柔性测斜仪SAA 应用于香港机场三跑工程监测

黄利嘉，贺迎喜

（1.中国港湾工程有限责任公司，北京 100027；2.中交四航局第二工程有限公司，广东 广州 510230）

0 引言

香港国际机场第三跑道填海工程在工程初期采用传统人工测斜仪（Inclinometer）监测施工期间海堤和深层土体的位移和变形，由于受制于天气和现场道路状况，人工读取测斜数据存在不连续、数据滞后等问题，为了解决该监测技术难题，2000年加拿大MEASURAND 仪器公司独创性研发了基于MEMS 加速度计的柔性测斜仪（Shape Acceleration Array），该设备采用三轴MEMS 加速度传感器，能够获得空间连续变形曲线，可对岩土体进行实时、连续、高精度、高稳定性和高3D空间分辨率监测，对岩土体的变形、振动及加速度可进行实时可视化监测[1]。本项目首次在香港引进柔性测斜仪SAA，用于人工岛海堤变形监测。

1 柔性测斜仪测量原理

柔性测斜仪是由多段子阵列式串联而成，每8 个测量段一组，称为“八段组”，每个八段组中还包含有微处理器和数字温度传感器，通过柔性的连接关节连接传感器或微处理器，该连接关节具有较强的抗剪、抗扭、抗拉能力，见图1。

图1 柔性测斜仪结构示意图Fig.1 Schematic diagram of SAA

柔性测斜仪通过高灵敏的MEMS 加速度计阵列与可靠的带型/绳型算法来进行2D 或3D 形态计算。MEMS 加速度计可以感知每个测量段相对于重力的弯曲角度的大小和弯曲的方向，然后经过换算得出每个测量段的变形量，最后再将柔性测斜仪中所有测量段的变形量相加得出总的变形量[2-3]，见图2。仪器在监测时使用SAA Recorder软件进行数据采集，再通过SAA 232 数据转换器进行数据转换，整个仪器使用12 V 的蓄电池进行供电。根据加拿大MEASURAND 公司提供的监测测试结果，每段子阵列式的最大弯曲角度为60°；对于64 个子阵列式（32 m）连在一起的柔性测斜仪，测量精度可以达到1.5 mm，而柔性测斜仪的精度与其长度的平方根有关，并不是线性相关变化的，例如：总长度64 m 的柔性测斜仪精度为2.1 mm，而不是3.0 mm[4]。

图2 位移计算示意图Fig.2 Diagram of movement calculation

2 监测方案

本文选取人工岛北部一段海堤（里程+3000—+3500）的断面（编号1-1 断面）开展监测数据分析。监测剖面1-1 见图3，每间隔200 m 处布置1个观测点，总共布置3 个测斜孔，见表1。在项目初期均是采用传统人工测斜仪进行数据监测，后期逐步安装使用柔性测斜仪进行数据监测，通过对这个海堤剖面上的3 个观测点的观测数据进行分析[5]，可以很好地对传统人工测斜仪和柔性测斜仪进行比对。

表1 监测剖面1-1 监测仪器表Table 11-1 monitoring profile monitoring instrument list

图3 1-1 监测点剖面图Fig.3 Monitoring points of 1-1 profile

3 监测数据分析

在后期的数据处理中，选取仪器安装后的第7 天的观测值作为数据的初始值，通过后期观测值与初始观测值的对比来反映海堤的深部土体的位移变形情况，即采用相对位移变化反映海堤的动态变化情况[6]。3 个监测点的土层结构见表2。

表2 监测点的土层结构Table 2 Soil structure of monitoring point

1） 垂直于海堤方向监测数据分析

1-1 断面各观测点的垂直于海堤方向位移变化曲线见图4 ～图6。

图4 SA-113 垂直于海堤方向位移变化曲线Fig.4 The displacement curve perpendicular to the seawall for SA-113

图5 SA-133 垂直于海堤方向位移变化曲线Fig.5 The displacement curve perpendicular to the seawall for SA-133

图6 SA-134 垂直于海堤方向位移变化曲线Fig.6 The displacement curve perpendicular to the seawall for SA-134

各监测点垂直于海堤方向的不同土层变形范围见表3。

表3 监测点垂直于海堤方向各土层的位移Table 3 Displacement of each soil layer perpendicular to the seawall at the monitoring point mm

从各监测点垂直于海堤方向位移变化曲线和垂直于海堤方向位移数据可看出：3 个监测点均未出现明显的滑动面，最大累计合位移不超过12 mm，可以看出海堤在不断地发生位移变形，主要表现在海相沉积层处的岩土体。随着深度的加深，位移变形越来越小，深部土体已趋于稳定。截止至目前，海堤的浅表层仍然处于可控范围的位移变形阶段，随着位移变形不断发展扩大，最终可能在相对软弱的岩土体中形成滑动面。因此，在今后的施工过程中需要实时监测海堤的变形情况。

2） 平行于海堤方向监测数据分析

各监测点平行于海堤方向的不同土层变形范围见表4 所示。

表4 监测点平行于海堤方向各土层的位移Table 4 Displacement of each soil layer parallel to the seawall at the monitoring point mm

从以上各测点垂直于海堤方向位移变化曲线和平行于海堤方向位移数据可看出：3 个监测点均未出现明显的滑动面，最大累计位移不超过11 mm，可以看出海堤在浅表层（人工填料层和海相沉积层）有较大的变形，而深层土层的稳定性较好，位移变形情况较小。目前，海堤浅表层的位移变形情况已基本趋于稳定。

4 数据可靠性分析

1） 与传统测斜仪监测结果对比：对于1-1 断面，从图4～图6 监测数据可以看出，柔性测斜仪监测成果与传统测斜仪监测成果基本一致，从一定程度上说明了柔性测斜仪监测数据的可靠性。且SA-133 和SA-134 监测结果也较为接近，也符合监测仪器的空间位置分布规律。

2） 与钻孔取样结果对比：测斜管在钻孔安装时，-15 mPD 深度钻孔取样结果为海泥和沙的混合物，通过地质分析这个位置为人工填料层和海相沉积层的分界面，从以上数据也可以看出在这个分界面附近海堤的变形较其他位置大，也能说明柔性测斜仪的观测数据与地质分析结论是基本吻合的。

5 数据稳定性分析

图4～图6 海堤的累积合位移变化曲线可以看出，传统测斜仪的监测曲线有突变和异常点出现，而柔性测斜仪观测到海堤的位移变化是缓慢增长的，并未出现突变与异常点，这符合实际的海堤变形的规律，证明了柔性测斜仪监测数据的稳定性较传统测斜仪好[7-9]。

6 结语

1） 柔性测斜仪的监测结果与传统测斜仪的监测结果基本一致，说明柔性测斜仪是适用于海堤深部变形监测的；地质钻孔的取芯情况可以看出，在地层-15 mPD 处钻孔取样结果为海泥和沙的混合物，根据地质分析这个深度为人工填料层和海相沉积层的分界面，说明柔性测斜仪的监测成果与地质分析结论吻合，其海堤深部监测数据的可靠性较好。

2） 柔性测斜仪监测到的海堤深部位移变化曲线是缓慢增长的，并未像传统测斜仪出现明显的异常点和突变情况，这更符合实际的海堤变形规律，证明柔性测斜仪监测数据的稳定性较传统测斜仪好。

3） 柔性测斜仪在填海造陆这种恶劣施工环境中，设备依然可以正常工作，且数据稳定，说明设备本身适应恶劣环境能力较强。

4） 柔性测斜仪的安装方法简单，且能承受较大的海堤变形，监测工作完成后还能回收再次使用，在经济角度上也比传统测斜仪更具备优势。

5） 在海堤深部监测中，柔性测斜仪通过计算机实时监测数据和采集数据，避免了人工读数所造成的误差影响，所采集到的数据也更为精确、稳定、连续，对施工条件恶劣的现场具有较好的适用性。且柔性测斜仪的量程比传统测斜仪大很多，能够监测海堤深部关键位置的微小变形，可以实现全天候、高精度和大量程的自动化监测，可以实时跟踪施工过程中海堤的变形破坏情况。

基于上述优点，柔性测斜仪不仅在海堤深部变形监测工作，而且在各类边坡安全监测工作等众多领域也具有很好的应用前景和推广价值。