远距离基岩标为基准点的软土地层深层土体沉降监测方法

摘要

本发明公开了一种远距离基岩标为基准点的软土地层深层土体沉降监测方法，包括以下步骤：步骤一、建设GNSS沉降监测系统；步骤二、建设静力水准沉降监测系统；步骤三、将上述两个沉降监测系统的数据融合，得到深水标监测点基于基岩标的水准变化。本发明通过GNSS沉降监测系统，引入远距离的基岩标高程去修正静力水准基准点沉降位移变化，从而修正各测点沉降位移数据，使各测点沉降位移数据变化是基于基岩标高程数据得出的，由于基岩标高程的稳定，从而保证监测点沉降位移变化的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种深层土体沉降监测方法，尤其涉及一种远距离基岩标为基准点的软土地层深层土体沉降监测方法，属于岩土工程监测技术领域。

背景技术

岩土地下工程施工过程中，为确保工程自身安全并对周边环境影响进行有效控制，需及时掌握周边地层介质变形情况及趋势，通过沉降监测可以完成对地层沉降这一重要数据指标进行实时搜集。随着地下空间开发的深度不断增加，采用相对简单的地表沉降监测已经不能直接反应施工作业区周边的土体变形情况，实施深层土体沉降监测可为工程建设提供更有效的环境影响量化判据；同时对于周边地层中存在复杂交错管线分布的情况下，土体深层分层沉降监测数据更为直观、精确的反应管线周边土体的变位情况，为管线保护方案及措施的确立提供依据，也为工程设计施工以及项目风险管理提供依据。

对于路堤填筑以及大坝堆筑等回填地层的沉降监测，一般可按回填土次序，依次埋设沉降监测装置即可，该类装置较为简便。而对于原土地层的沉降监测，需采用竖向钻孔埋设分层沉降监测管或横剖面打入埋设测斜管的方法进行沉降监测装置的埋设。

目前，比较常见的针对软土地层深层土体分层沉降监测的方法是使用深标点水准仪。深标点水准仪是通过钻机在预定位置钻孔，为防止塌孔，在套筒保护下内设置沉降盘或回弹标，采用导杆或钢尺将孔底变位引出地表，再在地面通过水准仪进行观测。

但是，受施工条件限制，深标点水准仪方法在选择监测基准点时具有以下缺陷：监测基准点与深标点距离较近，基准点真实存在的沉降影响监测效果的问题无法解决。一般进行分层监测时，在一个相近的区域内，同时布置几个深度不同的深标点。在附近不远的位置，选择比较稳定的地点放置一个基准点，使用水准仪系统，监测几个深标点相对于基准点的沉降数据，进而得出不同地层的沉降数据。由于基准点选取不可能距深标点太远，所谓的基准也只是相对于深标点而言，但实际情况下，基准点由于位于地表，存在一定量的沉降，该基准点的沉降是深标点沉降数据的一项重大误差。

发明内容

为了解决上述技术所存在的不足之处，本发明通过引入远距离、稳定的基岩标作为基准点，提供了一种远距离基岩标为基准点的软土地层深层土体沉降监测方法，能够大幅降低基准点自身沉降对监测精度的影响，该方法操作流程简便，易于实现自动化、全天候实时监测。

为了解决以上技术问题，本发明采用的技术方案是：远距离基岩标为基准点的软土地层深层土体沉降监测方法，包括以下步骤：

步骤一、建设GNSS沉降监测系统；

步骤二、建设静力水准沉降监测系统；

步骤三、将上述两个沉降监测系统的数据融合，得到深水标监测点基于基岩标的水准变化。

优选的，步骤一中：

一套GNSS沉降监测系统的建设包括至少一个基准点的建设与至少一个监测点的建设，其中，将基准点设置在较监测点相对稳定的区域，并且基准点是从地下基岩引出地面的高程控制点。

优选的，步骤一中：

监测点设置在通过静力水准沉降监测系统进行监测区域中地基比较稳定的位置，一般设置在静力水准沉降监测系统的深水标附近地基稳定地点。

优选的，步骤一中：

还要根据实际监测需要，设置沉降监测点，即要测量沉降数据的观测点，该观测点的沉降数据要参考基准点高程水准的计算，也就是相对于基准点高程的沉降量。

优选的，步骤二中：

一套静力水准沉降监测系统建设包括一个基准点与多个监测点的建设；

其中，基准点选择在地基相对较为稳定的区域，其与GNSS沉降监测系统的监测点重合，二者通过钢性连接，保证两者的沉降量变化一致；

多个监测点根据实际监测需要设置在深水标的位置，并通过钢性连接，使该位置处的静力水准仪沉降量与深水标的标杆沉降量一致。

优选的，步骤二中：

基准点与监测点分别放置有静力水准仪，所有静力水准仪通过气管与液管相连通，并通过储液灌给各个静力水准仪一个固定的静压。

优选的，步骤二中：

深水标包括竖直设置的标杆，所述标杆的顶部即为监测点，即监测点，标杆的下方设置有下标杆，标杆与下标杆之间设置有回接头，所述下标杆的底部设置有拖盘，下标杆通过插杆插置于地下。

优选的，步骤三中：

将两个系统数据连接起来的位置是GNSS沉降监测系统的“监测点”，该点也是静力水准沉降监测系统的“基准点”；

在GNSS沉降监测系统中，系统记录监测点实时水准，并与初始记录的水准比较，两者的差作为GNSS沉降监测系统的“公差”，用于静力水准沉降监测系统中；

在静力水准沉降监测系统中，系统记录监测点的沉降数据，首先与静力水准沉降系统基准点的沉降数据比较，然后再剔除“公差”对静力水准沉降监测数据的影响，计算出静力水准沉降监测系统的基准点相对于GNSS沉降监测系统的基准点的沉降变化。

优选的，步骤三中：由于GNSS沉降监测系统的基准点位于基岩，所以得到静力水准沉降监测系统基准点基于基岩标的水准变化，即得到深水标基于基岩标的水准变化，该监测值是可靠的。

相较于已有的深层地层沉降监测方法，本发明具有以下优点：

1、解决了在缺少基岩标控制的地面沉降重点发育区进行分层沉降监测确定基准点的问题。

基岩标建设是根据实际地层情况而实施的，有的区域基岩较浅，易于施工，而有的区域基岩深度达上百米，不适宜建设。本发明解决了使用远距离基岩标作为控制点的问题，在本区域无基岩标可使用时，可以选择使用上百公里之内已建成的基岩标。

2、大大提高了分层沉降监测基准点选取的自由度，可在方圆数上百公里内的基岩标进行选取或新建基岩标。

3、可选择多个基岩标作为GNSS沉降监测系统的基准点，根据GNSS沉降监测系统差分定位的原理，当基准点增加时，监测点沉降变化数据更加精确。选用多个基岩标作为基准点，可提高地面沉降重点发育区分层沉降监测数据精确度。

4、可附加监测分层沉降监测区域整体地面沉降。根据本发明前述监测原理，GNSS沉降监测系统基准点JZD1使用基岩标作为高程控制水准，那么位于分层沉降监测区域的监测点JCD1的沉降数据就是相对于稳定的基岩沉降变化量，该监测点所反映的就是分层沉降监测区域整体地面沉降。

附图说明

图1为本发明的安装位置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

在影响软土地层深层土体分层沉降监测的精度因素中，基准点的选择是一项重要因素。地层沉降监测最佳的基准点是基岩标。基岩标是埋设在稳定基岩上的水准点。在覆盖有松散地层的区域内为更准确测定地面沉降量，穿过覆盖层埋设在稳定基岩上的标杆直通地面，经过保护处理作为相对稳定的基岩水准点。但受施工条件或地质结构的影响，在缺少基岩标控制的地面沉降重点发育区只能就近选择相对稳定的地表某位置作为基准点，就不可避免的存在前述的测量误差。

本发明引入远距离基岩标是指通过设置GNSS沉降监测系统，将方圆几十公里之内的基岩标水准与监测区域深标点所建设的基准点水准进行链接，通过GNSS沉降监测系统的高精度与基岩标的稳定性，对深标点附近的基准点进行沉降数据修正，消除基准点因自身沉降引起的分层沉降数据误差。

本发明所提到的引入远距离基岩标作为基准点的软土地层深层土体分层沉降监测方法包括两个监测系统：GNSS沉降监测系统、静力水准沉降监测系统。通过两个沉降监测系统的建设及两个沉降监测系统的数据融合实现土体分层精确的沉降监测。

GNSS沉降监测系统是利用高空中的定位导航卫星(GPS、北斗、Galileo、GLONASS等)，向地面发射载频无线电测距信号，由地面上用户接收机实现实时地连续接收，并计算出接收机天线所在位置。通过设置于稳定位置的基站与设置于待监测区域的监测站的相对位移变化，来监测被监测区域沉降位移。

目前，GNSS沉降监测系统采用多星多频段接收机，运用RTK差分技术有效减少测量误差，能实现毫米级的沉降监测，广泛应用于滑坡、泥石流、边坡稳定性、地面沉降等方面的监测。

静力水准沉降监测系统是指利用液体连通器原理，使用由精密液位计为核心传感器的静力水准仪，通过连通管将所有监测点液位计、基点液位计的液面连通，通过测量各测点液位计相对基点液位计的液位变化数值，进而计算出测点相对于基点的垂直沉降变化数值。该类监测系统广泛应用于大型储罐、大坝、桥梁、建筑物、基坑、隧道、地铁等垂直位移监测。

远距离基岩标为基准点的软土地层深层土体沉降监测方法，包括以下步骤：

步骤一、建设GNSS沉降监测系统；

一套GNSS沉降监测系统的建设包括至少一个基准点的建设与至少一个监测点的建设，或者说，正常运行的GNSS沉降监测系统中，至少要有一个基准点，其中，将基准点设置在较监测点相对稳定的区域，并且基准点是从地下基岩引出地面的高程控制点，可以认为不存在沉降变化。为了提高监测精度，可以增加多个基准点。

除此之外，GNSS沉降监测系统中，还要根据实际监测需要，设置沉降监测点，即要测量沉降数据的观测点，该观测点的沉降数据要参考基准点高程水准的计算，也就是相对于基准点高程的沉降量。

GNSS沉降监测系统就是利用卫星定位的基本原理，再利用差分定位的技术，测量并记录监测点相对于基准点的沉降变化量，由于假设基准点的位置(沉降)是稳定不变的，当出现监测点沉降变化量时，即认为是监测点所处的位置发生了沉降变化。如图1所示：

图中左侧部分是GNSS沉降监测系统，由GNSS基准点JZD1与GNSS监测点JCD1组成。这里的基准点JZD1设置在基岩标之上，监测点JCD1设置在要通过静力水准沉降监测系统进行监测区域中地基比较稳定的位置，一般设置在静力水准沉降监测系统的深水标附近地基稳定地点。

其中，基准点与监测点之间的距离称为基线，基线越短，监测精度越高。一般情况下，基线设定在100KM之内，GNSS沉降监测系统的精度可以达到毫米级，满足沉降监测的需要。

步骤二、建设静力水准沉降监测系统；

一套静力水准沉降监测系统建设包括一个基准点与多个监测点的建设；由于受静力水准沉降监测系统自身条件限制，基准点与监测点之间的距离较短，一般在十几米或几十米之内。

基准点选择在地基相对较为稳定的区域，监测点根据实际监测需要设置。基准点与监测点分别放置有静力水准仪，所有静力水准仪通过气管与液管相连通，通过储液灌给各个静力水准仪一个固定的静压。当监测点发生沉降变化时，会引起监测点静力水准仪液面与储液灌液面压力发生变化，该变化被静力水准仪内部的压力传感器测量。

在假设基准点液面未发生变化的情况下，监测点位置发生沉降变化会引起静力水准仪液面至储液灌液面水位差的变化，进而引起静力水准仪压力变化，该压力的变化能及时被压力传感器感知，通过一个大气压下水柱高低与传感器读取的压力值的线性关系，可以计算出监测点位置的沉降量。如图1所示：

图中右侧部分是静力水准沉降监测系统，由一个基准点JZD2与三个监测点JCD2-1、JCD2-2、JCD2-3组成。基准点JZD2与GNSS沉降监测系统的监测点JCD1重合(二者结构上通过钢性连接，保证两者的沉降量变化一致)。三个监测点安装在深水标的位置，通过钢性连接，使该位置处的静力水准仪沉降量与深水标的标杆沉降量一致。测量出三个监测点的沉降数据就代表着不同的地层的沉降数据，本示意图中就是代表着距地面60m、260m、400m地层的沉降数据。

由图1可知，深水标包括竖直设置的标杆，所述标杆的顶部即为监测点，即监测点，标杆的下方设置有下标杆，标杆与下标杆之间设置有回接头，所述下标杆的底部设置有拖盘，下标杆通过插杆插置于地下。

步骤三、将上述两个沉降监测系统的数据融合，得到深水标监测点基于基岩标的水准变化。

将两个系统数据连接起来的位置是GNSS沉降监测系统的“监测点JCD1”，该点也是静力水准沉降监测系统的“基准点JZD2”；

在GNSS沉降监测系统中，系统记录监测点实时水准，并与初始记录的水准比较，两者的差作为GNSS沉降监测系统的“公差”，用于静力水准沉降监测系统中；

在静力水准沉降监测系统中，系统记录监测点JCD2(深水标)沉降数据，首先与静力水准沉降监测系统JZD2的沉降数据比较，然后再剔除“公差”对静力水准沉降监测数据的影响，计算出静力水准沉降监测系统的JCD2相对于GNSS沉降监测系统的JZD1的沉降变化，由于JZD1位于基岩，所以得到监测点JCD2(深水标)基于基岩标的水准变化，该监测值是可靠的。

在本发明软土地层深层土体分层沉降监测中，选择基岩标的位置安装一台GNSS接收机，作为“GNSS沉降监测系统”的基准点，将在监测区域深标点附近建设的“静力水准沉降监测系统”的基准点作为“GNSS沉降监测系统”的监测点，并安装一台GNSS接收机。

通过“GNSS沉降监测系统”的精确测量与基岩标的高稳定性，能精确地监测位于深标点附近的“静力水准沉降监测系统”的基准点的自身沉降。系统自动记录该点的沉降值，并经过一定的滤波算法，得出该点相对于基岩标的稳定变化的沉降观测值，该观测值通过“GNSS沉降监测系统”得出，最终用于修正“静力水准沉降监测系统”基准点的位移变化，从而解算出各深标点相对于基岩标的沉降观测量。

在单纯的“静力水准沉降监测系统”内，存在着一个基本的假设前提，就是基准点的稳定，在此基础上，计算出各监测点的垂直沉降位移量。当基准点可能也存在沉降变化时，则该静力水准沉降监测系统假设前提不存在，整个监测系统没有存在的意义。

本发明通过GNSS沉降监测系统，引入远距离的基岩标高程去修正静力水准基准点沉降位移变化，从而修正各测点沉降位移数据，使各测点沉降位移数据变化是基于基岩标高程数据得出的，由于基岩标高程的稳定，从而保证监测点沉降位移变化的准确性。

上述实施方式并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的技术方案范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也均属于本发明的保护范围。