大量程沉降自动化监测在港口建设中的实施和成果应用

◎ 高小勇 中交第三航务工程局有限公司厦门分公司

1.前言

在软弱地基上进行港口建设过程中，为保证施工期陆域软基加固质量、堆载预压整体稳定安全以及施工期的安全与稳定，需进行地基处理施工中沉降观测，随时掌握地基的变形，以利于指导和调整施工速率，保证工程质量。自动化监测技术工艺作为新型监测技术手段相对人工监测而言可以全天候自动采集监测数据，远程处理，实现软基施工过程大量程沉降监测的智能化和信息化。

2.工程应用

2.1 工程概况

某工程为港口码头建设，其中陆域形成面积42.36万m，采用吹填基槽、港池、回旋水域疏浚料形成，地基处理为打塑料排水板，堆载预压，卸载后强夯密实、振冲处理。工程所在范围内自上而下地质情况主要分布有①灰黄色粉细砂、②b灰色淤泥混砂、②c灰色淤泥质土、②d灰色粉细砂、③a灰～灰黄色粉质黏土、③b灰～灰黄色细砂、④a 灰色淤泥质土、④b灰色细砂、⑤a灰黄～青灰色粉质黏土、⑤b灰～灰黄色中砂、⑦杂色残积砂质黏性土、⑧a杂色全风化花岗岩。

2.2 监测方法

2.2.1 自动化监测（沉降计）

2.2.1.1 沉降计原理

（1）沉降计由沉降板，储液灌，联络管道和液压传感器组成，其中储液罐上部安装法兰盘，用以连接沉降板。联络管道中设置有液体和气体两管，传感器电缆也从联络管道中软管内通过，其原理采用类似静力式水准仪原理，其量程值经过改装调试使其量程范围可达到0-10m的沉降范围，并在实验室中得到充分论证。

（2）整个系统为密封式系统，储液灌通过连接管道与液压传感器连接，储液灌顶部通过通气管与液压传感器通气端连接。

（3）用液体压力变化表征沉降板沉降。将液压传感器安装在沉降稳定的地层内或者沉降稳定的结构上，当沉降板相对液压传感器的高度发生变化时，液体传感器上的液体压力发生变化，通过液体压力变化量测得到沉降量。

（4）通过液、气循环，自动平衡密封空间的气体压力变化。

2.2.1.2 沉降计安装

沉降计传感器于插设排水板后埋设。根据该区域的地质情况确定传感器的安装位置，预先加工好传感器联络通道的长度，在钻机就位时采用水平尺进行钻机的调平工作以保证钻机成孔后的垂直度，先放入一定长度的测杆，然后连接沉降计黑色保护小管继续放入孔内，接着将钢制沉降板用螺栓连接到法兰盘，放置到地表上，并引出电缆。将每个沉降点引出的电缆线沿砂面挖沟敷设直至接入现场设置的相应采集模块，采集箱设置保护装置并作明显标记进行保护。

2.2.1.3 数据采集

图1 采集模块及传输模块图

图2 实时数据曲线图

自动化监测系统由监测传感器、CWM系列自动化采集设备、GPRS无线通信网络、CWM数据采集系统软件等组成。由CWM网络化自动采集各类传感器的获取数据，通过CWM数据采集系统软件实现监测数据采集、存储、分析、云服务于一体的自动化监测。自动化采集软件是集数据采集、存储、分析、云服务于一体的多功能执行驱动软件，为保证传感器电缆在施工过程中不受破坏，现场采用将传感器的所有电缆线挖沟深埋敷设直至进入数据采集箱，增加系统模块，通过采用GPRS/CDMA 网络传输至CWM分析系统上，可利用电脑、手机、ipad等随时随地地查看并管理采集系统，可以全天候自动采集监测数据，远程处理，实现软基施工过程的智能化和信息化，并根据监测数据结果及时进行分析，进行现场施工方案调整，为确保监测数据通过GPRS/CDMA 网络传播的稳定性，根据现场信号情况选用信号较好的电信信号并在系统模块上增加有线连接接口，在突遇无信号或者信号受干扰的情况下可通过连接电脑进行数据的采集，保证数据的连续性及完整性。

2.2.2 人工监测（沉降板）

2.2.2.1 沉降板埋设

埋设前根据设计要求尺寸加工好沉降标，堆载预压沉降标安装在砂垫层之下，安装位置紧邻自动化监测点，沉降杆每节长度1.0～1.5m，可以接长。沉降标的竖管垂直偏差不大于2%，设置保护装置，施工期间做好对沉降标的保护。

2.2.2.2 观测方法

在沉降盘埋设完成后，立即量测其原始高程，作为初读数。在之后测量沉降观测点的高程，即可得到前后两次测量间隔的变化值，计算出累计沉降值。根据工程进展的情况，在堆载预压过程中沉降板内部观测管同步加高。每次观测同时测量出沉降标附近区域地表的标高。

2.3 监测项目总体布置情况

地基处理区按每约10000m布置一个观测点，按100×100m方格网布置。本工程陆域Ⅱ-1区采用施打塑料排水板+堆载预压地基处理方法，故在陆域Ⅱ-1区布置4个断面，编号为BC1～BC4。

2.4 监测项目流程

2.4.1 人工监测流程

沉降板埋设 → 根据设计要求利用水准仪进行水准测量 → 数据平差处理及报告出具

2.4.2 自动化监测流程

2.5 监测频率

由于自动化监测与人工监测其监测方法的差异性，其采用如下频率监测：自动化监测每6个小时观测1次；人工监测每天观测1次。

图3 自动化监测流程图

3.监测成果及其分析应用

3.1 监测数据成果分析

通过自动化监测系统及人工监测相结合的方式进行一个月的数据采集，其数据汇总见表1。

表1 自动化监测数据

综合表1可知BC1～BC3在整个自动化监测系统及人工监测相结合观测期间，在扣除误差影响的情况下，其数据基本吻合，监测数据满足现场施工条件的变化规律，BC4自动化监测与人工监测存在26mm偏差，分析其原因是由于BC4自动化监测埋设过程中其底部进入稳定土层的深度为2m，相对其它3个沉降观测点进入稳定土层的深度3m较浅，其底部在堆载施工过程中发生的沉降影响产生，透过后续其他区域的大量数据分析，人工监测数据与自动化监测数据误差较小，由此可知大量程沉降自动化监测系统在软土地基监测中可以满足使用要求。

3.2 大量程沉降自动化监测应用

综合分析可知在港口建设施工期沉降采用自动化监测，可随时掌握地基的变形情况，指导和调整施工速率，保证工程质量。自动化监测对比人工监测主要体现有：适应性强、可连续监测、监测数据准确、数据自动量化生产曲线、安全可靠等特点；能有效指导施工，监测过程便利，提高施工效率，同时，在恶劣作业的特种环境下，降低了危险系数，保证了安全，随着我国无线通讯发展的进程迅速，无线传输网络因其安装快捷，维护简便，无需布线的优点已经逐渐取代了目前现有的有线传输模式，尤其是GPRS无线传输运营建设费用低，传输速度快，采用协议带宽，是目前最为常用的无线通讯方式，可以较好服务于自动化监测，整个监测过程不受作业空间和时间的影响，另外由于自动化监测采集的数据具有连续不间断的特点，数据采集贯穿整个施工过程，庞大的数据量可以充分用来分析软土地基的变化趋势，从而做到早预防，早干预，有效减小安全事故的发生，所采集的数据和施工工艺同步，也可以用来与设计对比，为以后此类项目的设计提供借鉴。随着仪器元件生产的普遍性，其元件的价格及稳定性将更进一步提高，今后沉降自动化优势及普及性将更一步凸显。

4.结语

港口建设中，地质情况多种多样，监测作为施工过程安全及质量监控的重要手段之一，在伴随智能化信息时代的到来，自动化监测将逐步走深走远。