人工和自動(dòng)化基坑監(jiān)測協(xié)同應(yīng)用研究

何 欽，張記峰，陳金鋒

（廣東省建設(shè)工程質(zhì)量安全檢測總站有限公司 廣州510500）

0 序言

基坑工程開挖過程中，需對基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊巖土體及周邊環(huán)境進(jìn)行監(jiān)控，隨著基坑工程“高”、“大”、“深”、“緊”、“密”等風(fēng)險(xiǎn)特點(diǎn)逐步突出，基坑監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性與施工進(jìn)度適配度的要求逐步提高，實(shí)施基坑自動(dòng)化監(jiān)測的必要性也逐漸增加。根據(jù)現(xiàn)行規(guī)范［1］，基坑開挖過程中必須包含3個(gè)監(jiān)測對象：基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊巖土體及周邊環(huán)境，將3個(gè)監(jiān)測對象的監(jiān)測項(xiàng)目按測量設(shè)備、測量方法進(jìn)行分類，可大致分為5大類：水平位移、豎向位移、深層水平位移、地下水位及應(yīng)力應(yīng)變監(jiān)測。自動(dòng)化監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)方式主要通過智能型機(jī)器人、智能傳感器、采集傳輸一體裝置及信息化軟件［2-6］，如表1所示。

自動(dòng)化監(jiān)測的實(shí)現(xiàn)可以突破監(jiān)測中存在的時(shí)間、空間及環(huán)境的限制，實(shí)現(xiàn)高頻連續(xù)數(shù)據(jù)采集，解決監(jiān)測及時(shí)性的問題［7-10］，優(yōu)點(diǎn)突出；但其仍存在造價(jià)高、溯源性差、設(shè)備穩(wěn)定性難以保證等問題［11-12］。

表1 監(jiān)測項(xiàng)目Tab.1 Monitoring Item List

1 自動(dòng)化監(jiān)測應(yīng)用中存在的問題

基坑監(jiān)測實(shí)施自動(dòng)化技術(shù)是目前工程建設(shè)所需，也是監(jiān)測技術(shù)的發(fā)展趨勢。為進(jìn)一步厘清應(yīng)用過程中存在的主要問題，本文邀請了約30家專業(yè)從事工程監(jiān)測的企業(yè)及相關(guān)300 個(gè)專業(yè)技術(shù)人員參與調(diào)研，得到了自動(dòng)化監(jiān)測應(yīng)用中存在的7 類主要問題，具體情況梳理如表2所示。

由表2分析可知，在各影響因素中，自動(dòng)化監(jiān)測應(yīng)用成本、規(guī)范缺失、設(shè)備技術(shù)不足及施工現(xiàn)場條件惡劣（難于保護(hù)）為主要難點(diǎn)。若將以上4類原因進(jìn)一步分析，可主要分為以下幾類：

表2 自動(dòng)化監(jiān)測應(yīng)用調(diào)研結(jié)果Tab.2 Problems of Automated Monitoring

1.1 經(jīng)濟(jì)因素

調(diào)研結(jié)果顯示，自動(dòng)化應(yīng)用成本太高的問題占比為34%，居所有因素之首。應(yīng)用成本問題與監(jiān)測市場相關(guān)，市場的惡性競爭不僅降低企業(yè)利潤，同時(shí)也阻礙新技術(shù)的發(fā)展。在整個(gè)市場有序管理和良性競爭的前提下，降低設(shè)備成本、優(yōu)化商業(yè)模式、優(yōu)化作業(yè)方法從而降低應(yīng)用成本，是促進(jìn)自動(dòng)化監(jiān)測發(fā)展的重要探索方向之一。

1.2 技術(shù)因素

在調(diào)研結(jié)論的影響因素中，規(guī)范的缺失、自動(dòng)化硬件的穩(wěn)定性及精確性不足和現(xiàn)場保護(hù)不力等問題，相應(yīng)反映的是自動(dòng)化監(jiān)測傳感、通訊技術(shù)和現(xiàn)場應(yīng)用需求不匹配等情況，合計(jì)占比61%。由于規(guī)范的編制以技術(shù)的成熟應(yīng)用為條件，而在自動(dòng)化監(jiān)測應(yīng)用較少的情況下，不可能形成行業(yè)的應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)。因此，只有進(jìn)一步研發(fā)、優(yōu)化現(xiàn)有技術(shù)與設(shè)備，使之與工程現(xiàn)場的應(yīng)用場景相適應(yīng)，才可能促使自動(dòng)化的規(guī)?；瘧?yīng)用及量化生產(chǎn)，降低設(shè)備價(jià)格，提升設(shè)備品質(zhì)，形成產(chǎn)業(yè)鏈的良性循環(huán)。

1.3 其他因素

除經(jīng)濟(jì)、技術(shù)影響因素外，其他（含人員技術(shù)和應(yīng)用單位等）影響因素合計(jì)占比5%，可以認(rèn)為自動(dòng)化監(jiān)測的外部應(yīng)用條件是具備的。

2 自動(dòng)化監(jiān)測經(jīng)濟(jì)技術(shù)性分析

自動(dòng)化監(jiān)測應(yīng)用經(jīng)濟(jì)性的體現(xiàn)是基坑監(jiān)測單位利潤的提高和委托單位成本的降低，共同分享因技術(shù)提升而降低的監(jiān)測成本，而并非是兩者的“零和游戲”。

2.1 生產(chǎn)產(chǎn)值計(jì)算模型

為進(jìn)一步分析監(jiān)測過程中的費(fèi)用問題，本文利用企業(yè)利潤G、監(jiān)測成本C 以及監(jiān)測生產(chǎn)產(chǎn)值V（同時(shí)也是委托單位監(jiān)測成本造價(jià)）構(gòu)建了監(jiān)測單位利潤的計(jì)算式⑴：

現(xiàn)有普遍的監(jiān)測產(chǎn)值計(jì)算方法為各監(jiān)測項(xiàng)目測量“點(diǎn)·次”乘以相應(yīng)測量單價(jià)，即得到監(jiān)測生產(chǎn)產(chǎn)值V，即根據(jù)式⑵進(jìn)行計(jì)算。

式中：N 為監(jiān)測次數(shù)；m 為監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)量；n 為監(jiān)測項(xiàng)目測點(diǎn)數(shù)量；P為監(jiān)測單價(jià)。

其中：

式中：t為項(xiàng)目工期（d）；f為監(jiān)測頻率（次/d）。將式⑶代入式⑵有：

2.2 生產(chǎn)成本計(jì)算模型

設(shè)備監(jiān)測成本主要由設(shè)備折舊成本和人工成本組成；本文設(shè)備折舊計(jì)算方法按年度總和法計(jì)算，人員作業(yè)按班組進(jìn)行，成本含交通、住宿等作業(yè)成本。設(shè)定X 為人員每月生產(chǎn)成本，n 為作業(yè)人數(shù)，A 為設(shè)備購置總價(jià)，Y 為設(shè)備折舊年限（年），L 為設(shè)備剩余使用年限（年）；則生產(chǎn)成本可按式⑸計(jì)算。

2.3 工程實(shí)例分析

2.3.1 工程概況

某基坑工程項(xiàng)目位于廣州市中山大道西，地下室周長約850 m，擬建4 層地下室；基坑A 區(qū)（地塊一）深度為20.05～21.90 m，本基坑北側(cè)支護(hù)形式為地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐，基坑南側(cè)為灌注樁+攪拌樁止水+內(nèi)支撐，A-10 區(qū)為地下連續(xù)墻+內(nèi)支撐?；觽?cè)壁安全等級為一級，周邊環(huán)境復(fù)雜，監(jiān)測工期為24個(gè)月；各監(jiān)測項(xiàng)目、數(shù)量及實(shí)現(xiàn)方式如表3所示。

2.3.2 經(jīng)濟(jì)性分析工況設(shè)定

⑴作業(yè)方式1：人工監(jiān)測作業(yè)方式如表3 所示，作業(yè)人數(shù)5人，月均成本每人1萬（含交通食宿等）；設(shè)備1套，監(jiān)測設(shè)備采購總價(jià)37萬，折舊年限5年。

⑵ 作業(yè)方式2：自動(dòng)化監(jiān)測作業(yè)方式如表3 所示，作業(yè)人數(shù)2 人，月均成本每人1 萬（含交通食宿等）；監(jiān)測設(shè)備采購總價(jià)128萬，折舊年限2年。

⑶ 作業(yè)方式3：協(xié)同監(jiān)測［13］作業(yè)方式如表3 所示，作業(yè)人數(shù)3 人，月均成本每人1 萬（含交通食宿等）；監(jiān)測設(shè)備采購總價(jià)75萬，折舊年限4年。

2.3.3 產(chǎn)值分析

由式⑷可知：監(jiān)測單位生產(chǎn)產(chǎn)值同工程工期、監(jiān)測頻率及各監(jiān)測項(xiàng)目的數(shù)量及單價(jià)線性正相關(guān)。其中，工期、監(jiān)測頻率及測點(diǎn)數(shù)量是由工程規(guī)模及其安全等級決定的，一般難以改變，監(jiān)測單價(jià)P 是唯一可變參數(shù)。目前降低監(jiān)測單價(jià)是普遍的業(yè)務(wù)競爭方法。實(shí)踐證明，無底線的降低作業(yè)單價(jià)破壞行業(yè)發(fā)展、限制技術(shù)發(fā)展、降低工程項(xiàng)目預(yù)警效率，看似有效，實(shí)則后患無窮。

表3 監(jiān)測項(xiàng)目Tab.3 Monitoring Item

因現(xiàn)場監(jiān)測項(xiàng)目數(shù)量、單價(jià)、設(shè)備為確定值，因此，企業(yè)利潤的提升只能通過調(diào)節(jié)監(jiān)測頻率及作業(yè)人數(shù)調(diào)整利潤率。

由式⑺分析可知：監(jiān)測單位利潤與監(jiān)測頻率線性相關(guān)，而監(jiān)測頻率與作業(yè)人數(shù)呈正相關(guān)。按本節(jié)工程實(shí)例的監(jiān)測數(shù)量，人工作業(yè)方式在頻率加密的情況下需增加作業(yè)人數(shù)，成本也急劇上升。自動(dòng)化監(jiān)測的應(yīng)用改變了監(jiān)測頻率和作業(yè)人數(shù)線性正相關(guān)的關(guān)系，提高了作業(yè)效率，降低了監(jiān)測成本。

2.3.4 成本分析

根據(jù)式⑸，代入項(xiàng)目實(shí)際數(shù)值，分別計(jì)算3種作業(yè)模式下的作業(yè)成本，得到作業(yè)方式成本-工期曲線，如圖1所示。

圖1 作業(yè)方式成本-工期曲線Fig.1 Cost-date Curve of Assignment Style

由圖1分析可知：

⑴3 種作業(yè)模式的成本隨監(jiān)測工期增長呈現(xiàn)階段交替的情況，有“自動(dòng)監(jiān)測＞人工監(jiān)測＞協(xié)同監(jiān)測（工期≤12 個(gè)月時(shí)）”和“人工監(jiān)測＞自動(dòng)監(jiān)測＞協(xié)同監(jiān)測（工期＞12 個(gè)月時(shí)）”2 種。該現(xiàn)象主要由設(shè)備成本的變更引起。從式⑸分析可知，人工成本在人數(shù)確定的情況下隨工期的增長呈線性增加；而設(shè)備折舊則在計(jì)算中存在年度變更時(shí)計(jì)算方式變更的情況，會(huì)導(dǎo)致設(shè)備成本的階段性變化；又因自動(dòng)化監(jiān)測成本主要為設(shè)備折舊，從而導(dǎo)致自動(dòng)化成本的“掉涯式”下降。因此，當(dāng)監(jiān)測工期＞12個(gè)月時(shí)，自動(dòng)化監(jiān)測成本低于人工監(jiān)測成本，工期≤12個(gè)月時(shí)則相反。

⑵協(xié)同監(jiān)測模式生產(chǎn)成本最低，不受工期影響。該模式避免了人工成本隨工期線性過快增長的問題，同時(shí)也避免設(shè)備總價(jià)高導(dǎo)致的折舊成本過高的問題。

⑶本次模型計(jì)算的假定條件為該項(xiàng)目所有儀器、設(shè)備及元件均為一次性付款購置；并在目前自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性和耐久性不高的前提下，假定自動(dòng)化設(shè)備使用年限為2年（一般為5年）。自動(dòng)化設(shè)備購置通過租賃、產(chǎn)研合作等方式降低成本，或設(shè)備耐久技術(shù)得到提升時(shí)，結(jié)合用工成本逐年上升的客觀實(shí)際，自動(dòng)化監(jiān)測成本將低于協(xié)同監(jiān)測成本。因此，當(dāng)前協(xié)同監(jiān)測雖為最優(yōu)模式，但自動(dòng)化監(jiān)測將是未來發(fā)展方向。

3 基坑人工及自動(dòng)化協(xié)同應(yīng)用的參數(shù)設(shè)置

3.1 參數(shù)設(shè)置基本原則

人工與自動(dòng)化監(jiān)測的協(xié)同應(yīng)用，結(jié)合本文列舉案例及技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性分析，自動(dòng)化監(jiān)測的應(yīng)用需具備如下原則：

3.1.1 覆蓋性原則

覆蓋性包含監(jiān)測對象（區(qū)域）的覆蓋和施工過程中數(shù)據(jù)的連續(xù)性。其中，對象覆蓋指在自動(dòng)化監(jiān)測的選取中，支護(hù)結(jié)構(gòu)、周邊巖土體及周邊環(huán)境各監(jiān)測對象至少選取1 個(gè)監(jiān)測項(xiàng)目進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測。同時(shí)，各對象選取的監(jiān)測項(xiàng)目應(yīng)滿足監(jiān)測數(shù)據(jù)的連續(xù)性，覆蓋整個(gè)施工過程。

3.1.2 溯源性原則

人工與自動(dòng)化監(jiān)測項(xiàng)目均應(yīng)符合實(shí)驗(yàn)室管理要求。自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)同時(shí)還需具備測量比對的條件并制定比對測量計(jì)劃，保證自動(dòng)化監(jiān)測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和有效性。

3.1.3 可行性原則

包含技術(shù)可行性與經(jīng)濟(jì)可行性，所選取項(xiàng)目的實(shí)現(xiàn)方式應(yīng)適合施工現(xiàn)場環(huán)境，同時(shí)滿足測量精度、頻次等符合規(guī)范及現(xiàn)場要求；在技術(shù)可行的條件下，自動(dòng)化的應(yīng)用應(yīng)提升監(jiān)測效率，增強(qiáng)風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警能力，降低或持平現(xiàn)有作業(yè)成本。

3.1.4 差異性原則

根據(jù)項(xiàng)目特征，對監(jiān)測對象存在危險(xiǎn)性較高的區(qū)域應(yīng)優(yōu)先采用自動(dòng)化監(jiān)測，如基坑中部、陽角、鄰近周邊建筑物分布密集、鄰近重要建構(gòu)筑物等。同時(shí)，各項(xiàng)目監(jiān)測頻率可基于規(guī)范要求、基坑開挖情況及自動(dòng)化監(jiān)測項(xiàng)目的選取等差異化設(shè)置。

3.2 監(jiān)測參數(shù)設(shè)置

人工和自動(dòng)化監(jiān)測協(xié)同應(yīng)用主要參數(shù)設(shè)置包含監(jiān)測項(xiàng)目和監(jiān)測頻率的選取。

3.2.1 監(jiān)測項(xiàng)目協(xié)同設(shè)置

根據(jù)項(xiàng)目選取原則，自動(dòng)化項(xiàng)目可參考表4進(jìn)行選擇。

當(dāng)項(xiàng)目周邊環(huán)境、巖土體及支護(hù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜時(shí)，建議對基坑中部、陽角等支護(hù)結(jié)構(gòu)深層水平位移采用部分自動(dòng)化監(jiān)測，單邊建議不少于1點(diǎn)。

表4 自動(dòng)化監(jiān)測項(xiàng)目Tab.4 Automated Monitoring Item

3.2.2 監(jiān)測頻率設(shè)置

監(jiān)測頻率建議進(jìn)行差異化設(shè)置，在總體執(zhí)行現(xiàn)行國家規(guī)范的原則下，建議考慮基坑深度的逐步增加及自動(dòng)化項(xiàng)目連續(xù)監(jiān)測對人工監(jiān)測的補(bǔ)充作用，各項(xiàng)目監(jiān)測頻率設(shè)置如表5所示。

表5 監(jiān)測頻率設(shè)置Tab.5 Frequency of Monitoring

4 結(jié)論

本文以調(diào)研和工程應(yīng)用案例為基礎(chǔ)，對人工和自動(dòng)化監(jiān)測的應(yīng)用分別進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性和技術(shù)性的分析研究，得到如下結(jié)論：

⑴目前自動(dòng)化監(jiān)測的主要問題是應(yīng)用成本和技術(shù)研發(fā)與現(xiàn)場應(yīng)用環(huán)境不匹配；

⑵在相同工況下，自動(dòng)化監(jiān)測在工期超過12 個(gè)月的項(xiàng)目中成本優(yōu)于人工監(jiān)測；若采用協(xié)同監(jiān)測方式，則無論工期長短，都較前兩者的單一監(jiān)測形式更具成本優(yōu)勢；隨著自動(dòng)化設(shè)備穩(wěn)定性、耐久技術(shù)、造價(jià)及采購模式的優(yōu)化，自動(dòng)化監(jiān)測將逐步取得成本優(yōu)勢。

⑶協(xié)同監(jiān)測的應(yīng)用需遵從覆蓋性、溯源性、可行性及差異性等原則。

⑷協(xié)同監(jiān)測參數(shù)可參考表4、表5相關(guān)建議執(zhí)行。

本文的研究有助于自動(dòng)化監(jiān)測的落地實(shí)施，促進(jìn)自動(dòng)化技術(shù)的研究和行業(yè)的發(fā)展，為現(xiàn)行規(guī)范的修訂提供思路，具有一定現(xiàn)實(shí)發(fā)展意義。