城市地下管网老化诱发路面塌陷在线监测系统技术方案书.docx
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城市地下管网老化诱发路面塌陷在线监测系统技术方案书
地下管网（暗渠）老化诱发路面塌陷
自动化在线监测系统
技术方案书
一、工程背景
1.1、概况
**市地处中国南部海滨城市，位于珠江入海口东岸，与国际大都会香港一水之隔，地处广东省南部，珠江口东岸，东临大亚湾和大鹏湾；西濒珠江口和伶仃洋；南边**河与香港相联；北部与东莞、惠州两城市接壤。
辽阔海域连接南海及太平洋。
其地下含水丰富，目前诸多工地同时开挖动工，高楼地基、地铁等深坑施工项目云集。
近年来，**市地下管网塌陷事故愈演愈烈，已发生的十余次地陷事故，均造成了极其严重的人员伤亡和财产损失事件。
通常地下管线几千公里长，引发地陷的原因是因为由于管道爆裂、地下箱涵、暗渠等基础设施老化和工程施工扰动等造成的。
而地下箱涵老化，导致管道渗水，再加上地表水对地面与管道之间的泥土进行长期冲刷导致土质疏松，冲刷后在水泥路面下方形成了空洞，在长期动荷载的作用下，路面受力久而久之便出现了坍塌。
而地下管道突然爆裂导致的地陷，事前难以被察觉，往往事发之后才会被发现。
严重的次生灾害可导致周边临近建筑物发生沉降或者倾斜，如图：
房屋沉降
1.2．自动化在线监测系统的概述
在线监测系统是利用传感器技术、自动采集技术、网络传输技术和软件处理技术，从宏观、微观相结合的全方位角度，来监测影响塌陷区域沉降安全的关键技术指标，记录历史、现有的数据，分析未来的走势，以便辅助监测运营单位决策，提升安全保障水平，有效防范和遏制重特大事故发生。
是由多种数字化的形变监测仪器、数据采集器、网络无线收发器、供电系统、宽带网中继服务器、笔记本电脑等组成，在待测区域设置若干测点，组成监控网络，选定数据采样速率，对待测体进行三维动态监测。
终端依托智能软件系统，建立分析变形预警模型，实现与短消息平台结合，当发生异常时，及时自动发布短消息到监测管理人员的手机上，尽快启动相应的预案。
系统的基本原理如图示之：
图1系统的基本原理框图
系统各技术参数可随用户要求而组合。
系统的不同组合，在国内被成功地应用于超高层建筑、核电站、大坝工程、尾矿坝、铁路（地铁）路基、大跨度等建筑物的动态变形监测；岩土工程、高边坡、沉降不均的动态变形监测；滑坡、危岩体、泥石流、活动断层等地质灾害的动态变形监测服务；在欧、亚洲被西班牙、葡萄牙、比利时、卢森堡等国的火山、地震、活动断层、地温与地球动力学监测研究及巴基斯坦核电站等方面的三维动态变形监测和安全评估中应用。
本系统的研制、推广和应用是逐步取代或改变工程安全和灾害体变形的常规传统的方法，实现对建筑构体的连续动态变形监测。
这是时代进步的需要，也是工程安全和减灾形势发展的需求，建立数字化动态变形的监控和评估是现代工程安全迫切需求，也是综合防灾减灾决策信息化、数字化紧迫要求。
为了推动工程安全和减灾防灾事业的发展，本系统运用先进的传感技术、数字通讯技术、自动采集技术、软件数据处理分析技术等先进技术，经过长期研发为工程安全和灾害综合防御建立的系统。
1.2.1、地表沉降监测发展现状
地面塌陷是指地表岩、土体在自然或人为因素作用下向下陷落，并在地面形成塌陷坑的一种动力地质现象。
它具有隐伏性、突发性、群发性、多因性等特点。
地面塌陷地质灾害的发生与其发育的地质条件和作用因素密切相关。
塌陷的监测方法归纳起来可分为人工监测法和自动监测法两类。
人工监测方法就是测量人员通过使用经纬仪、水准仪等测量设备直接监测的地下土体或地面的变形来判断地面塌陷的重复施测方法,如监测地面、房屋沉降等常规方法,以及地质雷达和光导纤维等监测地下土体变形的非常规方法。
自动监测方法主要采用了电子传感测量技术、数据自动采集技术、无线网络传输技术以及数字软件处理技术，由于塌陷往往具有突发性,经过我们多年的研究和实践发现,采用人工监测法效果并不好,不能达到实时监测的目的，而采用自动监测技术来监测塌陷则取得了较好的效果。
目前中国超过50个城市发生地面沉降。
最严重的是长江三角洲、华北平原和汾渭盆地。
面对沉降危害的日益加剧，很多城市将在线监测和综合治理相作为一个长期的任务，其中北京上海在这方面做了较大的努力。
1、北京
北京已于2004年启动了地面沉降监测网站预警预报系统。
地面沉降监测网站预警预报系统一期总投资2620万元，分别在顺义区天竺、望京工业开发区、王四营乡建成3个地面监测站，实现地面沉降自动化监测，全面提高北京地区沉降监测能力、预报能力和防御能力。
后面还将继续开展二期监测。
2、上海
过度抽取地下水，曾经是造成上海地面沉降的主要原因，然而在采取有效的“控沉”措施后，如今影响上海地面沉降的另一个原因，是不断拔地而起的高层建筑。
大量建筑和地铁施工造成的“不均匀沉降”仍然困扰着上海
图1
图2
为了应对地面沉降问题，上海出台了监测与治理相结合政策，
1、实时监测地下水位的变化；
2、监测建筑物、管线、隧道周围的地面沉降情况；
3、出台了针对容积率的“双增双减”政策，即增加公共绿地和公共活动空间，减少建筑容量和高层建筑；
4、每年向地下灌入大量的水。
通过长期的监测治理，上海地面沉降得到了较好的控制。
1.2.2、沉降监测主要问题
从上世纪80年代以来，国内专家和学者开始对地面坍塌进行了研究，并取得了一定的效果，从探测方法上来看，包括浅层地震、地质雷达、声波透视和电磁波等技术的综合物探方法，在实际应用中发挥了重要作用。
但是，由于城市道路复杂面积极大、地下管网系统的错综复杂以及造成地面坍塌的原因众多，因此，目前并没有有效的方法去整体性地预警可能发生的地面坍塌，只能从较单一角度去监测有针对性的对象。
经过这么多年的发展和实践，地面沉降监测的理论和技术已经趋于成熟，但是也有许多问题；
1、设备安装施工难度大，地面沉降往往发生在城市里面，所以设备的安装和防护都有很大难度的，特别是一些安装在地面的设备就不适合在城市里面使用；
2、城市地下有众多复杂的管线，所以不宜选择需要打孔的监测方法及设备；
3、为了保证路面的安全和交通的通畅，安装设备时需要尽可能小的开挖路面。
1.2.3、沉降监测需求分析
地面坍塌事故的诱发因素主要有两种：
地下供给、排水管线破裂和市政工程施工。
目前,城市的主要管线,绝大部分都是修建于上世纪六、七十年代,多采用钢筋混凝土刚性平接口管道,由于这种管材的抗拉强度和抗冲击强度都很低,当受到地基不均匀沉降、地面承载力发生变化、管道养护不及时、设施老化以及污水中污染物的腐蚀等因素影响时,管道就会发生变形、错位甚至破裂。
一旦出现上述问题,就会造成地表层大量水的积存,长时间或大量的漏水就可能造成土壤结构层下形成空洞,使地面处于随时可能发生塌陷的状态。
近年来，地面坍塌事故不断，2012年2月28日，上海市松江区一工业园区内发生大面积坍塌；2012年2月29日，安徽合肥市北二环的北环阳光花园小区突然发生地陷事故；2012年7月5日凌晨，长沙市湘江中路南湖路口“保利国际广场”附近路段突然塌陷，陷坑深不见底，坑口面积约有30平方米，一台从此路过的宝马轿车被吞没。
这些事故的发生,直接影响了市政工程的工程进度和人们日常生活的正常进行,在造成经济损失的同时也给城市居民的生活和工作带来了极大不便,造成了极坏的社会影响，其危害是巨大的：
1、由于地下管道的老化渗漏导致的地面沉降大多数都发生在城市中，这对建构筑物、往来车辆、诸多行人的危害往往是致命的，每年全国发生类似的事故屡屡频发，尤以**市为重；
2、地面的沉降往往是长期的，如果在沉降初期，通过变化量的趋势就能监测到，这样就可以提前采取相应的补救措施，可以避免后期灾害的发生，给人民生命财产安全带来的损失；
3、通过监测地下管道上方路面的沉降，可以推断出该区域管道是否老化，而发生了渗漏现象，从而可及时对管道进行维修或更换；
4、通过对重点区域的监测，可以得出一片区域的沉降趋势，为在该区域的安全管理与掌控提供必要的基础信息。
因此，对地面坍塌的监测预警就显得尤为重要。
1.3．技术优势
本系统除了具有GPS方法的各项优越性和特色（各测点无需通视、长年连续自动采样、无人值守、操作方便等）外，还具有高精度、量程范围大、长期稳定、抗干扰强、远程遥控、采样点设置随意性强、数据处理分析直观简便（相对于GPS方法）、变形和振动可同步测量等更显突出。
在实现长期动态稳定运行中，使用寿命长，大幅降低设备维护成本。
按“性价比”分析，本系统的综合价格远低于常规传统测量方法或GPS测量方法。
（1）、系统可以根据待测体监控范围的要求和监测需要，不同部位设置监测点位，对各重要部位进行长期连续地动态变形（如倾斜变化、水平应变、沉降不均、气象、环境等的位移、速率和加速变化）的连续的监测。
（2）、系统备有多种数据采集率（如可程控为1小时、10分钟、1分钟采集1次），各测点的数字同步采样可根据灾害天气、岩体变形征兆、突发事件的需要，任意选用。
（3）、系统可对待测载体的垂直剖面的时序动态变化图形、各测点的变形和振动的时序动态变化图形（位移、矢量、振动等动态变化）实现实时回放，直观地用于路基结构损伤识别。
并可用虚拟现实技术，把监控区内的整体特征和建筑物的动态变化图像生动地呈现出来，方便地为决策者使用。
（4）、系统精度可达毫米或亚毫米级，高于GPS的精度。
传感器的量程大,例如摆系，可以达到±5度，实现高精度、大量程、快速地采样。
（5）、系统一般在待测载体的10〜100km以远，设有远程遥测、遥控中心。
可以对系统技术参数进行远程调试，对建筑物灾害性事件进行自动预警和远程调度指挥。
（6）、系统具有长期、稳定、连续、精确、全天候地多测点同步自动采样的特性。
（7）、由于实现无人实时监测。
系统实现连续、实时、自动化长期监测，避免了人工观测误差。
（8）、实现长期稳定运行。
使用寿命长，大幅降低设备维护成本。
按“性价比”分析，在长期监测要术下，系统的价格远低于常规传统测量方法或GPS测量方法的价格。
（9）、可实现多现场、多测点的集中监控。
也可同时对多个现埸的测点进行测控。
（10）、对不同行业安全极值的预警要素，系统可根据不同行业的安全“预警值”设定安全报警功能，及时处理安全隐患，为人身安全转移、工程安全预防提供预警信息。
（11）、数据的干扰源远小于GPS方法。
为此，数据处理分析简捷可信。
可实现采集数据的快速分析。
推动和提高“健康诊断”的准确率。
二、监测系统功能设计
2.1、设计思路
由于危害来源于地下不方便采用常规的监测手段，需要采用全自动化手段，切实做到24小时实时监测的目的，当发生预警时对危害点实施紧急治理和修善。
采用自动监测系统作为地面坍塌预警监测的关键点在于：
1、监测数据的自动采集
数据采集要做到自动化、智能化，同时要考虑与传统人工方法相结合，做到初支完成后能进行自动化监测工作。
2、采集数据的传输
数据的传输要考虑时效性、有效性，要做到有线、无线或者有线与无线相结合的方式进行传输，实现数据传输的网络化，快速传输数据信息。
3、预警分析判断的标准
对采集的数据要进行定性和定量分析，变形需考虑累计变形量和变化速率2个参数，数据的判识标准以安全和保守为原则，以小时计的变形作为判断依据，做到对监测设计的自动判识与人工判识的结合，实现动态实时化，及时发现坍塌险情，做到智能化，自动判释变形。
2.2、方法的选择
由于路面沉降主要是地下水和管道泄漏造成的，所以监测地下水位的变化和管道于地面之间的变化尤为重要，选择监测方法及监测设备时必须充分考虑实际的情况：
1、由于路面沉降可能会较大所以必须选择足够大量程的传感器；
2、由于监测的对象是城市管道造成的路面沉降，当前期发生沉降时由于路面是一个整体的原因会形成一个空洞。
但是路面是完整的，所以监测的时候必须监测路面以下的部分才能实时反应情况。
3、由于城市管道上方往往是城市交通道路，所以监测方法和监测设备不能选择在路面。
4、由于城市道路往往不是在同一个高程上，一段道路之间的高差也许会比较大，所以选择监测设备时不能选择需要调平的设备。
5、采用传感器必须达到实时监测路面沉降之目的。
6、现场条件有限，应该尽量避免对路面的破坏，设备的埋设深度应该紧贴路面底部。
2.3、监测项目
利用晶硅式静力水准仪直接测量路基的沉降变化。
2.4、监测原理
通过监测得出路面沉降的实时状态、沉降速率，掌握路面沉降的规律，预判沉降的趋势。
2.5、传感器原理
2.5.1、晶硅式静力水准仪原理
1、原理
晶硅式静力水准仪是一种将压力的变化转换为沉降量变化的传感器，如等效图所示：
因为：
传感器受到的压力为F，F=ρ*g*h*S，其中ρ为密度、g为加速度、S为受力面积，这3个都为固定不变值，只有h为变化值。
所以：
传感器受到的压力F只跟传感器的高度h成正比
结论：
通过与基准点的比对可以换算出监测点的沉降量
基准点为塌陷范围外的相对不动点。
监测点的沉降：
测点1的沉降值=X1-X0
测点2的沉降值=X2-X0
测点3的沉降值=X3-X0
2.6、产品优势
2.6.1、传感器
本方案中由于监测条件的特殊性，选择监测设备时需要充分考虑各种因素，特别是地面沉降及房屋沉降，监测管道上方地面沉降需要将设备埋设在路面以下管道以上方便道路的通行，所以地面沉降监测设备不能采用常规的沉降设备（如：
老款的静力水准仪等），必须采用不受高差现在而且能全面埋设于地下的高精度大量程晶电水准仪。
晶硅式静力水准仪的优势：
1、差压式原理可以不受地形高差的影响，跟随地面走势安装，而不需要为了调节水平而制作墩台；
2、全密封原理可以紧贴地面安装或者埋设于地下，不会影响道路刚性结构和交通；
3、大量程高精度，适合监测道路和建筑物的微小变化；
4、体积小，如果安装条件只允许安装在地面，那必须选择体积，高度都很小的设备才不会影响交通，如果安装地面以下也需要体积小的设备，而不会过多的破坏道路结构；
2.6.2、采集仪
本方案采用全自动高频率数据采集仪，可以同时采集地面沉降、地下水位、建筑物变形监测的各种传感器：
1、总线式采集系统减少现场的布线；
2、带液晶显示，可以直观的显示系统的工作状态；
3、带自动检测功能，实时监测传感器的工作情况，判断设备的好坏；
4、带数据存储，防止因为断电等原因造成的数据丢失；
5、带GPRS数据传输和有线传输适合不同情况；
6、自动防护功能，防止雷电或者电压不稳对系统的损害。
2.7、实施方案
路面沉降采用晶硅式静力水准仪，可以适应不同的地下路况，可以全部掩埋在路面以下确保路面畅通。
2.7.1、布点原则
根据管线走向、塌陷区域特征、沉降原理、路面结构等因素，本方案拟采用十字布点原理，每个区域布设6套传感器（含1套基准点）。
达到分布均匀、重点突出、经济高效之目的，以便科学、有效地监测路面的沉降情况。
俯视图
实物示意图
2.8、数据传输
本次监测采用自动化采集系统采集。
框架图如下图所示。
数据发送到监控中心，软件自动对测量数据进行换算，直接输出监测物理量利用GPRS无线网络进行数据传输或者内部局域网方式，完成对传感器数据的采集和监控。
传感器通过GPRS接入INTERNET网，软件可设置上线报警命令，手机短信报警能够时时掌控，PC接入INTERNET网络就可进行数据采集和监控。
1、可以选择GPRS或者有线传输，也可以现场采集，根据实际情况选择；
2、例外INTERNET网可以实现随时随地查看数据。
图4.17自动化监测框架示意图
2.9、现场供电
根据现场情况可以选择220V市电，太阳能供电、蓄电池供电等方式，
2.10、监测终端介绍
2.10.1、数据采集仪
本方案采用全自动高频率数据采集仪可以同时采集地面沉降、地下水位、建筑物变形监测的各种传感器。
此系列产品是集应变弦式、电感类、温度为一体的多功能采集仪，可用于铁路路基、尾矿、地铁隧道、大坝、桥梁等现场施工监测和测试及长期健康监测。
其稳定性、集成度高，操作简便。
如下图所示：
图5
●2.10.1.1、功能介绍
仪表显示屏界面
A、传感器自编号：
可根据传感器安装位置自行对其定义编号,格式为四位。
B、传感器读取失误次数：
当传感器采集失败后采集仪会自动记忆其读取失误次数
C、正在采样传感器编号：
正在采集的传感器编号
D、采集仪采集总数据量
E、传感器采集信息表：
温度、测量值、频率等
2、采集仪接口
采集仪接口为工业优等防水接头，下端从左往右依次为：
A电源接口B开关C数据采集口
DGPRS连接口
侧面接口为RJ45口，计算机可通过网线对采集仪进行设置并传输数据。
2.10.2、监测预警软件
说明：
本软件为我单位自主研发，可根据不同监测项目的特点专门设计的网页版软件，只能够单机做为服务器采集数据，其他机器可以通过网络查看数据。
1.系统登录：
1）网络版监测软件使用特定账号登录的方式查看或设置数据，实现随时随地查看数据。
2）打开电脑IE浏览器在地址栏输入网址
即可进入登录界面，在此界面上输入用户名、密码即可进入尾矿库在线监测系统网站。
例如：
2.功能介绍：
地质灾害在线监测系统分为首页，地质灾害监测，用户管理，预警预案，退出管理，分类列表和天气预报组成。
1）首页：
首次登录时，系统会自动引导进入地质灾害在线监测系统首页，在此页面下可以查看所有传感器的数据信息。
包括传感器自编号，预警状态，采集时间，初始值，采样值，单位等信息。
2）监测内容栏：
首页左侧有一列监测功能分项栏，可以根据实际的监测内容增加或者减少监测内容栏。
3）分项监测：
点击左侧每项监测内容可以直接进入页面查看监测点的编号、自编号、工作状态、测量值等等。
4）历史数据查看：
点击每个监测点后面的
图标可以查看每个监测点的曲线变化，可以根据需要选择查看的日期并且查看历史数据。
5）单点功能：
每个监测点后面有几个图标按钮，分别是曲线分析、参数设置、数据删除、数据导出。
6）浸润线剖面：
点击功能栏浸润线按钮会弹出
画面
可以查看每个高层中浸润线的剖面（也可以设置成纵向的剖面，根据实际需要来确定）
7）采样时间设置：
左侧功能栏有一栏是采样时间设置，可以根据实际需要设置采样时间，一般选择30分钟。
8）初始值设置：
左侧功能栏有一个初始值设置，这个功能按钮会将所有数据清零，慎用
9）天气预报：
首页左下角会实时的显示当天所在当地的天气预报数据。
为安全监测和安全预案提供了依据。
10）雨量计柱状分析：
软件会将降雨量累积处理成柱状图方便比较查看
11）预测分析：
首页上方有一个预测分析按钮，点击这个按钮可以查看每个监测点的整体趋势分析曲线。
预警曲线设置等等。
12）角色列表：
首页上方有一个角色按钮，点击这个按钮可以设置账号列表和密码，根据需要开放不同的权限。
13）自动报警：
采集分析软件含有图像报警、曲线报警、文字报警等报警功能，，每当发出警报的时候会在软件上发出警报，服务器会发出警报声响。
文字报警
预警线
14）声光报警：
监测软件加上声光报警装置，当发生危险警报的时候回在监测中心发出声光报警，及时通知相关人员。
15）短信报警：
地质灾害监测系统含有短信报警模块，当发生警报时会用短信及时将警报内容发生至相关负责人手机上。
2.11、监测频率与周期
通常情况下监测频率按下表执行
表4.7监测频率
序号
监测项目
监测频率
备注
1
建筑物沉降
1/3-5min
自动采集
2
地面沉降
1/60min
自动采集
3
地下水
1/3-5min
自动采集
当出现下列情况之一时，应提高监测频率：
1、监测数据达到报警值；
2、监测数据单次变化量较大即速率加快；
3、路面出现开裂；
4、周边地面出现突然较大沉降或严重开裂；
5、邻近的建（构）筑物出现突然较大沉降、不均匀沉降或严重开裂；
6、有危险事故征兆时,应实时跟踪监测。
监测周期从初始值采集工作开始，一直监测。
稳定值的要求在实际情况下（不同的地理区域，稳定值是不同的）给定。
2.12、监测报警值
2.12.1、报警值与控制值
报警值取值一般原则：
设计明确提出监测值的控制值及报警值，以设计提供的数值为准。
本次监测方案暂无设计报警值，我方先提出参考，提请各方会审确定，详见下表。
根据设计提出的控制值我方按控制值得80%设定报警值。
表4.8监测报警值一览表
序号
监测内容
单次或
日报警值
累计报警值
控制值
备注
1
地表沉降
上抬
±3mm
（连续2天）
8mm
10mm
下沉
-24mm
30mm
2.12.2、分级报警
报警制度采用分级进行：
根据《规范》要求，当位移达到报警值的70%时，在监测情况报表上作上预警记号，并呈报现场监测分中心。
当位移达到报警值的100%时，先口头通知现场监测分中心和第三方监测，并立即上传数据；及时出具书面报告面提交监测中心，并在监测情况报表上注明报警项和点位所在的项目部位。
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