智能监测系统在固结法大面积软基处理监测中的应用

张鹏飞

（中交四航局广州南沙工程有限公司 广州510230）

0 引言

在沿海地区软弱淤泥土地基处理过程中，吹填软土具有高含水量、低渗透性、高压缩性、低强度等特性，这导致在对其进行排水固结预压处理的工程实践中，很容易发生由于加载过快而导致地基失稳造成的塌陷以及滑坡等事故［1］。为了更有效地进行大面积软基处理，保障施工安全和加固效果，需要实时和准确的监测技术，为地基处理提供及时准确的参考信息和决策支持。目前固结法软基处理基本采用人工埋设监测仪器，然后按期到现场采集数据的方法。人工监测方法效率低下、读取数据时容易产生误差，且难以满足信息化要求。因而，在大面积软基处理工程中有必要开发并推广智能监测技术，从而为工程提供更高效的监控手段，以便更有效地在事故发生前发出预警，采取必要的补救措施，最终阻止事故的发生［2］。本文依托惠州市某软基处理工程进行了智能监测系统的研发，并在项目实施过程中与人工监测同步进行，将监测数据和实施效果进行对比。

1 智能监测系统组成

智能监测系统主要目标是在软基处理过程中，实现智能监测及远程数据传输的成套仪器、对监测数据进行自动化采集与处理的管理、自动对监测数据进行分析，并对风险进行评估、预警。

智能监测系统主要由传感器节点模块、监测站（含GPRS/4G网关）、GPRS/4G网络、监测终端及相应的监控软件等构成［3，4］。智能监测系统体系结构如图1所示，智能监测系统终端主界面如图2所示。

图1 智能监测系统体系结构示意图Fig.1 Schematic Diagram of Intelligent Monitoring System Architecture

2 智能监测系统工作原理

图2 智能监测系统终端主界面Fig.2 Terminal Main Interface of Intelli⁃gent Monitoring System

通过监测区域内的各个监测节点将采集到的软基土力数据，通过有线通信的方式，传送给GPRS/4G网关。监测区域内的监测节点，其节点和节点之间、节点和GPRS/4G网关之间采用RS485线缆串联进行通信。GPRS/4G网关用来接收监测区域传来的监测数据，并将数据发送到GPRS/4G网络，监测终端通过Internet网络来接收经服务器处理过的数据并控制服务器作相关分析。智能监测中心由终端设备和其中的应用程序组成，终端设备可采用计算机、移动终端、便携笔记本等［5］。

3 智能监测系统数据功能研发

3.1 数据预处理

将监测点接收到的信号，采用适用的理论处理为需要监测的数据。对于自动采集仪采集到的监测数据，系统分别采用不同方法对测斜数据、孔隙水压力数据、压力变送器数据、荷载数据进行预处理，为进行相关计算，必须在软基处理加载前选定各仪器的监测初始值，便于计算其变化值。

3.2 自动风险评估

地基处理施工过程中可能出现失稳、滑坡、局部破坏及监测仪器不正常等异常现象。判断异常数据的发生是属于监测异常还是事故发生的前兆是监测工作的重点。为此，在此次智能监测系统的研发中，根据岩土工程理论及软基处理具体的工程实践经验总结出一套评分规则，以异常监测数据的偏差大小及测点数量两个维度，来综合评价异常情况发生时工程的风险程度。

在评价系统中，评分规则由低到高共分为3个层次：①对单个监测设备的安全评分；②对分区的安全评分；③对整个工程项目的安全评分。高层次的评分一般由低层次的评分来计算。例如地表沉降传感器评分示意如下：读取当天沉降量和前一天沉降量➝计算日平均沉降速率➝根据平均沉降速率所在区间确定评分公式➝计算完成。

要计算地表沉降评分，除异常数据测点个数（与测点所代表的区域面积相关）外，其次是测点数据的偏差评分。首先计算日沉降速率变化值△Vdi=Vdi-Vd（i-1）（即连续2 d沉降速率差），然后根据以下评分区间计算：

当0≤Vdi≤Vz/6（默认Vz=30 mm/d，可根据项目情况在系统中修改）时，M=100；当Vz/6＜Vdi＜Vz时，M=60～100；当Vz＝Vdi，则M=59；当Vz＜Vdi≤2Vz，M=60-10×（Vdi/Vz-1）；当 2Vz＜Vdi，M=100Vz/Vdi；当Vdi＜0 时，应是监测仪器发生故障。

在终端系统操作界面可根据需要选择监测的类型，如图3所示。

图3 监测类型添加窗口Fig.3 The Add Window of Monitor Type

3.3 监测预警

地基处理施工过程中，根据监测数据分析结果，对可能造成的不良后果、紧急程度和发展态势划分等级：Ⅳ级（正常）、Ⅲ级（基本正常、有少许问题）、Ⅱ级（有危险）、Ⅰ级（严重危险），分别用绿色、浅蓝色、橙黄色及红色表示。

⑴ Ⅳ级（正常，绿色表示，85～100分）：所有监测数据正常，数据与预警标准相差较多，反映现场地基稳定状况好，软基处理施工正常。

⑵ Ⅲ级（基本正常、有少许问题，浅黄色表示，60～84分）：有个别或少数几个监测点数据异常，且异常点所在位置其它监测类型数据正常，通常反映仪器故障、局部施工干扰等现象；另一种情况是部分监测项的数据将接近预警标准，但其它监测项的数据均很正常，对软基处理工程来讲较为常见，实际上一般来讲失稳的危险性极低。一般无需发出监测警报。

⑶ Ⅱ级（有危险，橙黄色表示，50～59分）：该状况对应监测数据通常是指达到或略低于控制标准要求的临界值，且局部区域各监测类型的监测数据较多达到控制标准或变化明显，反映该区域局部因施工加载过快或其它原因造成地基有失稳的危险。

⑷ Ⅰ级（严重危险，红色表示，＜50分）：局部监测数据多数达到控制标准且发生急剧变化，地基失稳的可能性极大。

3.4 预测分析

软基处理中的预测计算一般主要针对地表沉降。其他监测指标的预测计算由于在工程实践中应用很少，故此次智能监测系统预测暂未考虑。

在沉降预测计算过程中，根据已有的实测沉降数据，预测未来某一时间的地表沉降或最终沉降，只适用于软基处理。对于恒载期（加载满载后）的推算方法，并不适用于加载期。一般是根据地质条件，假定沉降随时间的变化符合某一数学表达式，根据实际监测的数据，然后采用曲线拟合的方法，求出数学表达的各参数。再根据数学表达式进行预测计算。

目前，系统支持3种预测模型：经验双曲线法、Asaoka法及三点法。这3种预测模型在国内工程界应用较广泛，但同时各有不同的适用条件和范围［6，7］。

4 工程应用

4.1 依托工程概况

本研发项目依托惠州某集装箱码头工程中的软基处理工程，项目中软基处理总面积为552 639 m2（其中276 178 m2为新吹填淤泥区域）。软基处理方法为先进行浅表层真空预压预处理，再进行深层真空联合堆载预压。为确保软基处理加固效果，在施工过程中进行了土力观测以监控施工质量，控制卸载标准等。

4.2 监测方案

为分析验证智能监测系统的实施效果，本项目自动监测系统测点布置尽量与原设计人工监测布置的测点相对应，位于其旁边，以更利于分析对比2种模式的监测数据成果［8-10］。项目测点布置如图4所示，现场照片如图5所示。

图4 项目测点布置平面示意图Fig.4 Layout Plan of Survey Points of the Project

根据试验研究方案，本项目智能监测系统主要监测内容包括表层沉降监测、深层土体分层沉降监测、孔隙水压力监测、地下水位监测（含真空度监测）、深层水平位移监测。

5 数据对比

本次对比选取12 m和20 m深度处测点连续39 d的体分层沉降观测对比数据，如图6、图7所示。

图5 现场测点布置Fig.5 On-site Measurement Points

图6 智能监测分层沉降曲线Fig.6 Layered Settlement Curve of Intelligent Monitoring System

图7 人工监测分层沉降曲线（同期）Fig.7 Manual Monitoring of Layered Settlement Curve（Same Period）

在上述监测统计区间内，可以看出智能监测的分层沉降曲线与人工监测的相对比，其数据变化规律基本一致。在8月13日，自动监测12 m、20 m处沉降分别为39.5 cm、21.2 cm；人工监测12 m、20 m处沉降分别为38.9 cm、21.2 cm。两者相差在误差允许范围内。总体上看，沿深度方向土层累计沉降量呈现逐渐降低的趋势，也表明了软土在加固过程中的压缩性，与实际情况相符。

6 结论

⑴ 从智能监测结果与人工监测结果的对比来看，智能监测系统所取得的数据具有有效性。由于其受外部环境的影响比人工监测更小，其监测数据更具有可信性。

⑵ 智能监测系统的效率远高于人工监测，具有实时性、智能化，大大提高工作效率，能够更有效地保证加固过程中工程安全。

⑶ 智能监测数据与智能监测终端相结合，实现了自动风险评估、监测预警、监测数据预测等功能。不仅提高了监测工作的效率，也大大增加了监测工作的时效性。有异常情况会比人工监测更快给出反馈，从而增加了应急处理的时间。