工或自然因素而破壞。

③在單點(diǎn)沉降計(jì)安裝好后3～5d內(nèi)，法蘭沉降盤上部不能碾壓。待縮孔后采用讀數(shù)儀對(duì)安裝時(shí)的初始位移量進(jìn)行測(cè)試，按照要求做好單點(diǎn)沉降計(jì)的埋設(shè)臺(tái)帳。

4　監(jiān)測(cè)及數(shù)據(jù)分析

本次研究于2015年1月21開始對(duì)濱海水晶灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)開始鉆孔施工，至2015年2月3日完成埋設(shè)，2015 年1月27日開始對(duì)濱海半島監(jiān)測(cè)點(diǎn)開始鉆孔施工，至2015年2月2日完成埋設(shè)。儀器埋設(shè)完成后，由于周圍土體被擾動(dòng)，需要等待土體恢復(fù)穩(wěn)定。至2015年2 月6日監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)基本穩(wěn)定，說(shuō)明土體已基本恢復(fù)原狀，正式的數(shù)據(jù)采集從2月7日開始。

從2015年2月7日至4月16日，每天對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)分別采集1次數(shù)據(jù)，對(duì)所采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析，分析結(jié)果統(tǒng)計(jì)見表1，各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及累計(jì)沉降值時(shí)程曲線圖分別見圖2和圖3。

表1　監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降情況統(tǒng)計(jì)表

從上述圖表不難看出：

（1）水晶灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量相對(duì)較大，2015年2月7日至4月16日累計(jì)沉降4.88mm日均沉降0.074mm，沉降速率變化較小，沉降較均勻，呈現(xiàn)一定的規(guī)律性。

（2）濱海半島監(jiān)測(cè)點(diǎn)沉降量相對(duì)較小，2015年2月7日至4月16日累計(jì)沉降0.67mm日均沉降0.010mm，沉降曲線基本呈水平狀，但其間的最大沉降速率為0.44mm/d，大于水晶灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)的最大沉降速率（0.32mm/d）。

產(chǎn)生2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所呈現(xiàn)的差異情況的原因有：

（1）2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)所處的地質(zhì)情況、地基處理效果不同，根據(jù)已掌握的情況，水晶灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在地的沉降量明顯大于濱海半島監(jiān)測(cè)點(diǎn)所在地。

（2）2個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的埋設(shè)效果有所不同，其中水晶灣監(jiān)測(cè)點(diǎn)埋設(shè)情況較理想，土體基本恢復(fù)為原始狀態(tài)，濱海半島監(jiān)測(cè)點(diǎn)在回填時(shí)對(duì)土體壓實(shí)較多，因此造成該監(jiān)測(cè)點(diǎn)的沉降也相對(duì)較小。

5　結(jié)論及建議

綜上所述，本次研究的沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)實(shí)行情況良好，傳感器數(shù)據(jù)采集正常，系統(tǒng)通信通暢，數(shù)據(jù)客觀可靠，反映了現(xiàn)場(chǎng)土體的實(shí)際變化情況，整套自動(dòng)化設(shè)施運(yùn)行良好，太陽(yáng)能電池充沛，可以保證長(zhǎng)期有效運(yùn)行。

圖2　監(jiān)測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)及溫度時(shí)程曲線圖

圖3　監(jiān)測(cè)點(diǎn)累計(jì)沉降時(shí)程曲線圖

建議在廣州其他軟土沉降發(fā)育的地區(qū)推廣該項(xiàng)技術(shù)成果，繼續(xù)布設(shè)更多的軟土地面沉降自動(dòng)化監(jiān)測(cè)點(diǎn)，以便獲得更多數(shù)據(jù)進(jìn)行分析研究。

［1］單偉，張文卓，李靜輝，等.軟土路基沉降信息化監(jiān)測(cè)技術(shù)現(xiàn)狀［C］//2005年綜合交通運(yùn)輸信息化國(guó)際研討會(huì)，2005.

［2］陳茂棋.靜力水準(zhǔn)裝置及其在沉降觀測(cè)試驗(yàn)中的數(shù)據(jù)分析［J］.工程勘察，1984（1）.

P642

A

1004-5716（2016）05-0008-04

2016-01-06

項(xiàng)目來(lái)源：《廣州城市地質(zhì)環(huán)境監(jiān)測(cè)預(yù)警新技術(shù)示范研究》項(xiàng)目提供資助。

劉延勇（1967-），男（漢族），廣西平南人，工程師，現(xiàn)從事地質(zhì)環(huán)境調(diào)查工作。