柔性測(cè)斜儀SAA 應(yīng)用于香港機(jī)場(chǎng)三跑工程監(jiān)測(cè)

黃利嘉，賀迎喜

（1.中國(guó)港灣工程有限責(zé)任公司，北京 100027；2.中交四航局第二工程有限公司，廣東 廣州 510230）

0 引言

香港國(guó)際機(jī)場(chǎng)第三跑道填海工程在工程初期采用傳統(tǒng)人工測(cè)斜儀（Inclinometer）監(jiān)測(cè)施工期間海堤和深層土體的位移和變形，由于受制于天氣和現(xiàn)場(chǎng)道路狀況，人工讀取測(cè)斜數(shù)據(jù)存在不連續(xù)、數(shù)據(jù)滯后等問(wèn)題，為了解決該監(jiān)測(cè)技術(shù)難題，2000年加拿大MEASURAND 儀器公司獨(dú)創(chuàng)性研發(fā)了基于MEMS 加速度計(jì)的柔性測(cè)斜儀（Shape Acceleration Array），該設(shè)備采用三軸MEMS 加速度傳感器，能夠獲得空間連續(xù)變形曲線(xiàn)，可對(duì)巖土體進(jìn)行實(shí)時(shí)、連續(xù)、高精度、高穩(wěn)定性和高3D空間分辨率監(jiān)測(cè)，對(duì)巖土體的變形、振動(dòng)及加速度可進(jìn)行實(shí)時(shí)可視化監(jiān)測(cè)[1]。本項(xiàng)目首次在香港引進(jìn)柔性測(cè)斜儀SAA，用于人工島海堤變形監(jiān)測(cè)。

1 柔性測(cè)斜儀測(cè)量原理

柔性測(cè)斜儀是由多段子陣列式串聯(lián)而成，每8 個(gè)測(cè)量段一組，稱(chēng)為“八段組”，每個(gè)八段組中還包含有微處理器和數(shù)字溫度傳感器，通過(guò)柔性的連接關(guān)節(jié)連接傳感器或微處理器，該連接關(guān)節(jié)具有較強(qiáng)的抗剪、抗扭、抗拉能力，見(jiàn)圖1。

圖1 柔性測(cè)斜儀結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Schematic diagram of SAA

柔性測(cè)斜儀通過(guò)高靈敏的MEMS 加速度計(jì)陣列與可靠的帶型/繩型算法來(lái)進(jìn)行2D 或3D 形態(tài)計(jì)算。MEMS 加速度計(jì)可以感知每個(gè)測(cè)量段相對(duì)于重力的彎曲角度的大小和彎曲的方向，然后經(jīng)過(guò)換算得出每個(gè)測(cè)量段的變形量，最后再將柔性測(cè)斜儀中所有測(cè)量段的變形量相加得出總的變形量[2-3]，見(jiàn)圖2。儀器在監(jiān)測(cè)時(shí)使用SAA Recorder軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，再通過(guò)SAA 232 數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，整個(gè)儀器使用12 V 的蓄電池進(jìn)行供電。根據(jù)加拿大MEASURAND 公司提供的監(jiān)測(cè)測(cè)試結(jié)果，每段子陣列式的最大彎曲角度為60°；對(duì)于64 個(gè)子陣列式（32 m）連在一起的柔性測(cè)斜儀，測(cè)量精度可以達(dá)到1.5 mm，而柔性測(cè)斜儀的精度與其長(zhǎng)度的平方根有關(guān)，并不是線(xiàn)性相關(guān)變化的，例如：總長(zhǎng)度64 m 的柔性測(cè)斜儀精度為2.1 mm，而不是3.0 mm[4]。

圖2 位移計(jì)算示意圖Fig.2 Diagram of movement calculation

2 監(jiān)測(cè)方案

本文選取人工島北部一段海堤（里程+3000—+3500）的斷面（編號(hào)1-1 斷面）開(kāi)展監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析。監(jiān)測(cè)剖面1-1 見(jiàn)圖3，每間隔200 m 處布置1個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)，總共布置3 個(gè)測(cè)斜孔，見(jiàn)表1。在項(xiàng)目初期均是采用傳統(tǒng)人工測(cè)斜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，后期逐步安裝使用柔性測(cè)斜儀進(jìn)行數(shù)據(jù)監(jiān)測(cè)，通過(guò)對(duì)這個(gè)海堤剖面上的3 個(gè)觀(guān)測(cè)點(diǎn)的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[5]，可以很好地對(duì)傳統(tǒng)人工測(cè)斜儀和柔性測(cè)斜儀進(jìn)行比對(duì)。

表1 監(jiān)測(cè)剖面1-1 監(jiān)測(cè)儀器表Table 11-1 monitoring profile monitoring instrument list

圖3 1-1 監(jiān)測(cè)點(diǎn)剖面圖Fig.3 Monitoring points of 1-1 profile

3 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

在后期的數(shù)據(jù)處理中，選取儀器安裝后的第7 天的觀(guān)測(cè)值作為數(shù)據(jù)的初始值，通過(guò)后期觀(guān)測(cè)值與初始觀(guān)測(cè)值的對(duì)比來(lái)反映海堤的深部土體的位移變形情況，即采用相對(duì)位移變化反映海堤的動(dòng)態(tài)變化情況[6]。3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土層結(jié)構(gòu)見(jiàn)表2。

表2 監(jiān)測(cè)點(diǎn)的土層結(jié)構(gòu)Table 2 Soil structure of monitoring point

1） 垂直于海堤方向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

1-1 斷面各觀(guān)測(cè)點(diǎn)的垂直于海堤方向位移變化曲線(xiàn)見(jiàn)圖4 ～圖6。

圖4 SA-113 垂直于海堤方向位移變化曲線(xiàn)Fig.4 The displacement curve perpendicular to the seawall for SA-113

圖5 SA-133 垂直于海堤方向位移變化曲線(xiàn)Fig.5 The displacement curve perpendicular to the seawall for SA-133

圖6 SA-134 垂直于海堤方向位移變化曲線(xiàn)Fig.6 The displacement curve perpendicular to the seawall for SA-134

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直于海堤方向的不同土層變形范圍見(jiàn)表3。

表3 監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直于海堤方向各土層的位移Table 3 Displacement of each soil layer perpendicular to the seawall at the monitoring point mm

從各監(jiān)測(cè)點(diǎn)垂直于海堤方向位移變化曲線(xiàn)和垂直于海堤方向位移數(shù)據(jù)可看出：3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)面，最大累計(jì)合位移不超過(guò)12 mm，可以看出海堤在不斷地發(fā)生位移變形，主要表現(xiàn)在海相沉積層處的巖土體。隨著深度的加深，位移變形越來(lái)越小，深部土體已趨于穩(wěn)定。截止至目前，海堤的淺表層仍然處于可控范圍的位移變形階段，隨著位移變形不斷發(fā)展擴(kuò)大，最終可能在相對(duì)軟弱的巖土體中形成滑動(dòng)面。因此，在今后的施工過(guò)程中需要實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)海堤的變形情況。

2） 平行于海堤方向監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

各監(jiān)測(cè)點(diǎn)平行于海堤方向的不同土層變形范圍見(jiàn)表4 所示。

表4 監(jiān)測(cè)點(diǎn)平行于海堤方向各土層的位移Table 4 Displacement of each soil layer parallel to the seawall at the monitoring point mm

從以上各測(cè)點(diǎn)垂直于海堤方向位移變化曲線(xiàn)和平行于海堤方向位移數(shù)據(jù)可看出：3 個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)均未出現(xiàn)明顯的滑動(dòng)面，最大累計(jì)位移不超過(guò)11 mm，可以看出海堤在淺表層（人工填料層和海相沉積層）有較大的變形，而深層土層的穩(wěn)定性較好，位移變形情況較小。目前，海堤淺表層的位移變形情況已基本趨于穩(wěn)定。

4 數(shù)據(jù)可靠性分析

1） 與傳統(tǒng)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)結(jié)果對(duì)比：對(duì)于1-1 斷面，從圖4～圖6 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)可以看出，柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)成果與傳統(tǒng)測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)成果基本一致，從一定程度上說(shuō)明了柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性。且SA-133 和SA-134 監(jiān)測(cè)結(jié)果也較為接近，也符合監(jiān)測(cè)儀器的空間位置分布規(guī)律。

2） 與鉆孔取樣結(jié)果對(duì)比：測(cè)斜管在鉆孔安裝時(shí)，-15 mPD 深度鉆孔取樣結(jié)果為海泥和沙的混合物，通過(guò)地質(zhì)分析這個(gè)位置為人工填料層和海相沉積層的分界面，從以上數(shù)據(jù)也可以看出在這個(gè)分界面附近海堤的變形較其他位置大，也能說(shuō)明柔性測(cè)斜儀的觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)與地質(zhì)分析結(jié)論是基本吻合的。

5 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性分析

圖4～圖6 海堤的累積合位移變化曲線(xiàn)可以看出，傳統(tǒng)測(cè)斜儀的監(jiān)測(cè)曲線(xiàn)有突變和異常點(diǎn)出現(xiàn)，而柔性測(cè)斜儀觀(guān)測(cè)到海堤的位移變化是緩慢增長(zhǎng)的，并未出現(xiàn)突變與異常點(diǎn)，這符合實(shí)際的海堤變形的規(guī)律，證明了柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較傳統(tǒng)測(cè)斜儀好[7-9]。

6 結(jié)語(yǔ)

1） 柔性測(cè)斜儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果與傳統(tǒng)測(cè)斜儀的監(jiān)測(cè)結(jié)果基本一致，說(shuō)明柔性測(cè)斜儀是適用于海堤深部變形監(jiān)測(cè)的；地質(zhì)鉆孔的取芯情況可以看出，在地層-15 mPD 處鉆孔取樣結(jié)果為海泥和沙的混合物，根據(jù)地質(zhì)分析這個(gè)深度為人工填料層和海相沉積層的分界面，說(shuō)明柔性測(cè)斜儀的監(jiān)測(cè)成果與地質(zhì)分析結(jié)論吻合，其海堤深部監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的可靠性較好。

2） 柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)到的海堤深部位移變化曲線(xiàn)是緩慢增長(zhǎng)的，并未像傳統(tǒng)測(cè)斜儀出現(xiàn)明顯的異常點(diǎn)和突變情況，這更符合實(shí)際的海堤變形規(guī)律，證明柔性測(cè)斜儀監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性較傳統(tǒng)測(cè)斜儀好。

3） 柔性測(cè)斜儀在填海造陸這種惡劣施工環(huán)境中，設(shè)備依然可以正常工作，且數(shù)據(jù)穩(wěn)定，說(shuō)明設(shè)備本身適應(yīng)惡劣環(huán)境能力較強(qiáng)。

4） 柔性測(cè)斜儀的安裝方法簡(jiǎn)單，且能承受較大的海堤變形，監(jiān)測(cè)工作完成后還能回收再次使用，在經(jīng)濟(jì)角度上也比傳統(tǒng)測(cè)斜儀更具備優(yōu)勢(shì)。

5） 在海堤深部監(jiān)測(cè)中，柔性測(cè)斜儀通過(guò)計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和采集數(shù)據(jù)，避免了人工讀數(shù)所造成的誤差影響，所采集到的數(shù)據(jù)也更為精確、穩(wěn)定、連續(xù)，對(duì)施工條件惡劣的現(xiàn)場(chǎng)具有較好的適用性。且柔性測(cè)斜儀的量程比傳統(tǒng)測(cè)斜儀大很多，能夠監(jiān)測(cè)海堤深部關(guān)鍵位置的微小變形，可以實(shí)現(xiàn)全天候、高精度和大量程的自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，可以實(shí)時(shí)跟蹤施工過(guò)程中海堤的變形破壞情況。

基于上述優(yōu)點(diǎn)，柔性測(cè)斜儀不僅在海堤深部變形監(jiān)測(cè)工作，而且在各類(lèi)邊坡安全監(jiān)測(cè)工作等眾多領(lǐng)域也具有很好的應(yīng)用前景和推廣價(jià)值。