广州软土地面沉降远程自动化监测系统研究

刘延勇

（广州市地质调查院，广东广州510440）

广州软土地面沉降远程自动化监测系统研究

刘延勇*

（广州市地质调查院，广东广州510440）

地质灾害发生时间的不可预见性、长期性和场地的危险性，自动化监测是必由之路。对软土地区路面沉降的自动化监测方法进行研发，以解决目前该方面监测精度不高的问题。安装地面沉降自动化监测设备，对沉降数据进行自动采集、传输与计算，最终实现地面沉降实时监测与预警。

软土地面；沉降；运程；自动化监测

软土地区因为软土的饱和、可流动性，极易在荷载作用下产生固结沉降，这种沉降会导致路面开裂、建筑物倾斜破坏，属于地质灾害。目前，广州地区该类地质灾害越来越频发，所造成的损失越来越大。

由于地质灾害发生时间的不可预见性、长期性和场地的危险性，自动化监测是必由之路，但现场条件和目前的技术手段又使其实现有相当之困难。面对这一问题，本行业的工程师提出了一些解决方案，如目前采用的卫星遥感监测技术、静力水准法［1-2］，但其监测精度目前尚达不到沉降监测的要求。

为解决目前该方面监测精度不高的问题，广州市地质调查院在实施“广州城市地质环境监测预警新技术示范研究”项目过程中，与广州市吉华勘测公司进行合作，对软土地区路面沉降的自动化监测方法进行研发。通过研发并安装了2套地面沉降自动化监测设备，对沉降数据进行自动采集、传输与计算，最终实现地面沉降实时监测与预警。

1　工作原理

根据地质情况选择具有代表性的点位进行监测，利用全站仪对拟布设监测点进行坐标放样，并做好点位标示。用勘察钻机在标示好的点位进行钻孔，待成钻孔完成后，将每个监测点根部支撑于基岩上，采用带智能芯片的智能沉降计作为主体，将其固定在基于坚硬岩石的刚性杆上，顶部与地面嵌连，通过测试智能沉降计的沉降量得知地面的沉降量。

采用统一的工业总线接口，将智能沉降计通过一条总线与远程自动化采集箱相连，组成自动化测量系统，利用GPRS或CDMA等无线公用网络进行数据传输，完成对传感器数据的采集和监控。传感器通过GPRS或CDMA接入Internet网，主机只要接入Internet网就可进行数据采集和监控，从而实现高精度远程自动化监测软土沉降的目的。

2　设备组成

设备包括硬件设备和软件设备组成，其中硬件设备由智能沉降计、自动化采集箱、无线电传输模块、太阳能电池组和密封机箱组成，软件由广州市吉华勘测公司使用广州市吉华勘测公司原有专利“一种岩土工程实时监测系统装置”和“远程自动化数据采集系统V2.0”软件著作权为技术核心。

（1）智能沉降计（产品型号：JH02-A）：内置数据存储器，传感器内置1600条数据存储空间，数据循环记录，可随时从传感器中下载相关纪录。传感器内置芯片，自动对测量数据进行换算，直接输出监测物理量，无须人工转换。降低人工劳动强度，同时也保证了数据的真实性。可用于地质灾害、软土基础、各类路基、大坝和各种建筑的基础沉降监测。

（2）自动化采集箱（型号：JH-8000）：可控制传感器在指定的时间自动进行测量，并将结果保存在传感器内。需要提取观测数据时，可将电脑与自动采集箱相连，一次性读出传感器内存中的数据。自动采集箱供电根据现场情况选用太阳能或接220V电源。

（3）无线传输模块：（型号：JH6601）：与自动采集箱配合，在有GSM网络覆盖的地方，通过无线传输模块进行采集控制和数据传输。可在任一接入Internet公网（如：ADSL、163拨号等）的电脑上进行实时数据采集和远程监控。

（4）太阳能电池组及密封机箱：密封机箱内安装自动采集模块、无线传输模块、蓄电池、太阳能控制器等，密封机箱上方安装的太阳能板通过太阳能控制器给蓄电池充电。本次采用的远程无线自动采集监控系统见图1所示。

图1　远程无线自动采集监控系统框架图

（5）软件（系统）：本次系统软件使用广州市吉华勘测公司原有专利“一种岩土工程实时监测系统装置”和“远程自动化数据采集系统V2.0”软件著作权为技术核心。专利和系统包括CAN总线传输、9针RS232通信、GPRS通信、RS485通信、供电电压监测、JTAG和GPS接口、主板供电转换、人机交互接口、外设电源控制、现场温度检测和C8051F040系统，所述C8051F040系统分别与CAN总线传输、9针RS232通信、GPRS通信、RS485通信、供电电压监测、JTAG和GPS接口、主板供电转换、人机交互接口、外设电源控制、现场温度检测通过导线连接。将GPRS数据传输技术应用在滑坡地质灾害远程监测终端系统中；在系统调试中，从供电、防雷、防水、防潮等方面入手，应用多项软硬件抗干扰技术来提高整个系统的可靠性，提高了系统的适应野外工作环境的能力。

在本次研究中，采用统一的工业总线接口，将智能沉降传感器通过一条总线连接自动化数据采集传输系统，利用GPRS或CDMA等无线公用网络进行数据传输，完成对传感器数据的采集和监控。传感器通过GPRS或CDMA接入Internet网，主机只要接入Internet网就可进行数据采集和监控，从而实现高精度自动化监测软土沉降的目的。

3　施工工艺

（1）安装智能沉降计：

①钻孔：在监测点位置进行准确测量放样后即可进行钻孔，孔径大小以∅90mm～∅110mm为宜，使用铅垂测量钻孔的垂直情况。钻孔深度穿过软土层、大于地基压缩层厚度，直至基岩且应入岩500mm。安装时无塌孔、缩孔现象存在。为了防止深部横向位移对监测数据的影响，钻孔完成后，立即采用了∅110mmPVC套管护壁的方式，进行钻孔埋设。套管埋入的深度，底部与基岩连接，顶部距离地面1.5m。

②探孔：首先用等径接头连接好锚头与测杆，将接好锚头的测杆缓慢放入已钻好的钻孔内（锚头朝下，测杆朝上）。待测杆顶部离孔口高约200mm时停住，且用等径接头加长测杆，再往下放置，直至锚头下放到孔底。根据下放至孔内测杆长度确定孔的实际深度。在进行探孔时要保证孔底无沉渣、淤泥等，保证单点沉降计的锚头与基岩直接接触。

③安装沉降计：安装时，应先探孔，算好可下测杆长度，最后安装单点沉降计，此在探孔、确定好孔深后，所需测杆总长应采用不同长度的测杆来配置。其所需测杆总长=实际孔深-1.0m（沉降计主体拉伸总长）-（0.1～0.2）m。在确定好所需测杆后，将锚头、测杆与沉降主体连接好、安装至孔内且锚头至基岩。

④注浆：为了将锚头与基岩更好的锚固成为整体，必须用注浆方式将锚头固定。首先，将注浆管直插到孔底，把注浆管的另一端与地质钻水镑出水管相连接，用地质钻水镑进行注浆。水泥浆比例（水∶水泥=1∶1），孔底浆层深度为1～2m。

⑤灌砂：单点沉降计安装好，待水泥浆沉淀2h后，往孔内灌砂回填，以防止安装孔塌孔而影响测试数据。灌砂时应缓慢灌注，以防孔被堵塞，在灌砂的同时用2m长的竹竿或钢管将砂稍微夯实，使灌砂至法兰沉降盘以下10cm处，再用混凝土填实至法兰沉降盘（防止施工后期雨水渗入孔内而影响路基结构），法兰沉降盘上部可用中粗砂回填至地基面。

⑥保护：单点沉降计及传输电缆的保护是安装后其成活率的关键所在，因此装好单点沉降计后，将传输电缆套上∅20mmPVC钢丝波纹管进行保护，钢丝波纹管首端应插入法兰沉降盘下，并挖深300mm宽100mm的布线槽，引入自动采集箱内，并注意使钢丝波纹管及导线适当松弛。布线槽用中粗砂回填至地基面，接头注意防水。

（2）安装竖杆式远程自动化采集系统：

①挖孔：智能沉降计安装后，在其1m外挖长500mm，宽500mm，深500mm的立方孔，土体作业完成后，土体四壁压实，底部灌200mm的水泥并抹平。

②立杆：将连接智能沉降计的水工电缆线通过安装杆底部的开口引入自动采集箱内，并将装有远程自动化采集系统的密封机箱和太阳能电池组通过抱箍及安装辅件固定在安装杆上，完成上述步骤后，将安装杆立于挖好的立方孔内，用水泥回填，立杆时应注意安装杆杆不能歪斜。

③保护：立杆完成后，在立杆四周用砖头、水泥浆、花岗岩砌水泥墩。并在花岗岩上篆刻单位、保护标示等信息。

（3）测试与数据记录：

①做好单点沉降计安装记录，存档。其内容包括，该单点沉降计埋设的具体位置、埋设锚头深度、实验编号、单点沉降计编号、埋设安装日期、天气状况及安装人员。

②制作好相应的标示牌，插在法兰沉降盘位置及传输电缆布线位置，以做标示。在每次工序转换施工时要安排专人负责看管，以防单点沉降计因施工或自然因素而破坏。

③在单点沉降计安装好后3～5d内，法兰沉降盘上部不能碾压。待缩孔后采用读数仪对安装时的初始位移量进行测试，按照要求做好单点沉降计的埋设台帐。

4　监测及数据分析

本次研究于2015年1月21开始对滨海水晶湾监测点开始钻孔施工，至2015年2月3日完成埋设，2015 年1月27日开始对滨海半岛监测点开始钻孔施工，至2015年2月2日完成埋设。仪器埋设完成后，由于周围土体被扰动，需要等待土体恢复稳定。至2015年2 月6日监测数据基本稳定，说明土体已基本恢复原状，正式的数据采集从2月7日开始。

从2015年2月7日至4月16日，每天对各监测点分别采集1次数据，对所采集的数据进行了分析，分析结果统计见表1，各监测点的监测数据及累计沉降值时程曲线图分别见图2和图3。

表1　监测点沉降情况统计表

从上述图表不难看出：

（1）水晶湾监测点沉降量相对较大，2015年2月7日至4月16日累计沉降4.88mm日均沉降0.074mm，沉降速率变化较小，沉降较均匀，呈现一定的规律性。

（2）滨海半岛监测点沉降量相对较小，2015年2月7日至4月16日累计沉降0.67mm日均沉降0.010mm，沉降曲线基本呈水平状，但其间的最大沉降速率为0.44mm/d，大于水晶湾监测点的最大沉降速率（0.32mm/d）。

产生2个监测点所呈现的差异情况的原因有：

（1）2个监测点所处的地质情况、地基处理效果不同，根据已掌握的情况，水晶湾监测点所在地的沉降量明显大于滨海半岛监测点所在地。

（2）2个监测点的埋设效果有所不同，其中水晶湾监测点埋设情况较理想，土体基本恢复为原始状态，滨海半岛监测点在回填时对土体压实较多，因此造成该监测点的沉降也相对较小。

5　结论及建议

综上所述，本次研究的沉降自动化监测实行情况良好，传感器数据采集正常，系统通信通畅，数据客观可靠，反映了现场土体的实际变化情况，整套自动化设施运行良好，太阳能电池充沛，可以保证长期有效运行。

图2　监测点监测数据及温度时程曲线图

图3　监测点累计沉降时程曲线图

建议在广州其他软土沉降发育的地区推广该项技术成果，继续布设更多的软土地面沉降自动化监测点，以便获得更多数据进行分析研究。

［1］单伟，张文卓，李静辉，等.软土路基沉降信息化监测技术现状［C］//2005年综合交通运输信息化国际研讨会，2005.

［2］陈茂棋.静力水准装置及其在沉降观测试验中的数据分析［J］.工程勘察，1984（1）.

P642

A

1004-5716（2016）05-0008-04

2016-01-06

项目来源：《广州城市地质环境监测预警新技术示范研究》项目提供资助。

刘延勇（1967-），男（汉族），广西平南人，工程师，现从事地质环境调查工作。