邱 誠(chéng)，劉 永，李 剛

（中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)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(shù)綜合性強(qiáng)等特點(diǎn)，一直以來(lái)事故率較高。近年來(lái)，基坑工程呈現(xiàn)出“深、大、近、緊、險(xiǎn)”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(jì)算理論還不能準(zhǔn)確地反映工程的各種復(fù)雜變化，只有在施工過(guò)程中進(jìn)行綜合、系統(tǒng)的現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)，才能對(duì)支護(hù)結(jié)構(gòu)和周圍土體的力學(xué)性質(zhì)進(jìn)行全面的了解，以確保工程的順利進(jìn)行，尤其對(duì)于軟土地區(qū)的大中型工程，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)更為重要[2]。

目前我國(guó)基坑監(jiān)測(cè)依舊以人工監(jiān)測(cè)為主，人工監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備成本較低，缺點(diǎn)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(wú)法實(shí)施高頻率監(jiān)測(cè)，在惡劣天氣情況下，無(wú)法及時(shí)讀取數(shù)據(jù)。自動(dòng)化遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)具有精度高，工作效率高，監(jiān)測(cè)頻率高，在惡劣天氣條件下可以實(shí)現(xiàn)連續(xù)不間斷監(jiān)測(cè)的特點(diǎn)，在基坑監(jiān)測(cè)中有著廣泛的應(yīng)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(cè),地下水位監(jiān)測(cè)，鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了遠(yuǎn)程自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并根據(jù)使用心得，與傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行技術(shù)及經(jīng)濟(jì)價(jià)值對(duì)比。

1 工程概況

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

本項(xiàng)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(hù)單位，東側(cè)臨近居民區(qū)，周邊環(huán)境敏感，監(jiān)測(cè)壓力較大。在本項(xiàng)目中對(duì)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，地下水位監(jiān)測(cè)項(xiàng)目，鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)項(xiàng)目進(jìn)行了遠(yuǎn)程自動(dòng)化改造。

2 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2.1 概述

人工監(jiān)測(cè)一般由工人現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于記錄儀內(nèi)或人工進(jìn)行記錄，之后再由人工進(jìn)行處理。遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)則可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的自用采集、存儲(chǔ)及運(yùn)算。

遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)系統(tǒng)按照三層布局方案進(jìn)行安排，測(cè)點(diǎn)層、測(cè)量控制層、運(yùn)行管理層。[3]

1）測(cè)點(diǎn)層

通過(guò)傳感器對(duì)監(jiān)測(cè)對(duì)象進(jìn)行測(cè)量，獲取相關(guān)參數(shù)（溫度、壓力、流量）并轉(zhuǎn)換為電量信號(hào)。

2）測(cè)量控制層

數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器在預(yù)設(shè)程序控制下，按一定的時(shí)間間隔（如幾分鐘到數(shù)十分鐘）測(cè)讀各個(gè)傳感器的數(shù)據(jù)，并存儲(chǔ)在緩沖區(qū)內(nèi)。

3）運(yùn)行管理層

通過(guò)數(shù)據(jù)傳輸部件，將數(shù)據(jù)自動(dòng)采集器中暫存的數(shù)據(jù)傳送到控制計(jì)算機(jī)，通信分有線（電纜，光纜），無(wú)線（小型電臺(tái)，移動(dòng)通信）等不同通信方式，控制計(jì)算機(jī)控制整個(gè)系統(tǒng)的自動(dòng)工作，將從采集器傳送過(guò)來(lái)的數(shù)據(jù)整理，計(jì)算，存儲(chǔ)，用圖表或表格方式將數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并應(yīng)答對(duì)歷史數(shù)據(jù)的查詢。

2.2 遠(yuǎn)程自動(dòng)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)

1）監(jiān)測(cè)儀器

一般的測(cè)斜儀（活動(dòng)式）對(duì)指定孔每天只能進(jìn)行有限次的觀測(cè)，在一些特殊要求下需對(duì)土層活動(dòng)進(jìn)行連續(xù)監(jiān)測(cè)時(shí)就顯得不適用了。為此，可將若干個(gè)測(cè)斜儀組合，上下成串地安裝在同一個(gè)測(cè)孔中，各測(cè)斜儀連續(xù)工作，不斷將測(cè)得的數(shù)據(jù)通過(guò)電纜傳到測(cè)孔外，為實(shí)現(xiàn)自動(dòng)連續(xù)觀測(cè)創(chuàng)造了條件。固定式測(cè)斜儀的工作原理、計(jì)算方法均與活動(dòng)式類似，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)種類形式也相仿，因不必經(jīng)?；顒?dòng)，外型作了相應(yīng)的簡(jiǎn)化。固定式測(cè)斜儀仍遵循“S=Lsinα”的基本計(jì)算公式。安裝時(shí)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(dòng)式測(cè)斜儀不一樣的是其“L”為探頭和接桿的總長(zhǎng)度（指用剛性聯(lián)接時(shí)）或探頭上下兩支點(diǎn)間的長(zhǎng)度（指用柔性聯(lián)接時(shí)）。

我司采用的為剛性連接固定式測(cè)斜儀，平均測(cè)距2.5 m。

2）數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

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

使用時(shí)“數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀”安裝在地面上離管口近處的適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)，只需把各探頭的接線分引出，連接到數(shù)據(jù)自動(dòng)采集儀上，根據(jù)采集儀內(nèi)配的單片機(jī)，就可根據(jù)指定的時(shí)間間隔（如30秒，5分鐘，半小時(shí)…..等，可由操作人調(diào)整）自動(dòng)對(duì)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(jì)算機(jī)用電纜或無(wú)線方式建立傳輸關(guān)系，所采集到的數(shù)據(jù)就可定時(shí)或?qū)崟r(shí)傳到計(jì)算機(jī)中，進(jìn)行人工處理或自動(dòng)處理。

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

3）數(shù)據(jù)處理

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

2.3 遠(yuǎn)程自動(dòng)地下水位監(jiān)測(cè)

1）監(jiān)測(cè)儀器

采用振弦式水壓計(jì)，與人工采集所使用的水壓計(jì)一致。

2）數(shù)據(jù)采集

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

3）數(shù)據(jù)處理

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

2.4 遠(yuǎn)程自動(dòng)鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)

1）監(jiān)測(cè)儀器

選用國(guó)產(chǎn)的 V1000DA/B型（振弦式）表面應(yīng)力計(jì)，與人工監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)共用數(shù)據(jù)采集儀，采集頻率為每小時(shí)1次。

3）數(shù)據(jù)處理

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

2.5 總線集成與數(shù)據(jù)分析

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集器可實(shí)現(xiàn)一機(jī)對(duì)多個(gè)不同監(jiān)測(cè)項(xiàng)目的采集，根據(jù)采集模塊的接口數(shù)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)16/32/64個(gè)監(jiān)測(cè)儀器的自動(dòng)采集（項(xiàng)目中采用的是64位接口），在本項(xiàng)目中，我司共使用4組數(shù)據(jù)采集模塊，其中第1～2組實(shí)現(xiàn)對(duì)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)（16個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，128個(gè)傳感器），第 3組實(shí)現(xiàn)對(duì)地下水位監(jiān)測(cè)（22個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，22個(gè)傳感器），第4組實(shí)現(xiàn)對(duì)軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)的（64個(gè)監(jiān)測(cè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，64個(gè)傳感器）的采集，并通過(guò)內(nèi)置上網(wǎng)卡無(wú)線傳輸數(shù)據(jù)，通過(guò)因特網(wǎng)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程采集，進(jìn)行人工處理或通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行自動(dòng)數(shù)據(jù)分析。

3 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的技術(shù)比選

根據(jù)在項(xiàng)目中的使用情況，在技術(shù)層面對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行比選。

3.1 監(jiān)測(cè)的連續(xù)性

在惡劣天氣情況下，如臺(tái)風(fēng)，暴雨，為保障監(jiān)測(cè)人員安全，往往需要暫停監(jiān)測(cè)。而此時(shí)恰是基坑較為危險(xiǎn)的時(shí)刻，遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可以在極端惡劣天氣中實(shí)現(xiàn)不間斷觀測(cè)，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(cè)頻率

在施工的特殊時(shí)期，如在嚴(yán)重超挖，不及時(shí)支護(hù)，特大暴雨的情況下，基坑的變形可能較快，需要增加監(jiān)測(cè)密度。受勞動(dòng)強(qiáng)度限制，人工監(jiān)測(cè)頻率無(wú)法無(wú)限提高。在本項(xiàng)目中，以采用自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的三個(gè)項(xiàng)目為例，共計(jì) 16個(gè)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)、22個(gè)地下水位監(jiān)測(cè)點(diǎn)、64個(gè)鋼支撐軸力監(jiān)測(cè)點(diǎn)，若采用人工方式監(jiān)測(cè)（不含數(shù)據(jù)處理及校審時(shí)間），僅以上3個(gè)項(xiàng)目每進(jìn)行一輪監(jiān)測(cè)需耗費(fèi)2.5人工/日，若加上通勤及數(shù)據(jù)處理時(shí)間，約 3人工/日，若按照技術(shù)要求中的監(jiān)測(cè)頻率進(jìn)行監(jiān)測(cè)（僅以上3個(gè)項(xiàng)目，不含其它監(jiān)測(cè)項(xiàng)目），須安排3個(gè)技術(shù)人員全程跟進(jìn)該項(xiàng)目。若要求增加監(jiān)測(cè)頻率，則必須增加人手及安排加班。而遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可按照要求調(diào)整監(jiān)測(cè)頻率，最高頻率 30秒鐘讀取一次數(shù)據(jù)，在關(guān)鍵時(shí)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(cè)人員所測(cè)得的數(shù)據(jù)可能存在一定的偏差，甚至同一監(jiān)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)無(wú)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(cè)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(cè)斜儀之前，抽取了4個(gè)土體深層水平位移監(jiān)測(cè)試驗(yàn)孔（IN02，IN04，IN06，IN08），每間隔 1小時(shí)讀取讀數(shù)（此時(shí)正值假期，基坑未進(jìn)行施工作業(yè)，且支撐已經(jīng)按設(shè)計(jì)要求安裝并發(fā)揮作用，可認(rèn)為基坑基本處于穩(wěn)定狀態(tài)），共計(jì)讀取6次，在安裝固定測(cè)斜儀后于該4個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)抽取5 m、10 m處的位移值（每間隔1小時(shí)讀取，共讀取6次，采取的數(shù)值為凌晨1點(diǎn)至6點(diǎn)的數(shù)據(jù)，無(wú)施工干擾）統(tǒng)計(jì)其方差，其結(jié)果如表1。

表1 采集數(shù)據(jù)方差記錄

可見(jiàn)，自動(dòng)監(jiān)測(cè)可以克服人工監(jiān)測(cè)所帶來(lái)的誤差。

3.4 數(shù)據(jù)時(shí)效性

傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)所獲得的數(shù)據(jù)需要由監(jiān)測(cè)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(shí)反饋給工程師。而遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)中，工程師可以通過(guò)網(wǎng)絡(luò)在任何時(shí)間采集數(shù)據(jù)，或者通過(guò)計(jì)算機(jī)自動(dòng)生成日?qǐng)?bào)以了解基坑情況，數(shù)據(jù)時(shí)效性好。

3.5 人員安全防護(hù)

由于基坑較深，人員在基坑邊及進(jìn)入基坑內(nèi)施測(cè)有一定的安全隱患，遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)因無(wú)需人工操作，無(wú)人員安全風(fēng)險(xiǎn)。

3.6 設(shè)備維護(hù)

遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)備較為復(fù)雜，維護(hù)人員需經(jīng)一定培訓(xùn)方可上崗，若安裝時(shí)保護(hù)工作到位，維護(hù)工作量較少。使用過(guò)程中偶有施工設(shè)備損壞線路的情況，則需要重新鋪設(shè)。其設(shè)備維護(hù)較人工監(jiān)測(cè)復(fù)雜。

綜上，在技術(shù)層面遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)遠(yuǎn)優(yōu)于傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，對(duì)保障工程的安全有著巨大優(yōu)勢(shì)。

4 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)比選

遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在技術(shù)上有著巨大的優(yōu)勢(shì)，但其一次性投入較大。本節(jié)以本項(xiàng)目為例，在經(jīng)濟(jì)層面對(duì)遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行比選。

4.1 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所增加成本

遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)部分設(shè)備可以與原有人工監(jiān)測(cè)設(shè)備共用，如振弦式水位計(jì)，振弦式鋼筋應(yīng)力計(jì)均與人工監(jiān)測(cè)設(shè)備一致，故不計(jì)入增加成本。所增加成本項(xiàng)目如下：①4組數(shù)據(jù)采集模塊（64接口），②固定式測(cè)斜儀128個(gè)。以上兩項(xiàng)設(shè)備均可重復(fù)利用，一般使用壽命約 10年，本項(xiàng)目監(jiān)測(cè)時(shí)間為 3年，故按30 %進(jìn)行折舊，所增加成本約45萬(wàn)元人民幣。

4.2 遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)所節(jié)約成本

自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)大幅節(jié)約了人力成本，以本工程進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)的三個(gè)監(jiān)測(cè)項(xiàng)目為例，若未進(jìn)行自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，每日需占用3人工進(jìn)行監(jiān)測(cè)，另需進(jìn)行資料處理及校審工作，每日需耗費(fèi)1人工。本項(xiàng)目地處海外，人工成本較高，按每個(gè)技術(shù)人員 15萬(wàn)人民幣/年的人工成本計(jì)算，則3年共需180萬(wàn)元人民幣人工成本。實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)后，主要工作為整理數(shù)據(jù)及校審工作，現(xiàn)場(chǎng)巡查及設(shè)備維護(hù)，每日耗費(fèi)1人工即可完成該項(xiàng)目的監(jiān)測(cè)工作，3年總計(jì)45萬(wàn)元人民幣人工成本。遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)較人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)節(jié)約135萬(wàn)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(shè)備成本，共節(jié)約成本 90萬(wàn)元人民幣?？梢?jiàn)，在項(xiàng)目具有一定規(guī)模，監(jiān)測(cè)周期較長(zhǎng)的項(xiàng)目，采用遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)可節(jié)約成本，為公司創(chuàng)造了良好的經(jīng)濟(jì)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(huì)效益。

5 結(jié) 語(yǔ)

在遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的運(yùn)用中，積累了一定的使用經(jīng)驗(yàn)：

1）在使用過(guò)程中要特別注意對(duì)傳輸線路的保護(hù)，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(shí)負(fù)責(zé)若干個(gè)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(diǎn)為遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的主要缺點(diǎn)，故在安裝設(shè)備期間須非常注意線路的保護(hù)，以免影響監(jiān)測(cè)實(shí)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(xiàng)目中使用數(shù)據(jù)采集模塊，每個(gè)采集模塊留有 64個(gè)數(shù)據(jù)接口，本項(xiàng)目中，第3組數(shù)據(jù)采集模塊中有42個(gè)接口為空置狀態(tài)，未有效利用。除本項(xiàng)目所應(yīng)用的土體深層水平位移監(jiān)測(cè)，地下水位監(jiān)測(cè)，鋼筋軸力監(jiān)測(cè)以外，亦可對(duì)其他監(jiān)測(cè)項(xiàng)目（地表沉降監(jiān)測(cè)，結(jié)構(gòu)傾斜監(jiān)測(cè)）實(shí)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(cè)工作量較大，監(jiān)測(cè)要求較高的大型基坑監(jiān)測(cè)中，遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在技術(shù)及經(jīng)濟(jì)層面上均較傳統(tǒng)人工監(jiān)測(cè)系統(tǒng)有著較大優(yōu)勢(shì)。隨著基坑監(jiān)測(cè)要求的不斷提高及人力成本不斷增加，發(fā)展遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)為大勢(shì)所趨。隨著遠(yuǎn)程自動(dòng)監(jiān)測(cè)技術(shù)的發(fā)展，越來(lái)越多的監(jiān)測(cè)項(xiàng)目可以實(shí)施自動(dòng)化監(jiān)測(cè)，并最終形成完整的監(jiān)測(cè)體系，最終實(shí)現(xiàn)無(wú)人值守自動(dòng)化基坑監(jiān)測(cè)。