廣州軟土地面沉降遠程自動化監測系統研究

劉延勇

（廣州市地質調查院，廣東廣州510440）

廣州軟土地面沉降遠程自動化監測系統研究

劉延勇*

（廣州市地質調查院，廣東廣州510440）

地質災害發生時間的不可預見性、長期性和場地的危險性，自動化監測是必由之路。對軟土地區路面沉降的自動化監測方法進行研發，以解決目前該方面監測精度不高的問題。安裝地面沉降自動化監測設備，對沉降數據進行自動采集、傳輸與計算，最終實現地面沉降實時監測與預警。

軟土地面；沉降；運程；自動化監測

軟土地區因為軟土的飽和、可流動性，極易在荷載作用下產生固結沉降，這種沉降會導致路面開裂、建筑物傾斜破壞，屬于地質災害。目前，廣州地區該類地質災害越來越頻發，所造成的損失越來越大。

由于地質災害發生時間的不可預見性、長期性和場地的危險性，自動化監測是必由之路，但現場條件和目前的技術手段又使其實現有相當之困難。面對這一問題，本行業的工程師提出了一些解決方案，如目前采用的衛星遙感監測技術、靜力水準法［1-2］，但其監測精度目前尚達不到沉降監測的要求。

為解決目前該方面監測精度不高的問題，廣州市地質調查院在實施“廣州城市地質環境監測預警新技術示范研究”項目過程中，與廣州市吉華勘測公司進行合作，對軟土地區路面沉降的自動化監測方法進行研發。通過研發并安裝了2套地面沉降自動化監測設備，對沉降數據進行自動采集、傳輸與計算，最終實現地面沉降實時監測與預警。

1　工作原理

根據地質情況選擇具有代表性的點位進行監測，利用全站儀對擬布設監測點進行坐標放樣，并做好點位標示。用勘察鉆機在標示好的點位進行鉆孔，待成鉆孔完成后，將每個監測點根部支撐于基巖上，采用帶智能芯片的智能沉降計作為主體，將其固定在基于堅硬巖石的剛性桿上，頂部與地面嵌連，通過測試智能沉降計的沉降量得知地面的沉降量。

采用統一的工業總線接口，將智能沉降計通過一條總線與遠程自動化采集箱相連，組成自動化測量系統，利用GPRS或CDMA等無線公用網絡進行數據傳輸，完成對傳感器數據的采集和監控。傳感器通過GPRS或CDMA接入Internet網，主機只要接入Internet網就可進行數據采集和監控，從而實現高精度遠程自動化監測軟土沉降的目的。

2　設備組成

設備包括硬件設備和軟件設備組成，其中硬件設備由智能沉降計、自動化采集箱、無線電傳輸模塊、太陽能電池組和密封機箱組成，軟件由廣州市吉華勘測公司使用廣州市吉華勘測公司原有專利“一種巖土工程實時監測系統裝置”和“遠程自動化數據采集系統V2.0”軟件著作權為技術核心。

（1）智能沉降計（產品型號：JH02-A）：內置數據存儲器，傳感器內置1600條數據存儲空間，數據循環記錄，可隨時從傳感器中下載相關紀錄。傳感器內置芯片，自動對測量數據進行換算，直接輸出監測物理量，無須人工轉換。降低人工勞動強度，同時也保證了數據的真實性。可用于地質災害、軟土基礎、各類路基、大壩和各種建筑的基礎沉降監測。

（2）自動化采集箱（型號：JH-8000）：可控制傳感器在指定的時間自動進行測量，并將結果保存在傳感器內。需要提取觀測數據時，可將電腦與自動采集箱相連，一次性讀出傳感器內存中的數據。自動采集箱供電根據現場情況選用太陽能或接220V電源。

（3）無線傳輸模塊：（型號：JH6601）：與自動采集箱配合，在有GSM網絡覆蓋的地方，通過無線傳輸模塊進行采集控制和數據傳輸。可在任一接入Internet公網（如：ADSL、163撥號等）的電腦上進行實時數據采集和遠程監控。

（4）太陽能電池組及密封機箱：密封機箱內安裝自動采集模塊、無線傳輸模塊、蓄電池、太陽能控制器等，密封機箱上方安裝的太陽能板通過太陽能控制器給蓄電池充電。本次采用的遠程無線自動采集監控系統見圖1所示。

圖1　遠程無線自動采集監控系統框架圖

（5）軟件（系統）：本次系統軟件使用廣州市吉華勘測公司原有專利“一種巖土工程實時監測系統裝置”和“遠程自動化數據采集系統V2.0”軟件著作權為技術核心。專利和系統包括CAN總線傳輸、9針RS232通信、GPRS通信、RS485通信、供電電壓監測、JTAG和GPS接口、主板供電轉換、人機交互接口、外設電源控制、現場溫度檢測和C8051F040系統，所述C8051F040系統分別與CAN總線傳輸、9針RS232通信、GPRS通信、RS485通信、供電電壓監測、JTAG和GPS接口、主板供電轉換、人機交互接口、外設電源控制、現場溫度檢測通過導線連接。將GPRS數據傳輸技術應用在滑坡地質災害遠程監測終端系統中；在系統調試中，從供電、防雷、防水、防潮等方面入手，應用多項軟硬件抗干擾技術來提高整個系統的可靠性，提高了系統的適應野外工作環境的能力。

在本次研究中，采用統一的工業總線接口，將智能沉降傳感器通過一條總線連接自動化數據采集傳輸系統，利用GPRS或CDMA等無線公用網絡進行數據傳輸，完成對傳感器數據的采集和監控。傳感器通過GPRS或CDMA接入Internet網，主機只要接入Internet網就可進行數據采集和監控，從而實現高精度自動化監測軟土沉降的目的。

3　施工工藝

（1）安裝智能沉降計：

①鉆孔：在監測點位置進行準確測量放樣后即可進行鉆孔，孔徑大小以?90mm～?110mm為宜，使用鉛垂測量鉆孔的垂直情況。鉆孔深度穿過軟土層、大于地基壓縮層厚度，直至基巖且應入巖500mm。安裝時無塌孔、縮孔現象存在。為了防止深部橫向位移對監測數據的影響，鉆孔完成后，立即采用了?110mmPVC套管護壁的方式，進行鉆孔埋設。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桿，將接好錨頭的測桿緩慢放入已鉆好的鉆孔內（錨頭朝下，測桿朝上）。待測桿頂部離孔口高約200mm時停住，且用等徑接頭加長測桿，再往下放置，直至錨頭下放到孔底。根據下放至孔內測桿長度確定孔的實際深度。在進行探孔時要保證孔底無沉渣、淤泥等，保證單點沉降計的錨頭與基巖直接接觸。

③安裝沉降計：安裝時，應先探孔，算好可下測桿長度，最后安裝單點沉降計，此在探孔、確定好孔深后，所需測桿總長應采用不同長度的測桿來配置。其所需測桿總長=實際孔深-1.0m（沉降計主體拉伸總長）-（0.1～0.2）m。在確定好所需測桿后，將錨頭、測桿與沉降主體連接好、安裝至孔內且錨頭至基巖。

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鉆水鎊出水管相連接，用地質鉆水鎊進行注漿。水泥漿比例（水∶水泥=1∶1），孔底漿層深度為1～2m。

⑤灌砂：單點沉降計安裝好，待水泥漿沉淀2h后，往孔內灌砂回填，以防止安裝孔塌孔而影響測試數據。灌砂時應緩慢灌注，以防孔被堵塞，在灌砂的同時用2m長的竹竿或鋼管將砂稍微夯實，使灌砂至法蘭沉降盤以下10cm處，再用混凝土填實至法蘭沉降盤（防止施工后期雨水滲入孔內而影響路基結構），法蘭沉降盤上部可用中粗砂回填至地基面。

⑥保護：單點沉降計及傳輸電纜的保護是安裝后其成活率的關鍵所在，因此裝好單點沉降計后，將傳輸電纜套上?20mmPVC鋼絲波紋管進行保護，鋼絲波紋管首端應插入法蘭沉降盤下，并挖深300mm寬100mm的布線槽，引入自動采集箱內，并注意使鋼絲波紋管及導線適當松弛。布線槽用中粗砂回填至地基面，接頭注意防水。

（2）安裝豎桿式遠程自動化采集系統：

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

②立桿：將連接智能沉降計的水工電纜線通過安裝桿底部的開口引入自動采集箱內，并將裝有遠程自動化采集系統的密封機箱和太陽能電池組通過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，用水泥回填，立桿時應注意安裝桿桿不能歪斜。

③保護：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、保護標示等信息。

（3）測試與數據記錄：

①做好單點沉降計安裝記錄，存檔。其內容包括，該單點沉降計埋設的具體位置、埋設錨頭深度、實驗編號、單點沉降計編號、埋設安裝日期、天氣狀況及安裝人員。

②制作好相應的標示牌，插在法蘭沉降盤位置及傳輸電纜布線位置，以做標示。在每次工序轉換施工時要安排專人負責看管，以防單點沉降計因施工或自然因素而破壞。

③在單點沉降計安裝好后3～5d內，法蘭沉降盤上部不能碾壓。待縮孔后采用讀數儀對安裝時的初始位移量進行測試，按照要求做好單點沉降計的埋設臺帳。

4　監測及數據分析

本次研究于2015年1月21開始對濱海水晶灣監測點開始鉆孔施工，至2015年2月3日完成埋設，2015 年1月27日開始對濱海半島監測點開始鉆孔施工，至2015年2月2日完成埋設。儀器埋設完成后，由于周圍土體被擾動，需要等待土體恢復穩定。至2015年2 月6日監測數據基本穩定，說明土體已基本恢復原狀，正式的數據采集從2月7日開始。

從2015年2月7日至4月16日，每天對各監測點分別采集1次數據，對所采集的數據進行了分析，分析結果統計見表1，各監測點的監測數據及累計沉降值時程曲線圖分別見圖2和圖3。

表1　監測點沉降情況統計表

從上述圖表不難看出：

（1）水晶灣監測點沉降量相對較大，2015年2月7日至4月16日累計沉降4.88mm日均沉降0.074mm，沉降速率變化較小，沉降較均勻，呈現一定的規律性。

（2）濱海半島監測點沉降量相對較小，2015年2月7日至4月16日累計沉降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，大于水晶灣監測點的最大沉降速率（0.32mm/d）。

產生2個監測點所呈現的差異情況的原因有：

（1）2個監測點所處的地質情況、地基處理效果不同，根據已掌握的情況，水晶灣監測點所在地的沉降量明顯大于濱海半島監測點所在地。

（2）2個監測點的埋設效果有所不同，其中水晶灣監測點埋設情況較理想，土體基本恢復為原始狀態，濱海半島監測點在回填時對土體壓實較多，因此造成該監測點的沉降也相對較小。

5　結論及建議

綜上所述，本次研究的沉降自動化監測實行情況良好，傳感器數據采集正常，系統通信通暢，數據客觀可靠，反映了現場土體的實際變化情況，整套自動化設施運行良好，太陽能電池充沛，可以保證長期有效運行。

圖2　監測點監測數據及溫度時程曲線圖

圖3　監測點累計沉降時程曲線圖

建議在廣州其他軟土沉降發育的地區推廣該項技術成果，繼續布設更多的軟土地面沉降自動化監測點，以便獲得更多數據進行分析研究。

［1］單偉，張文卓，李靜輝，等.軟土路基沉降信息化監測技術現狀［C］//2005年綜合交通運輸信息化國際研討會，2005.

［2］陳茂棋.靜力水準裝置及其在沉降觀測試驗中的數據分析［J］.工程勘察，1984（1）.

P642

A

1004-5716（2016）05-0008-04

2016-01-06

項目來源：《廣州城市地質環境監測預警新技術示范研究》項目提供資助。

劉延勇（1967-），男（漢族），廣西平南人，工程師，現從事地質環境調查工作。