水上軟基處理工程自動(dòng)化監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)研究

劉權(quán)

（廣州廣檢建設(shè)工程檢測中心有限公司，廣東 廣州 510080）

1 研究背景

JGJ 79—2012《建筑地基處理技術(shù)規(guī)范》[1]中提出：在預(yù)壓過程中應(yīng)進(jìn)行地基豎向變形、側(cè)向位移、孔隙水壓力、地下水位等項(xiàng)目的監(jiān)測。一些省市也在相關(guān)規(guī)范、標(biāo)準(zhǔn)[2-5]中提出類似的要求。為保障施工安全以及減少工后沉降，必須在軟基處理時(shí)開展施工監(jiān)測。

近年來，隨著水運(yùn)工程的快速發(fā)展，涉及大量的水上軟基處理，以及對深水條件下大型構(gòu)件下部地基變形監(jiān)測的要求，原有常規(guī)的監(jiān)測方法在水上根本無法實(shí)施，因此必須開發(fā)新型監(jiān)測技術(shù)和方法，以適應(yīng)新的工作環(huán)境和條件要求，自動(dòng)化監(jiān)測技術(shù)成為必然選擇。

本文圍繞水上軟基處理自動(dòng)化監(jiān)控關(guān)鍵技術(shù)展開論述，對開展相關(guān)的監(jiān)測工作具有一定的參考價(jià)值。

2 軟基處理自動(dòng)化監(jiān)控技術(shù)

水上自動(dòng)化監(jiān)測不同于一般的自動(dòng)化監(jiān)測，陸上自動(dòng)化監(jiān)測更多考慮的是地形影響、監(jiān)測效率、測量精度的問題，而水上自動(dòng)化監(jiān)測除了考慮以上因素外，還必須考慮工作環(huán)境、儀器水下工作可行性等多種因素。因此，實(shí)現(xiàn)水上自動(dòng)化監(jiān)測應(yīng)綜合考慮5 種因素進(jìn)行合理設(shè)計(jì)，具體包括：①監(jiān)測儀器的可靠性；②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的合理放置；③供電方法，如何為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)提供電力保障也需要慎重考慮；④數(shù)據(jù)傳輸方法；⑤系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

2.1 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)組成

水上自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)組成與陸上的自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)相一致，主要由現(xiàn)場監(jiān)測儀器、數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)、供電系統(tǒng)、監(jiān)測中心數(shù)據(jù)處理與分析5 個(gè)部分組成。其中，現(xiàn)場監(jiān)測儀器是前提，數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是自動(dòng)化系統(tǒng)的核心，供電系統(tǒng)是基礎(chǔ)，數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)監(jiān)控的關(guān)鍵，數(shù)據(jù)處理和分析是系統(tǒng)的大腦。所不同的是2 種系統(tǒng)所工作的環(huán)境和使用條件不一樣，這也直接決定2 種自動(dòng)化系統(tǒng)在儀器的選擇、監(jiān)控方法、數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)、系統(tǒng)的可持續(xù)性、自動(dòng)化程度等方面有著明顯的差異，應(yīng)根據(jù)水下工作環(huán)境有針對性地開發(fā)水上自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)。

2.1.1 現(xiàn)場監(jiān)測儀器

現(xiàn)場監(jiān)測儀器主要用來監(jiān)測土體內(nèi)部應(yīng)力、應(yīng)變、位移等變化情況，反映土體在處理過程中的狀態(tài)，包括測斜儀、孔隙水壓力傳感器、土壓力傳感器、表面沉降儀傳感器等。由于它在水下工作，工作環(huán)境較復(fù)雜，對其抗?jié)B、抗腐蝕、抗沖擊以及信號(hào)傳輸強(qiáng)度等提出了很高要求。

為了減小外部因素對監(jiān)測質(zhì)量的影響，在眾多的電信號(hào)轉(zhuǎn)換形式傳感器中，選用振弦式量測儀器，即以頻率信號(hào)為轉(zhuǎn)換型式的傳感器，它輸出的是頻率信號(hào)。因頻率信號(hào)可以用電纜遠(yuǎn)距離（＞2 000 m）傳輸，其傳輸?shù)男盘?hào)基本不受導(dǎo)線電阻變化、溫度波動(dòng)以及絕緣電阻變化的影響，具有結(jié)構(gòu)簡單、分辨力高、抗干擾能力強(qiáng)、測值可靠、體積小等優(yōu)點(diǎn)。振弦式傳感器以其長期性能穩(wěn)定而著稱，特別適用于在惡劣環(huán)境條件下進(jìn)行長期監(jiān)測。同時(shí)，還應(yīng)根據(jù)各項(xiàng)工程的特殊性，對傳感器進(jìn)行必要的抗腐蝕性能、抗?jié)B性能等強(qiáng)化處理，以及加設(shè)必要的保護(hù)裝置，防止外部施工對傳感器的破壞，以達(dá)到長期穩(wěn)定使用的要求。

2.1.2 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

要實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自動(dòng)采集和存儲(chǔ)需要2 個(gè)條件：①數(shù)據(jù)采集由微處理器控制，可以通過軟件編制指令實(shí)現(xiàn)對數(shù)據(jù)的自動(dòng)定時(shí)采集和存儲(chǔ)；②便于監(jiān)測傳感器接線頭與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)相連，便于實(shí)際操作。目前國內(nèi)外的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)技術(shù)已經(jīng)較為成熟，完成能夠滿足工程建設(shè)要求，而且有不同的傳輸通道，可以實(shí)現(xiàn)對多種信號(hào)的數(shù)據(jù)采樣，如頻率、電壓、溫度等，自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的應(yīng)用使得現(xiàn)場監(jiān)測可以不受天氣、氣候、地域的影響，減少人為因素影響的干擾，監(jiān)測數(shù)據(jù)更加真實(shí)有效。數(shù)據(jù)采集頻率可以根據(jù)現(xiàn)場施工情況和工況要求隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整，因此可以連續(xù)地觀測到巖土性狀隨外界因素改變或突發(fā)事件引起的變化。

水上自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中一個(gè)很關(guān)鍵的問題是數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置于何處。目前可能采取的方法主要有以下3 種：①數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于陸上，適合于軟基處理位置距離岸邊較近的工程；②數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于水底，將數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于密封艙內(nèi)放置于水底，將監(jiān)測儀器直接連接于數(shù)據(jù)采集器，該方法適合于離岸較遠(yuǎn)的工程使用；③數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)置于水上作業(yè)臺(tái)上，作業(yè)臺(tái)可以是浮臺(tái)或固定平臺(tái)，該方法介于前2 種方法之間，但由于數(shù)據(jù)線需引出水面，數(shù)據(jù)線較長，易受到破壞，且受天氣的影響較大，也不便于管理。

以上3 種方法各有優(yōu)缺點(diǎn)，適合于不同的工程環(huán)境，使用過程中，應(yīng)根據(jù)工程的具體情況，選取合適的方法。

2.1.3 數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)

數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)測中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，考慮到水上監(jiān)測的特殊性和復(fù)雜性，主要包括以下3 種途徑。

第一，無線傳輸方式，是自動(dòng)化程度最高的一種方式，也是水上監(jiān)測優(yōu)先采用的方式，但受限于現(xiàn)場的工作環(huán)境，并不是所有的工程都可以采用此種方式。以上介紹的無線傳輸主要是針對數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)與監(jiān)測中心之間的數(shù)據(jù)傳輸，其實(shí)，在傳感器與數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)之間也可以實(shí)現(xiàn)無線傳輸，即采用無線傳感器，大大提高水上自動(dòng)化系統(tǒng)的便捷性，但無線傳感器費(fèi)用昂貴，工程中較少采用。

第二，有線傳輸方式，此種方式也可以實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化監(jiān)測，與無線傳輸?shù)姆绞阶畲蟮膮^(qū)別就是有線連接，限制了數(shù)據(jù)采集儀與監(jiān)測中心之間的距離，且數(shù)據(jù)線較長，易受到破壞，不利于系統(tǒng)的維護(hù)，在實(shí)際的使用中受到較大的限制。如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置于陸上，可以考慮采用有線傳輸方式。

第三，人工收集方式，該種方法是最不提倡使用的方式，無法實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)化監(jiān)測，需要進(jìn)行人工操作，是其他2 種方法無法實(shí)現(xiàn)條件下所采用的方法，正因?yàn)楸容^傳統(tǒng)，所以受限制條件較少，基本適用于水上監(jiān)測的所有情況。如果數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)放置于水底，且無法安裝無線發(fā)射裝置，則每次收集數(shù)據(jù)都需要潛水員潛入水底，取出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，進(jìn)行人工采取數(shù)據(jù)，無法實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)及時(shí)反饋。

2.1.4 供電系統(tǒng)

供電系統(tǒng)是為數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)和數(shù)據(jù)傳輸系統(tǒng)提供電力保障的，按供電方式的不同，可以分為交流電源、太陽能供電、蓄電池供電等多種方式，實(shí)際使用過程中應(yīng)根據(jù)工程建設(shè)環(huán)境、建設(shè)成本等合理選擇供電系統(tǒng)，保證自動(dòng)監(jiān)控系統(tǒng)的穩(wěn)定連續(xù)工作。

交流電源：該方法適合于離岸較近的工程，如果在海上進(jìn)行，則需要配備一臺(tái)交流發(fā)電機(jī)，成本高，也不便于施工管理，應(yīng)盡量避免采用該方法。

太陽能供電：該方法是水上自動(dòng)化監(jiān)測較為理想的選擇，并配套有蓄電池組，在日照比較充分的時(shí)間，可以將電能存儲(chǔ)于蓄電池組中，供給陰天使用，從而實(shí)現(xiàn)長期穩(wěn)定的電力供應(yīng)。

蓄電池供電：該方法需要周期性更換蓄電池，施工比較麻煩，不便于水上操作。

2.1.5 數(shù)據(jù)處理和分析

由于數(shù)據(jù)處理和分析都在監(jiān)測中心內(nèi)完成，其并不受水上施工監(jiān)測的影響，完全可以采用陸上所采用的方法進(jìn)行。主要包括硬件和軟件兩部分，硬件可采用具有至強(qiáng)處理器及Windows XP 操作系統(tǒng)的服務(wù)器，主機(jī)與無線Modem 連接，對遠(yuǎn)端各種監(jiān)測指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)記錄和存儲(chǔ)，并對各項(xiàng)監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理、分析、判斷、預(yù)測，第一時(shí)間掌握現(xiàn)場地基變化情況；軟件可以借助于第三方數(shù)據(jù)分析處理軟件系統(tǒng)，也可以根據(jù)自身工程特點(diǎn)和要求，在第三方軟件系統(tǒng)基礎(chǔ)上進(jìn)行二次開發(fā)。

數(shù)據(jù)處理和分析在整套自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)中扮演了重要的角色，直接關(guān)系到監(jiān)控的質(zhì)量，決定了自動(dòng)化監(jiān)控能否對施工起到指導(dǎo)作用，因此在自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)特別注意此部分的設(shè)計(jì)。目前，自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)還無法達(dá)到完全智能化程度，還主要依賴于工程技術(shù)人員長期的工程經(jīng)驗(yàn)來加以判斷，所以在自動(dòng)化系統(tǒng)分析和判斷的過程中，仍然以人工判斷為主，輔以計(jì)算機(jī)分析的人機(jī)結(jié)合處理方法。

2.2 自動(dòng)化監(jiān)測內(nèi)容

2.2.1 沉降監(jiān)測

監(jiān)測點(diǎn)布置：應(yīng)選取有代表性的斷面進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，在保證質(zhì)量的條件下，可適當(dāng)減少監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量。

監(jiān)測儀器：土體沉降計(jì)。

基準(zhǔn)參考站：基準(zhǔn)參考站為一充滿水的蓄水罐，其頂部與大氣相通，安置于水上平臺(tái)上。為了保證基準(zhǔn)參考站高程的準(zhǔn)確性以及水上平臺(tái)的穩(wěn)定性，水上平臺(tái)應(yīng)架設(shè)于軟基處理邊界200 m 以外，水上平臺(tái)底部用預(yù)應(yīng)力管樁做支撐，打入微風(fēng)化巖層，上部用鋼構(gòu)件制成平臺(tái)和儲(chǔ)物間，將土體沉降計(jì)的蓄水罐放置于儲(chǔ)物間內(nèi)，避免降雨、臺(tái)風(fēng)等對蓄水罐的水位的影響。

安裝與埋設(shè)：土體沉降儀自身的底沉降板面積小，為便于安裝，將沉降儀焊接在沉降盤上，沉降盤采用2 塊厚10 mm、尺寸為3.0 m×3.0 m 的鋼板，中間采用槽鋼架立隔開焊接而成。為提高金屬材料抗海水腐蝕性，采用防腐材料對鋼板、槽鋼和沉降計(jì)外殼進(jìn)行防腐蝕處理。為防止沉降計(jì)傳感器受海水侵蝕破壞，傳感器引出導(dǎo)線接頭處采用環(huán)氧樹脂處理，然后澆筑一混凝土塊保護(hù)墩（600 mm×600 mm×600 mm）將焊接在鋼板上的沉降計(jì)整體包裹，混凝土采用防水防腐蝕特種混凝土，內(nèi)配鋼筋用于將混凝土塊與鋼板連接。等土體沉降儀安裝完成后，即可以進(jìn)行現(xiàn)場的埋設(shè)，先通過GPS 定位，確定埋設(shè)位置，潛水員潛入水下，在埋設(shè)點(diǎn)處找平4.0 m×4.0 m 區(qū)域，接著通過船機(jī)將沉降板吊入找平區(qū)內(nèi)，然后潛水員人工壓2～3 層砂包，保證沉降板的穩(wěn)定和牢固。

觀測方法：待土體沉降計(jì)安裝完成后即可開展沉降監(jiān)測，取前1～3 d 讀數(shù)的平均值作為初始讀數(shù)。通過監(jiān)控中心電腦發(fā)出采集指令，實(shí)現(xiàn)定時(shí)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。當(dāng)發(fā)現(xiàn)讀數(shù)異?；虿环€(wěn)定時(shí)，應(yīng)及時(shí)分析原因并檢查。

2.2.2 深層土體水平位移監(jiān)測

監(jiān)測點(diǎn)布置：應(yīng)選取有代表性的斷面進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，在保證質(zhì)量的條件下，可適當(dāng)減少監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量。

監(jiān)測儀器：由測斜管和測斜儀所組成的測斜系統(tǒng)。

埋設(shè)方法：采用水上鉆孔埋設(shè)方法，用鉆探成孔法導(dǎo)孔，導(dǎo)孔垂直偏差率不大于1.5%，要求測斜管埋入底部硬土層中至少2.0 m。在清干凈孔內(nèi)淤泥后，放入測斜管，用膨潤土和水泥砂漿回填孔縫，測斜管十字導(dǎo)槽之一必須對準(zhǔn)地基土體變形的方向。在垂直孔內(nèi)安裝固定測斜儀的第一步就是安裝重錘，它可使一串傳感器在孔內(nèi)保持張緊狀態(tài)。傳感器之間用玻璃纖維桿連接，玻璃纖維桿通過兩端螺紋可以和傳感器連接。把儀器下到鉆孔時(shí)請注意傳感器的方向，整串儀器由安裝在孔口的懸掛裝置掛住。

觀測方法：埋設(shè)好后，用水砣測量水深，換算出初始孔口高程，取前1～3 d 讀數(shù)的平均值作為初始讀數(shù)。通過監(jiān)控中心電腦發(fā)出采集指令，實(shí)現(xiàn)定時(shí)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

2.2.3 孔隙水壓力監(jiān)測

監(jiān)測點(diǎn)布置：應(yīng)選取有代表性的斷面進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測，在保證質(zhì)量的條件下，可適當(dāng)減少監(jiān)測點(diǎn)的數(shù)量。

監(jiān)測儀器：孔隙水壓力計(jì)和讀數(shù)儀。

埋設(shè)方法：采用水上鉆孔埋設(shè)方法，用鉆探成孔法導(dǎo)孔，導(dǎo)孔垂直偏差率不大于1.5%，要求鉆孔至硬土層中至少1.0 m。所有鋼筋籠綁扎、膨潤球回填、袋裝砂等的回填都在水上制作完成后，由船機(jī)設(shè)備將鋼筋籠吊入水下，由潛水員在水下協(xié)助完成安裝。

觀測方法：待孔隙水壓力計(jì)安裝完成后即可開展監(jiān)測工作，取前1～3 d 讀數(shù)的平均值作為初始讀數(shù)。通過監(jiān)控中心電腦發(fā)出采集指令，實(shí)現(xiàn)定時(shí)的自動(dòng)數(shù)據(jù)采集。

監(jiān)測頻率：該項(xiàng)監(jiān)測頻率同沉降監(jiān)測相同。

2.2.4 監(jiān)測頻率

自動(dòng)化監(jiān)測可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷監(jiān)測，但高頻率的數(shù)據(jù)采集既不經(jīng)濟(jì)又不環(huán)保，建議仍按常規(guī)監(jiān)測頻率操作。如出現(xiàn)異常情況，可以調(diào)整采樣頻率。

2.3 自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)保護(hù)

穩(wěn)定性對于自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)是非常重要的，必須對自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行必要的保護(hù)，主要有以下3 個(gè)方面的工作。

2.3.1 儀器保護(hù)

儀器的保護(hù)主要針對水上作業(yè)條件下而言，由于水上施工操作的特殊性和復(fù)雜性，一旦監(jiān)測儀器損壞，將無法進(jìn)行相關(guān)補(bǔ)埋，直接影響到后期相關(guān)監(jiān)控工作的開展。

埋置于水底的監(jiān)測儀器應(yīng)設(shè)置一層保護(hù)墊層，建議保護(hù)墊層厚度在0.5～1.0 m，并具有一定的強(qiáng)度和硬度，避免拋石施工等對儀器的損壞；由于海水環(huán)境對于監(jiān)測儀器有較大的腐蝕性，建議對于在海水環(huán)境下工作的監(jiān)測儀器進(jìn)行必要的防腐處理，延長監(jiān)測儀器的使用周期；對于埋置于水底的相關(guān)采集設(shè)備，其外部防水裝置應(yīng)有足夠好的密封性，防止海水滲入損壞了儀器；對于設(shè)置于水上的平臺(tái)也應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的保護(hù)，水上平臺(tái)應(yīng)有足夠的剛度和穩(wěn)定性，減少在惡劣天氣條件下的晃動(dòng)。

2.3.2 導(dǎo)線的選取和保護(hù)

導(dǎo)線是實(shí)現(xiàn)5 個(gè)獨(dú)立系統(tǒng)相互連接的重要載體，也是水上自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分，包括數(shù)據(jù)線和電源線，導(dǎo)線的穩(wěn)定對于整個(gè)自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)的正常工作有著重要的意義。

傳感器導(dǎo)線建議選用ACCC 碳纖維復(fù)合芯導(dǎo)線。其具有顯著優(yōu)點(diǎn)：①強(qiáng)度為普通導(dǎo)線的2 倍，抗拉強(qiáng)度可達(dá)2 500 MPa；②導(dǎo)電率高，可以節(jié)能6%左右；③耐腐蝕，使用壽命可達(dá)普通導(dǎo)線的2 倍；④不易老化，電阻值穩(wěn)定，屏蔽性能非常好，信號(hào)傳輸可抗干擾，耐彎曲，是進(jìn)行水下監(jiān)測的理想材料。

電源線宜選用新型耐海水電源線，芯線采用多股細(xì)絞和精絞成束細(xì)一級(jí)無氧鍍錫銅絲，外面絕緣體采用防海水混合料，該種電源線是針對海水的特殊工作環(huán)境開發(fā)的，具有良好的防水、耐磨、耐腐蝕、高彈性耐彎曲、抗撕裂、耐老化等性能，適合于在海水中進(jìn)行長期工作。

所有引出儀器導(dǎo)線都應(yīng)加裝保護(hù)套管，套管的管徑應(yīng)是導(dǎo)線直徑的2 倍以上，應(yīng)具有較好的剛度，不易受外部沖擊變形，隔一段距離預(yù)留有伸縮余量，置于小線盤中，可以自由伸縮，防止傳感器移位所引起的導(dǎo)線拉伸。

2.3.3 系統(tǒng)的維護(hù)和保養(yǎng)

定期對自動(dòng)化監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行維護(hù)和保養(yǎng)，及進(jìn)更換配件；監(jiān)控過程中如出現(xiàn)異常情況，應(yīng)及時(shí)檢查，確保系統(tǒng)的正常穩(wěn)定工作。

3 結(jié)論

本文首先對水上自動(dòng)化監(jiān)測的頂層設(shè)計(jì)所需要考慮的因素展開論述，指出設(shè)計(jì)中的重點(diǎn)和難點(diǎn)，然后詳細(xì)介紹了自動(dòng)化監(jiān)測系統(tǒng)的組成、監(jiān)測內(nèi)容及監(jiān)測方法、監(jiān)測系統(tǒng)的保護(hù)，對水上軟基自動(dòng)化監(jiān)測工作的開展具有一定的借鑒意義。