范西哲， 陳國軍， 羅慶時， 張江坤

（中海油田服務股份有限公司， 北京 101149）

引言

海上人工島島體建造多在混凝土框架結構的基礎上使用沙石回填，土質(zhì)比較疏松。隔水管錘擊振動將對周圍土層產(chǎn)生擾動，大量的土體位移可能導致鄰近建筑物的不均勻沉降和裂縫、管線開裂和邊坡失穩(wěn)等環(huán)境危害[1-2]，由此可能會造成島上管道、設施局部應力過大而損壞。由于人工島土質(zhì)性質(zhì)與常規(guī)地表土層不同，單純的數(shù)值仿真分析很難準確預測振動影響[3]，無法參考常規(guī)振動影響經(jīng)驗，有必要在線監(jiān)測隔水管錘擊時的振動情況。

月東油田B 人工島島上設施主要有鉆井設備、儲油罐以及油氣管道等特殊設備，對地基沉降以及設備振動有特殊要求。新增油井采用振動沉樁法打設鋼護筒（即錘入隔水管），該施工方法產(chǎn)生較大振動，可能導致人工島上的已有設備基礎產(chǎn)生不均勻沉降或過大幅度的振動，對現(xiàn)有設備造成不利影響。且由于人工島地質(zhì)條件、油井減振溝等因素不明確，很難建立準確的模型計算分析，同時島上設施比較復雜，單純用單個破壞指標很難明確量化其影響，畢竟振動成分是復雜的，并且對每一個設施的影響都不同，因此單純的數(shù)值仿真分析很難準確預測振動影響，因此有必要進行振動監(jiān)測，保證施工期間現(xiàn)有設備的振動不超有關規(guī)范限值[4-5]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的原理、組成

1.1 監(jiān)測系統(tǒng)概述

月東油田B 人工島隔水管錘入施工振動在線監(jiān)測系統(tǒng)是通過測量對施工振動較為敏感的2 個設施區(qū)域與2 個相對稱的遠端區(qū)域組成一個監(jiān)測面，以確保施工期間重要設施的安全運營和監(jiān)測區(qū)域整體的振動情況，并為施工期間打樁錘的功率提供科學的安全閾值。施工振動在線監(jiān)測系統(tǒng)在于診斷可能發(fā)生的結構損傷，以便合理評估隔水管錘入施工時產(chǎn)生的振動對監(jiān)測點及監(jiān)測點周圍設施結構的影響，以便及時采取相應措施保障設施安全。通過安裝的傳感器拾取結構局部或整體的參量，對信息的差異識別可確定對應設施的振動安全閥值，并通過對特定敏感設施或結構物進行24 h 觀測分析，掌握結構振動狀態(tài)的演變規(guī)律，以提前預防因過大的振動產(chǎn)生的結構損傷。

1.2 監(jiān)測系統(tǒng)組成

系統(tǒng)由感知層、傳輸層和運用層組成，具體為傳感器系統(tǒng)、數(shù)據(jù)采集子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)傳輸子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)庫子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與控制系統(tǒng)、安全評價和預警子系統(tǒng)，通過各個層相互協(xié)調(diào)，實現(xiàn)系統(tǒng)的各種功能。

傳感器是關鍵設備，月東油田B 人工島項目選擇的加速度傳感器是一種電容式振動傳感器，其具有體積小、重量輕、低頻特性好、分辨率高、動態(tài)范圍大、使用方便等特點，可適用于人工島設施振動監(jiān)測、拉索索力監(jiān)測、爆破振動監(jiān)測和電機振動監(jiān)測等領域。

加速度計在內(nèi)部嵌入一款MEMS 芯片，該芯片能夠根據(jù)不同的振動加速度值輸出對應的電壓值，且成線性關系，正是應用該原理，可利用振動采集儀對輸出的電壓信號進行采集，再將電壓轉(zhuǎn)化得到對應加速度值，從而實現(xiàn)對振動加速度信號的測量，加速度的主要技術指標見下頁表1。

表1 主要技術指標

2 監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集、傳輸和處理

2.1 數(shù)據(jù)的采集

根據(jù)人工島設施布置情況，可大致將人工島分為以下7 個區(qū)域：油井區(qū)、生活及配電區(qū)、洗壓井撬塊區(qū)、油罐區(qū)、管道區(qū)和綜合保障區(qū)；其中油罐區(qū)、管道區(qū)為重點關注區(qū)域。此外，根據(jù)振動波的傳播機理及島上的建筑結構，在島上選取距震源點不同方向和距離的若干點位，整體評估振動對全島結構的影響。結合危險區(qū)域劃分圖，依照突出重點、綜合監(jiān)測的原則，在目標區(qū)域內(nèi)共布置4 個傳感器（加速度測點），分別為ZD-1、ZD-2、ZD-3、ZD-4。

2.2 在線監(jiān)測系統(tǒng)無線數(shù)據(jù)傳輸方式

現(xiàn)場傳感器所有數(shù)據(jù)通過無線方式進行傳輸，該方式通過網(wǎng)絡傳輸數(shù)據(jù)，利用系統(tǒng)中的無限傳輸模塊，可遠程控制數(shù)據(jù)采集設備，使采集數(shù)據(jù)更為便利，也能減少人員在條件惡劣、危險的環(huán)境中的暴露次數(shù)和時間，更為安全。

2.3 數(shù)據(jù)處理

針對信號在采集前與采集后均可進行數(shù)據(jù)處理，數(shù)據(jù)處理包含信號實時顯示、數(shù)字濾波、幅域統(tǒng)計、時域、頻域分析等內(nèi)容，主要針對缺失數(shù)據(jù)、噪聲數(shù)據(jù)和異常數(shù)據(jù)進行處理。

2.3.1 缺失數(shù)據(jù)

數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)運行過程中，不可避免會受到各種因素的干擾和影響，導致在采集和傳輸?shù)倪^程中部分數(shù)據(jù)丟失。這種情況下就將缺失的數(shù)據(jù)略去或者要想辦法填補回來，如果數(shù)據(jù)采集量很大，缺失一部分不影響整體數(shù)據(jù)時，可直接忽略，但對于一些關鍵數(shù)據(jù)或者采集量不大的情況，可通過人工填補、平均值填補[6]、利用最可能的值來填補（根據(jù)已有數(shù)據(jù)，利用回歸分析、貝葉斯統(tǒng)計[7]等方法推斷出最有可能出現(xiàn)的數(shù)值）。

2.3.2 異常數(shù)據(jù)

異常數(shù)據(jù)是指遠離大多數(shù)的監(jiān)測值，即離群值，其不能反映真實的工作狀態(tài)，需要舍棄，否則會影響整體數(shù)據(jù)的準確性。目前針對異常數(shù)據(jù)的剔除主要有肖維勒準則、拉伊達準則等方法，如果數(shù)據(jù)量少，用肖維勒準則更適合；如果數(shù)據(jù)量較多，更適合拉伊達準則，振動在線監(jiān)測系統(tǒng)采集的數(shù)據(jù)是海量的，因此更適合用拉伊達準則剔除其中的異常數(shù)據(jù)。

2.3.3 噪聲數(shù)據(jù)

由于人工島上有諸多生產(chǎn)設施，加上打樁時本身產(chǎn)生的聲響，因此在線監(jiān)測系統(tǒng)難免受到噪聲干擾。為排除噪聲干擾，利用卡爾曼濾波技術處理受噪聲干擾的數(shù)據(jù)，從被“污染”的測量值中提取真正的數(shù)據(jù)，還原振動的真實狀態(tài)?？柭鼮V波技術在工程中應用較廣。

3 閾值確定及分級預警

3.1 預警閾值的確定

預警值的設置是一個難度較高、很專業(yè)的問題。不同監(jiān)測對象的不同測試部位的預警值均不一樣，因此需要根據(jù)監(jiān)測對象、工程類別等方面做特定分析，確定預警值。對于人工島設施來說預警值的確定有以下幾個途徑：

委托方提供，由于島上設施具有特殊性，不同設施不同結構部位對振動的限值要求可能不同，某些設施可能對振動十分敏感，因此對振動的限值要求就會嚴格；某些設施對振動要求不敏感，可以承受一定振幅的振動。因此根據(jù)島上設施對振動的敏感度確定控制值為預警值確定的第一參考途徑。

規(guī)范規(guī)定，根據(jù)相關行業(yè)規(guī)范標準和當前國內(nèi)外學術研究成果，確定預警閾值。由于當前國內(nèi)外規(guī)范關于振動沉樁施工對周圍環(huán)境的振動影響沒有明確規(guī)定，因此，在此參考國內(nèi)外其他行業(yè)的相關規(guī)范標準作為監(jiān)測控制的預警標準[8]。

實際測試，已有的人工檢測數(shù)據(jù)和報告得到初始的預警值。根據(jù)振動成分和比例以及對人工島設施的影響確定預警閾值，以此建立基礎預警數(shù)據(jù)庫。對這些數(shù)據(jù)進行分析后調(diào)整初始預警值，使之與島上設施的實際振動情況更為接近。

經(jīng)參考國內(nèi)外相關規(guī)范，并結合島上設施及隔水管錘入施工作業(yè)的特殊性，振動安全閥值選取1.75 cm/s。

3.2 分級預警機制

預警級別的確定是結合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)信息，通過核查、綜合分析和專家咨詢等，判定工程風險大小，確定相應預警級別，并對振動進行實時預警。

預警級別按工程風險由小到大分為二級：I 級預警為超出標準值（1.75 cm/s）但未超最大閥值的情況，屬于可接受風險，工程處在安全臨界狀態(tài)。II 級預警為振幅已超最大閥值（3.5 cm/s），工程處在不安全狀態(tài)，現(xiàn)場須立即采取措施。

4 實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析

4 個監(jiān)測點的實際監(jiān)測數(shù)據(jù)分析圖如圖1—圖4 所示（圖中線條缺失處因為無數(shù)據(jù)）。

圖1 ZD-1 振動趨勢圖

圖2 ZD-2 振動趨勢圖

圖3 ZD-3 振動趨勢圖

圖4 ZD-4 振動趨勢圖

從在線監(jiān)測系統(tǒng)的振動數(shù)據(jù)分析，從2019 年7月11 日—8 月22 日期間，月東油田B 人工島在隔水管錘入施工期間監(jiān)測到的最大振動幅值為1.0345 cm/s，平均振動幅值為0.7641 cm/s。低于I 級預警（可接受風險）的振動幅值（1.75 cm/s），振動幅值在安全范圍內(nèi)，施工期間產(chǎn)生的振動不會對島上關鍵設施產(chǎn)生安全隱患。

5 結語

通過布置在月東油田B 人工島的振動在線監(jiān)測系統(tǒng)，實現(xiàn)了對振動數(shù)據(jù)的實時采集、傳輸、處理，實時監(jiān)控了振動狀況，并提前確定了振動閾值和分級預警，以保障隔水管錘入期間島上設施的安全。振動在線監(jiān)測系統(tǒng)在月東油田B 人工島的首次成功應用為今后人工島隔水管錘入振動監(jiān)測提供了借鑒。

鑒于當前國內(nèi)外規(guī)范關于振動沉樁施工對周圍環(huán)境的振動影響沒有明確規(guī)定，建議加快相關行業(yè)標準和規(guī)范的制定，為人工島隔水管錘入施工的振動影響提供更明確、更有效的指導。