遠程自動監(jiān)測與人工監(jiān)測系統(tǒng)的技術經(jīng)濟比選

邱 誠，劉 永，李 剛

（中交第四航務工程勘察設計院有限公司，廣東 廣州 510230）

引 言

基坑工程具有受自然條件（工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、氣候等）和周圍環(huán)境影響大、隱蔽工程質(zhì)量控制難、技術綜合性強等特點，一直以來事故率較高。近年來，基坑工程呈現(xiàn)出“深、大、近、緊、險”等突出特征，更是事故頻發(fā)[1]。

在基坑工程中，由于地質(zhì)、水文、荷載、施工等條件以及外界其他各種因素的多重影響，現(xiàn)有計算理論還不能準確地反映工程的各種復雜變化，只有在施工過程中進行綜合、系統(tǒng)的現(xiàn)場監(jiān)測，才能對支護結構和周圍土體的力學性質(zhì)進行全面的了解，以確保工程的順利進行，尤其對于軟土地區(qū)的大中型工程，現(xiàn)場監(jiān)測更為重要[2]。

目前我國基坑監(jiān)測依舊以人工監(jiān)測為主，人工監(jiān)測的優(yōu)點是設備成本較低，缺點是人工成本高，數(shù)據(jù)采集效率低，數(shù)據(jù)分析滯后，并且無法實施高頻率監(jiān)測，在惡劣天氣情況下，無法及時讀取數(shù)據(jù)。自動化遠程監(jiān)測具有精度高，工作效率高，監(jiān)測頻率高，在惡劣天氣條件下可以實現(xiàn)連續(xù)不間斷監(jiān)測的特點，在基坑監(jiān)測中有著廣泛的應用前景。故我司在某交通樞紐建造工程中，選擇土體深層水平位移監(jiān)測,地下水位監(jiān)測，鋼支撐軸力監(jiān)測項目進行了遠程自動化監(jiān)測，并根據(jù)使用心得，與傳統(tǒng)人工監(jiān)測系統(tǒng)進行技術及經(jīng)濟價值對比。

1 工程概況

該本工程共有三層地下車庫185.6 m×74.82 m（最大尺寸），開挖深度為 23.7 m，開挖土方為305 000方，垂直方向共設7層工字鋼支撐。地面以上兩層，分別為：一層為廣場層，二層為花園平臺。

本項目所在地局部為填海區(qū)，距離海岸線較近，東北側(cè)為重要文物保護單位，東側(cè)臨近居民區(qū)，周邊環(huán)境敏感，監(jiān)測壓力較大。在本項目中對土體深層水平位移監(jiān)測項目，地下水位監(jiān)測項目，鋼支撐軸力監(jiān)測項目進行了遠程自動化改造。

2 遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)

2.1 概述

人工監(jiān)測一般由工人現(xiàn)場進行監(jiān)測，將數(shù)據(jù)存儲于記錄儀內(nèi)或人工進行記錄，之后再由人工進行處理。遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)則可實現(xiàn)數(shù)據(jù)的自用采集、存儲及運算。

遠程監(jiān)測系統(tǒng)按照三層布局方案進行安排，測點層、測量控制層、運行管理層。[3]

1）測點層

通過傳感器對監(jiān)測對象進行測量，獲取相關參數(shù)（溫度、壓力、流量）并轉(zhuǎn)換為電量信號。

2）測量控制層

數(shù)據(jù)自動采集器在預設程序控制下，按一定的時間間隔（如幾分鐘到數(shù)十分鐘）測讀各個傳感器的數(shù)據(jù)，并存儲在緩沖區(qū)內(nèi)。

3）運行管理層

通過數(shù)據(jù)傳輸部件，將數(shù)據(jù)自動采集器中暫存的數(shù)據(jù)傳送到控制計算機，通信分有線（電纜，光纜），無線（小型電臺，移動通信）等不同通信方式，控制計算機控制整個系統(tǒng)的自動工作，將從采集器傳送過來的數(shù)據(jù)整理，計算，存儲，用圖表或表格方式將數(shù)據(jù)實時顯示出來，并應答對歷史數(shù)據(jù)的查詢。

2.2 遠程自動土體深層水平位移監(jiān)測

1）監(jiān)測儀器

一般的測斜儀（活動式）對指定孔每天只能進行有限次的觀測，在一些特殊要求下需對土層活動進行連續(xù)監(jiān)測時就顯得不適用了。為此，可將若干個測斜儀組合，上下成串地安裝在同一個測孔中，各測斜儀連續(xù)工作，不斷將測得的數(shù)據(jù)通過電纜傳到測孔外，為實現(xiàn)自動連續(xù)觀測創(chuàng)造了條件。固定式測斜儀的工作原理、計算方法均與活動式類似，其內(nèi)部電路結構種類形式也相仿，因不必經(jīng)常活動，外型作了相應的簡化。固定式測斜儀仍遵循“S=Lsinα”的基本計算公式。安裝時各探頭間用硬桿作剛性聯(lián)接或用鋼纜作柔性的聯(lián)接，所以和活動式測斜儀不一樣的是其“L”為探頭和接桿的總長度（指用剛性聯(lián)接時）或探頭上下兩支點間的長度（指用柔性聯(lián)接時）。

我司采用的為剛性連接固定式測斜儀，平均測距2.5 m。

2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

由于固定式測斜儀的探頭是長期固定在測斜孔中的，所以只要有一種設備對孔中的探頭不斷讀數(shù)，就可以實現(xiàn)連續(xù)監(jiān)測，這種儀器即“數(shù)據(jù)自動采集儀”。

使用時“數(shù)據(jù)自動采集儀”安裝在地面上離管口近處的適當?shù)攸c，只需把各探頭的接線分引出，連接到數(shù)據(jù)自動采集儀上，根據(jù)采集儀內(nèi)配的單片機，就可根據(jù)指定的時間間隔（如30秒，5分鐘，半小時…..等，可由操作人調(diào)整）自動對孔內(nèi)的全部探頭完成一次掃描讀數(shù)。所得數(shù)據(jù)以一定格式存在采集器中，若采集器再與控制室中的計算機用電纜或無線方式建立傳輸關系，所采集到的數(shù)據(jù)就可定時或?qū)崟r傳到計算機中，進行人工處理或自動處理。

我司采用的是美國Combell公司的CR1000數(shù)據(jù)采集儀，采集時間間隔設定為1小時。

3）數(shù)據(jù)處理

利用配套軟件進行自動處理或 excel軟件進行人工數(shù)據(jù)處理。

2.3 遠程自動地下水位監(jiān)測

1）監(jiān)測儀器

采用振弦式水壓計，與人工采集所使用的水壓計一致。

2）數(shù)據(jù)采集

與土體深層水平位移監(jiān)系統(tǒng)測共用數(shù)據(jù)采集儀，采集頻率為每小時1次。

3）數(shù)據(jù)處理

利用配套軟件進行自動處理或 excel軟件進行人工數(shù)據(jù)處理。

2.4 遠程自動鋼支撐軸力監(jiān)測

1）監(jiān)測儀器

選用國產(chǎn)的 V1000DA/B型（振弦式）表面應力計，與人工監(jiān)測使用儀器相同。

2）數(shù)據(jù)采集

與土體深層水平位移監(jiān)系統(tǒng)，地下水位監(jiān)測系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)采集儀，采集頻率為每小時1次。

3）數(shù)據(jù)處理

利用配套軟件進行自動處理或 excel軟件進行人工數(shù)據(jù)處理。

2.5 總線集成與數(shù)據(jù)分析

自動監(jiān)測系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器可實現(xiàn)一機對多個不同監(jiān)測項目的采集，根據(jù)采集模塊的接口數(shù)，可實現(xiàn)對16/32/64個監(jiān)測儀器的自動采集（項目中采用的是64位接口），在本項目中，我司共使用4組數(shù)據(jù)采集模塊，其中第1～2組實現(xiàn)對土體深層水平位移監(jiān)測（16個監(jiān)測點，128個傳感器），第 3組實現(xiàn)對地下水位監(jiān)測（22個監(jiān)測點，22個傳感器），第4組實現(xiàn)對軸力監(jiān)測點的（64個監(jiān)測監(jiān)測點，64個傳感器）的采集，并通過內(nèi)置上網(wǎng)卡無線傳輸數(shù)據(jù)，通過因特網(wǎng)實現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠程采集，進行人工處理或通過計算機進行自動數(shù)據(jù)分析。

3 遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的技術比選

根據(jù)在項目中的使用情況，在技術層面對遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)與人工監(jiān)測系統(tǒng)進行比選。

3.1 監(jiān)測的連續(xù)性

在惡劣天氣情況下，如臺風，暴雨，為保障監(jiān)測人員安全，往往需要暫停監(jiān)測。而此時恰是基坑較為危險的時刻，遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)可以在極端惡劣天氣中實現(xiàn)不間斷觀測，有效保證基坑安全。在法定假日中，也可保證數(shù)據(jù)采集不中斷。

3.2 監(jiān)測頻率

在施工的特殊時期，如在嚴重超挖，不及時支護，特大暴雨的情況下，基坑的變形可能較快，需要增加監(jiān)測密度。受勞動強度限制，人工監(jiān)測頻率無法無限提高。在本項目中，以采用自動監(jiān)測系統(tǒng)的三個項目為例，共計 16個土體深層水平位移監(jiān)測點、22個地下水位監(jiān)測點、64個鋼支撐軸力監(jiān)測點，若采用人工方式監(jiān)測（不含數(shù)據(jù)處理及校審時間），僅以上3個項目每進行一輪監(jiān)測需耗費2.5人工/日，若加上通勤及數(shù)據(jù)處理時間，約 3人工/日，若按照技術要求中的監(jiān)測頻率進行監(jiān)測（僅以上3個項目，不含其它監(jiān)測項目），須安排3個技術人員全程跟進該項目。若要求增加監(jiān)測頻率，則必須增加人手及安排加班。而遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)可按照要求調(diào)整監(jiān)測頻率，最高頻率 30秒鐘讀取一次數(shù)據(jù)，在關鍵時期有效保證基坑安全。

3.3 數(shù)據(jù)穩(wěn)定性

受人員操作水平，熟練程度影響，不同的監(jiān)測人員所測得的數(shù)據(jù)可能存在一定的偏差，甚至同一監(jiān)測人員在不同的工作狀態(tài)下，所采集的數(shù)據(jù)亦可能有所偏差。而自動監(jiān)測無人工操作環(huán)節(jié)，有效避免人工誤差，數(shù)據(jù)穩(wěn)定性好。

以采集的土體深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)為例，分析數(shù)據(jù)的穩(wěn)定性如表1。

我司于在安裝固定式測斜儀之前，抽取了4個土體深層水平位移監(jiān)測試驗孔（IN02，IN04，IN06，IN08），每間隔 1小時讀取讀數(shù)（此時正值假期，基坑未進行施工作業(yè)，且支撐已經(jīng)按設計要求安裝并發(fā)揮作用，可認為基坑基本處于穩(wěn)定狀態(tài)），共計讀取6次，在安裝固定測斜儀后于該4個監(jiān)測點抽取5 m、10 m處的位移值（每間隔1小時讀取，共讀取6次，采取的數(shù)值為凌晨1點至6點的數(shù)據(jù)，無施工干擾）統(tǒng)計其方差，其結果如表1。

表1 采集數(shù)據(jù)方差記錄

可見，自動監(jiān)測可以克服人工監(jiān)測所帶來的誤差。

3.4 數(shù)據(jù)時效性

傳統(tǒng)人工監(jiān)測所獲得的數(shù)據(jù)需要由監(jiān)測人員從儀器中采集或人工記錄，意味著原始數(shù)據(jù)不能及時反饋給工程師。而遠程自動監(jiān)測中，工程師可以通過網(wǎng)絡在任何時間采集數(shù)據(jù)，或者通過計算機自動生成日報以了解基坑情況，數(shù)據(jù)時效性好。

3.5 人員安全防護

由于基坑較深，人員在基坑邊及進入基坑內(nèi)施測有一定的安全隱患，遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)因無需人工操作，無人員安全風險。

3.6 設備維護

遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)設備較為復雜，維護人員需經(jīng)一定培訓方可上崗，若安裝時保護工作到位，維護工作量較少。使用過程中偶有施工設備損壞線路的情況，則需要重新鋪設。其設備維護較人工監(jiān)測復雜。

綜上，在技術層面遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)遠優(yōu)于傳統(tǒng)人工監(jiān)測系統(tǒng)，對保障工程的安全有著巨大優(yōu)勢。

4 遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的經(jīng)濟比選

遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)在技術上有著巨大的優(yōu)勢，但其一次性投入較大。本節(jié)以本項目為例，在經(jīng)濟層面對遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)與人工監(jiān)測系統(tǒng)進行比選。

4.1 遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)所增加成本

遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)部分設備可以與原有人工監(jiān)測設備共用，如振弦式水位計，振弦式鋼筋應力計均與人工監(jiān)測設備一致，故不計入增加成本。所增加成本項目如下：①4組數(shù)據(jù)采集模塊（64接口），②固定式測斜儀128個。以上兩項設備均可重復利用，一般使用壽命約 10年，本項目監(jiān)測時間為 3年，故按30 %進行折舊，所增加成本約45萬元人民幣。

4.2 遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)所節(jié)約成本

自動監(jiān)測系統(tǒng)大幅節(jié)約了人力成本，以本工程進行自動化監(jiān)測的三個監(jiān)測項目為例，若未進行自動化監(jiān)測，每日需占用3人工進行監(jiān)測，另需進行資料處理及校審工作，每日需耗費1人工。本項目地處海外，人工成本較高，按每個技術人員 15萬人民幣/年的人工成本計算，則3年共需180萬元人民幣人工成本。實施自動化監(jiān)測后，主要工作為整理數(shù)據(jù)及校審工作，現(xiàn)場巡查及設備維護，每日耗費1人工即可完成該項目的監(jiān)測工作，3年總計45萬元人民幣人工成本。遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)較人工監(jiān)測系統(tǒng)節(jié)約135萬元人民幣人工成本。

4.3 綜合成本分析

故抵消掉所增加的設備成本，共節(jié)約成本 90萬元人民幣?？梢姡陧椖烤哂幸欢ㄒ?guī)模，監(jiān)測周期較長的項目，采用遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)可節(jié)約成本，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟效益，有力保障了基坑施工的安全，得到了業(yè)主的肯定，創(chuàng)造了良好的社會效益。

5 結 語

在遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)的運用中，積累了一定的使用經(jīng)驗：

1）在使用過程中要特別注意對傳輸線路的保護，因傳感器至采集模塊之間的通信依然使用有線傳輸，傳輸線路同時負責若干個傳感器數(shù)據(jù)的傳輸，若傳輸線路損壞，必然引起大面積數(shù)據(jù)通信故障。該點為遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)的主要缺點，故在安裝設備期間須非常注意線路的保護，以免影響監(jiān)測實施及增加不必要的成本。

2）提高數(shù)據(jù)采集模塊的集約化使用程度，可有效降低平均使用成本。例如本項目中使用數(shù)據(jù)采集模塊，每個采集模塊留有 64個數(shù)據(jù)接口，本項目中，第3組數(shù)據(jù)采集模塊中有42個接口為空置狀態(tài)，未有效利用。除本項目所應用的土體深層水平位移監(jiān)測，地下水位監(jiān)測，鋼筋軸力監(jiān)測以外，亦可對其他監(jiān)測項目（地表沉降監(jiān)測，結構傾斜監(jiān)測）實施數(shù)據(jù)采集，充分利用采集模塊資源，降低平均使用成本。

在監(jiān)測工作量較大，監(jiān)測要求較高的大型基坑監(jiān)測中，遠程自動監(jiān)測系統(tǒng)在技術及經(jīng)濟層面上均較傳統(tǒng)人工監(jiān)測系統(tǒng)有著較大優(yōu)勢。隨著基坑監(jiān)測要求的不斷提高及人力成本不斷增加，發(fā)展遠程自動監(jiān)測為大勢所趨。隨著遠程自動監(jiān)測技術的發(fā)展，越來越多的監(jiān)測項目可以實施自動化監(jiān)測，并最終形成完整的監(jiān)測體系，最終實現(xiàn)無人值守自動化基坑監(jiān)測。