巖土工程自動化監測系統及應用研究

宛傳虎

（合肥工業大學設計院（集團） 有限公司， 安徽 合肥 230000）

巖土工程監測是隨著近些年來采礦工業、 建筑工程與道路施工等工程建設逐漸發展起來的， 主要用于對水利、 邊坡、 礦山、 交通等工程進行監測數據記錄、 分析。 當前在許多工程建設中已經開始應用自動化監測系統， 并為工程監測效率和數據采集準確度提供了更多技術支持， 在此過程中， 新的監測儀器和更高級的技術， 推動了巖土工程監測的不斷進步， 使更多有參考價值的信息得以被應用到在工程中。

1 巖土工程自動化監測系統概述

在巖土工程中， 不同的主體工程結構需要使用到不同的指標參數， 并根據這些參數來調整工程設計與規劃， 在施工完成后也需要與這些指標參數做對照來對工程完成質量進行驗收。 可想而知工程數據具有怎樣的重要性， 那么為了在測量中及時通過數據發現工程中存在的影響工程施工的因素和其他容易導致施工事故的問題就需要不斷提高監測系統的科學化水平和高新技術使用水平， 通過應用更加先進的檢測方法來獲取更精準的數據信息。 在這樣的行業發展背景下， 自動化技術逐漸在巖土工程監測中得到了應用，其使用的監測裝置與監測設備更加精密、 先進， 能夠獲取更精準數據信息的同時， 新功能的加入也使監測系統的適用性和實用性大大提升， 巖土工程監測自此又更上了一個臺階。

目前， 巖土工程中廣泛使用的高自動化水平的監測設備對巖土工程施工的各項功能性指標規定進行了革新， 在巖土結構自身的許多科學研究課題中也得到了廣泛應用， 此外也為施工安全和工程管理提供了更多有效應對的辦法。 巖土工程監測能力的重要標準都隨著自動化監測系統的應用而與時俱進得到了創新，但巖土工程監測系統仍然需要不斷進步不斷提高。 通過完善巖土工程的項目管理， 制定應急解決機制， 對自動化監測的不同模式進行研究， 并充分參考過去工程中積累的使用經驗等方式使自動化監測系統在巖土工程中得到更好地應用， 使自動化監測系統的精密度和準確度不斷提高， 使巖土工程監測的自動化水平不斷提高， 從而保證施工質量與施工安全， 保障工程順暢運行， 為行業發展提供內在推動力。

2 巖土工程自動化監測系統應用優點

2.1 監測范圍擴大

在巖土工程施工中， 需要監測的范圍相對而言是比較大的， 傳統的人工監測范圍遠不如機器的探測范圍， 且人工監測通常依賴人的視線范圍， 對于實際距離、 深度等信息的測算往往不夠準確， 導致需要監測的數據存在缺失、 遺漏等問題。 而自動化監測系統能夠通過先進的設備與裝置， 更加精準地定位到某一片區域中的某一部分信息， 并針對性地采集、 上報， 憑借安裝監測裝置， 巖土工程能夠監測到更遠范圍的信息， 尤其是需要監測水文信息時， 相比于人力所能到達的范圍擴大了非常多， 大大提高了數據分析的準確性， 使巖土工程監測分析結果更加符合工程實際。

2.2 連續監測數據

傳統人工監測通常是分派工作人員定期對某一信息進行監測與采集， 這將導致監測數據斷續， 只能對一段時間內的數據走向做大致分析。 一旦遇到強降水、 大風、 雷電等極端惡劣天氣， 則工作人員無法外出進行監測， 這一段時間內的數據信息也就不得不空白， 一方面數據信息的準確性失去了保障， 一方面對工作人員的人身安全也造成威脅。 而使用先進的數字化監測系統則能夠以機器工作代替人力工作， 自動化監測得來的數據信息可以遠程上傳到工作人員的計算機中， 工作人員可以實現“決策于千里之外”， 也能夠實現二十四小時自動記錄數據， 隨時查看數據，再細微的環境變化在這樣的持續跟蹤下也能夠被發現。 即便在惡劣天氣或深夜也能夠對巖土工程的動態變化進行監測， 大大提高了監測信息的準確性， 提高了工程設計的科學性， 也使工作人員的安全得到了保障。

2.3 降低人工負擔

人工監測得來的數據往往是在現場采集記錄， 再人工輸入進計算機， 通過一定的工作方式進行整合而后再分析數據。 應用自動化監測系統后， 原本許多必須由人力操作完成的工作都被機械設備替代了， 數據信息不需要手動采錄， 而是直接反饋、 上傳、 自動整合進對應分類中。 巖土工程周邊的一切情況都可以盡在掌握之中， 工作人員只需要在監測工作開始階段將設備與監測裝置安裝好即可， 得益于許多監測裝置的優秀設計， 原本人為監測需要花費大量時間與人力的工序都改為了機械操作， 人力工作量大大降低， 人力資源成本大量節省。 人工參與度降低也能夠規避一些人為因素對環境的影響， 能夠消除一些監測過程中可能產生的不利因素， 這對于巖土工程安全施工和精準監測都有重要意義。

2.4 監測效率更高

自動化監測系統使用的各類機械設備在工作效率上自然優于人力操作， 人工監測中難免出現數據誤差， 而機械化自動化的操作可以最大程度上規避人為監測產生的主觀誤差， 使數據信息采集的準確性得到切實保障。 同時， 人工監測所需的復雜工序， 包括外出采集再返回輸入的流程， 自動化監測系統都不需要， 這將大大節省監測所需時間。 且自動化監測所得數據是通過科學的程序編寫計算得來， 省略了人工量化數據信息的過程， 能夠直接提取數據信息用于分析， 巖土工程的監測流程便得以縮短， 工作效率也就自然提高了。

2.5 自動化設備優勢

自動化監測中常用的傳感器具有精度高、 性能穩定、 安裝與操作簡便等優勢， 不需要過于精尖的技術人員也可以使用， 大大縮減了技術需求。 且目前我國巖土工程中常用的傳感器能夠在野外環境中正常工作五年以上， 不受外力影響的情況下能夠運轉更長時間， 能夠為巖土工程取得更多有效數據。 自動化監測技術在傳輸信息時還會自動生成報表曲線， 這將減少內業人員工作量， 大大提升了作業效率。 結合雨量計、 壓力計等多種監測儀器后， 能夠對環境信息進行全方位地監測與采集， 數據信息收集更加全面可靠。

3 巖土工程自動化監測系統應用模式

巖土工程自動化監測系統由數據的存儲、 數據的傳輸、 數據的處理、 數據的共享和實時監測組成， 這5 個部分能夠在監測系統中發揮各種不同的作用， 實現對信息采集的優化， 進而全方面地掌握巖土的各種信息。 在實際工程應用中， 具體可以分為分布式監測系統、 集中式監測系統和混合式監測系統三種， 這三種監測系統有各自的適用環境， 需要巖土工程的工程設計方與施工方根據實際施工情況選擇對應的自動化監測系統。

3.1 分布式監測

分布式監測適用于需要監測大范圍大面積環境中的數據信息時使用， 其主要運作是依靠電路輸送電能， 使設備運轉， 進而設備通過集成電路對環境進行監測、 采集數據， 再將數據進行整合， 最后通過電子信息技術將整合造成的數據信息轉換并發送回計算機系統中， 從而實現自動化監測與數據上傳。 分布式監測系統的組成可以分為三個部分看待， 分別是。 這三個系統組合工作共同運轉才能實現對數據信息的高效采集、 整合、 發送一體化自動化工作。 其中分散控制系統又可細分為電路系統與自動化控制終端， 其作用在于將分散在各處的數據采集設備進行統一的自動化控制， 可以大大提高工作效率。 而集中管理系統則是在分散控制系統正常運作的基礎之上將采集而來的分散數據做集中化處理， 使數據信息得以整合， 進而將初步處理完成的數據信息傳輸到通信網絡當中。 最后， 通信網絡操作系統將數據信息進行轉化， 使其成為可以在計算機終端中解譯出來供人使用的信息， 這一步需要通過互聯網電子信息技術實現。

在某軌道交通基坑工程中， 就充分應用了自動化監測技術， 對基坑附近的各類環境信息進行了采集。該軌道交通基坑的施工區域位于濱海城市， 其施工受到巖土特性、 外部荷載、 地下水、 施工組織等多重因素影響， 是復雜的巖土工程問題。 該工程通過自動化監測技術對施工中可能存在的問題進行了預警， 工作人員在施工中可以對施工區域附近的環境數據進行全天候的實時監控， 這使得許多軌道交通基坑工程易發災害與施工事故被及時抹消在萌芽階段。 同時， 該工程引入了智慧評判系統， 與自動化監測系統相配合，共同對深基坑工程地質狀況、 水文 條件、 支護工程設計、 施工組織等多重因素進行數值比對模擬和基坑健康研判， 給予基坑健康狀況診斷及預警， 保障了工程建設質量。

3.2 集中式監測

在巖土工程監測中， 自動化集中式監測系統的應用相對而言比較少， 這是由于其適用于小塊監測面積的環境， 當前大多數巖土工程更需要對大面積大范圍內的整體數據進行動態采集， 因而集中式系統并沒有得到非常廣泛的應用。 但集中式系統的優勢在于功能性強， 能夠集中對某一區域的某一數據進行針對采集， 且系統結構十分易于管理。 其系統結構組成與分散式系統十分接近， 包含分散式系統中的功能結構的同時還兼具自動報警、 自動預警、 自動風險決策的功能， 工作人員只需要預先輸入對應程序即可。 其自動預警決策功能的實現是通過系統終端對外部采集數據的設備運作情況進行分析， 從而根據其運行數據的閾值邏輯來判斷數據是否存在異常， 判斷是否需要采取風險應急決策進行控制， 一旦發現異常即可報警至工作人員， 使工作人員能夠及時發現問題， 及時采取應對措施。

除此之外， 集中式監測的另一大特點在于能夠對數據采集設備的運行狀態進行檢查。 通常數據采集設備設置在野外環境中， 野生動物活動和自然環境、 天氣原因等都十分容易造成設備損壞。 集中式系統將會對設備的電路輸送情況、 數據信息反饋速度等進行分析， 判斷設備運行是否正常， 在出現異常時后臺將會對設備進行技術維護， 嘗試調整設備運行狀態， 同時反饋運行異常狀態， 工作人員便可及時接受到異常報告， 后臺維修失敗時會自動運行應急預案， 以待工作人員進行維修等決策。 例如在隧道施工中， 就要使用到由高精度全自動測量全站儀、 自動化變形監測系統軟件等， 通過對監測點進行周期性三維坐標采集， 進行數據質量檢查修正后得出目標點的三維變形量， 從而對目標點的變形趨勢、 安全性作出分析， 隧道施工環境復雜， 隧道內面積相對較小， 集中式監測系統在設備出現運行狀態故障時便可第一時間將異常情況上傳， 有利于工作人員對設備狀態和隧道內情況進行分析， 并作出準確判斷。

3.3 混合式監測

在巖土工程中， 除分散式監測系統和集中式監測系統， 部分工程也會采用二者結合的方式進行監測，這便稱為混合式監測。 在實際應用中采用了分布式監測的形式和集中式監測的內部系統， 形成了集二者優點于一身的兩種監測系統綜合運用模式。 在運行中，混合式監測通過作用MCU轉換裝置， 實現了對監測設備進行遠程遙控， 在采集數據的全過程中， 通過傳感器對信號的利用直接將數據集中整合在轉換箱中，進而再通過轉換箱將數據信息由總線發送至監控點。完成初步運行后， 監控點將采集得來的數據信息使用A/D技術進行轉換， 并繼續進行集中監測控制， 使數據信息得以存儲與繼續處理。

在混合式監測模式運行的整個過程中， MCU轉換裝置并非直接對數據進行自動存儲與處理， 而是在進行一段時間的運轉之后自動開始在收集數據的同時對數據進行處理與存儲， 進而為下一步的傳輸工作做好準備。 而混合式監測系統實現了數據的長距離傳送，在遠距離巖土工程中較為常用， 例如長距離的車站基坑施工等， 對這樣的工程采用混合式監測能夠使中心控制工作人員及時將線路兩端較遠處的地質信息進行采集與分析。 整套裝置在系統運行中能夠將信息進行初步整理， 傳輸控制相對較為靈活， 信息數據的延展性增加了， 巖土工程的監測效率與施工進程中的決策精準度也就相應提升了。

4 巖土工程自動化監測系統應用實踐

4.1 自動化監測應用實踐

自動化監測在地質災害評價預測中已經有了較為廣泛的應用， 而在這樣的工程中進行的自動化監測系統設計有許多需要注意的要點。 從地質工程集成理論角度來講， 首先， 要判斷變形區、 應力集中區和可能破壞區， 這主要是根據地質條件分析、 理論分析和專家群體經驗進行判斷， 并在此基礎上設計監測系統。而在具體的實際施工中， 如果出現大裂縫和塌方部位也要重點關注。 除此之外， 在工程施工中， 一些具有十分明顯代表意義的地區， 盡管并不在變形范圍內、也應當對其應力集中地段加以高度關注。 以川藏公路的二郎隧道為例， 通過自動化監測系統檢測此地的巖層數據信息， 結合TMS 系統對隧道周圍不同點位的移動情況進行分析， 最終可以得出此處的拱頂下沉與周邊收斂的位移數據， 通過將這些數據與變形等級的規定范圍進行對比后發現此處并未發生大變形問題， 那么就可以判斷此處的變形風險相對較低。 同時設置的其他設備也將此處的二次應力和巖石單軸抗壓強度等數據進行了比對， 通過計算得出此處隧道的巖爆發生概率也是較低的， 這便可以判斷出川藏工具的二郎隧道路段受地質災害影響程度是較輕的。

4.2 自動化監測實施難點

自動化監測系統的實施難點主要有以下幾點。 首先是機械設備在現場安裝中的可靠性， 這直接關系到數據采集的準確性， 設備安裝的基準點要再三確認，觀測墩的點位與傳感器安裝操作都需要有專業且經驗豐富的技術人員進行。 監測系統上傳回來的數據信息的分析結果也會直接影響到工程中作出的種種決策，技術人員應當在監測方面有豐富的經驗， 同時要具備足夠的巖土工程知識， 能夠判斷上傳數據信息的可靠性。 最后則是需要自動化監測與智慧預警相結合， 不斷提升系統的預警能力。

4.3 自動化監測發展趨勢

壩工建設是巖土工程監測的起始點， 德國是首次應用巖土工程監測的國家， 與國外相比， 我國巖土工程監測起步較晚， 但起始點與國外一樣都是水壩建設， 在上世紀50 年代， 我國在建設梅山、 豐滿等混凝土水壩時， 對水壩的外觀變形情況進行了觀測。 在當前自動化監測技術的發展中， 硬件和軟件是制約巖土工程監測技術發展的主要因素， 硬件主要是指監測儀器， 而軟件指的是監測資料分析。 主要是在巖土工程監測工作中， 分析和預測異常數據成因是主要的目的， 在傳感器應用之后， 數據采集已經不再是難點問題， 分析和處理數據， 尋找并利用有價值的數據信息成為了工作重點。

5 結語

自動化監測技術相比傳統的人工監測有其不可取代的優勢， 在未來的巖土工程建設中， 自動化監測勢必成為最為常用的監測技術。 對此， 需要結合大數據計算技術與現代的信息整合運算技術等不斷將自動化監測技術完善， 為巖土工程提供更加精準的數據支持， 從提高監測人員水平與提升監測技術等方面出發， 使自動化監測技術在巖土工程中不斷推廣開來。