双江口地下厂房洞室群施工期安全监测临时自动化系统规划

彭 涛，文 豪

（国能大渡河流域水电开发有限公司，四川成都，610041）

0 引言

随着我国大型水电工程向西南高山峡谷地带推进，受地形条件限制，高水头、大容量水电工程的厂房布置基本选择地下厂房。由于是地下洞室群，施工会受各种复杂天然工程地质问题的影响，因此捕捉施工过程中的洞室变形及应力调整显得尤为重要。但因施工期安全监测临时自动化系统的保护等问题，通常洞室开挖过程中的监测数据都采用人工监测方式获取。目前多数地下厂房洞室群安全监测自动化系统的建设都是在洞室开挖和监测仪器埋设完成后开始，在地下厂房洞室群大规模开挖前进行施工期安全监测临时自动化系统建设的工程几乎没有。鉴于此，笔者将阐述地下厂房洞室群施工期实施临时自动化系统建设的设计思路与规划方案，为今后类似工程的设计提供参考。

1 临时安全监测自动化系统建设必要性

施工期地下厂房洞室群普遍在开挖到第Ⅳ层时最易出现问题，由于洞室高宽比变化、围岩应力较高、可能存在不利结构面及施工爆破质量等因素影响，洞室群内会发生不可预知的变形，如洞室掉块、坍塌等，会影响施工现场的安全作业环境。双江口水电站前期地质勘探结果显示，双江口水电站地下厂房洞室群埋深大，又处于高地应力区，部分洞室跨度大，且局部存在不利组合块体，施工过程程中易发生岩爆、片帮、掉块等现象，是施工隐患主要来源。因此，为了及时、准确、全面掌握洞室开挖过程中围岩的变形、支护应力变化情况，有必要在洞室群大规模开挖前完成施工期临时自动化系统的建设，实现实时或高频次捕捉洞室下卧、扩挖过程中围岩的变形、支护应力变化情况，通过大量科学、可靠的数据指导现场安全施工和反馈设计。相比于传统的人工安全监测手段，地下厂房洞室群实现安全监测临时自动化具有如下特点与优势[1]：

（1）观测频次显著提升。实现自动化数据采集后，采集频率可根据需要进行调整，最短可每10 min采集一次数据，极大提高了工作效率和质量。

（2）观测结果与施工进度同步。实现自动化数据采集后，可以获取更多的数据，反馈监测部位线性变化情况，可帮助分析变形响应过程。

（3）融入已有监测信息管理系统。施工期安全监测临时自动化系统可在建成后接入监测信息管理系统，实现自动化数据采集、实时计算、海量监测数据快速处理反馈和平台化管理。

（4）预警响应及时。围岩自支撑能力的消失和破坏是围岩变形发展到一定程度后产生的，而这种变形的产生和发展有一个特定的过程。通过高频次的自动化数据采集，捕捉围岩变形过程，分析研究围岩变形和支护应力的发展趋势，及时预警危险。

（5）节省人力，保障安全。施工期工程现场条件恶劣，自动化观测方式可有效降低人工观测强度，保障人身安全，尤其是解决了在某些较危险部位人工无法观测的问题。

2 临时自动化系统建设难点分析

施工期受许多客观条件的限制，在地下厂房洞室群大规模开挖前完成施工期临时自动化系统的工程几乎没有，系统建设面临的难点主要集中在以下几个方面[1]：

（1）施工干扰，线缆保护问题。主体工程的土建施工进度受多方因素影响，临时自动化系统的建设进度也多受到影响。同时，由于与土建工作面存在交叉，已埋设仪器和敷设的线路容易遭到破坏，直接影响系统建设进度与后期系统运行维护工作。

（2）自动化设备保护问题。施工区域存在多个施工单位交叉作业，现场采集站防盗保护是个难题，同时大型机械来往，采集站布设位置不当会造成设备损坏。

（3）电源、通讯不稳定。施工期现场自动化设备用电不是问题，但现场一般提供的都是施工用电，会出现断电、停电现象，稳定性难以保证，直接影响临时自动化系统的稳定性和可靠性。多数电站工程所在地理位置都较为偏僻，要达到网络通畅的条件也较为困难。

（4）规划测站测点数量不确定。洞室群监测项目和测点的布置在招标图纸中已经明确，但施工过程中可能会结合地质条件进行调整或增加，因此在临时自动化方案设计时，需充分考虑测站接入测点冗余，但是测站布置又不能过于浪费。

3 临时自动化系统设计思路

大渡河双江口大坝最大坝高312 m，是世界上最高的土质心墙堆石坝。发电工程采用地下式，包括进水口、压力管道、主副厂房、主变室、出线场、尾水调压室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物。根据前期的地质勘察结果，电站枢纽工程洞室围岩地质条件较好，但多数地下洞室地应力较高，施工中极易出现片帮、岩爆现象。双江口水电站地下厂房洞室群施工期临时自动化系统计划在洞室群上层中导洞开挖完成后开始建设，在洞室群高宽比变化、大变形前完成大部分监测仪器接入。

3.1 设计原则及布置

双江口水电站地下厂房洞室群施工期临时自动化系统需要对洞室群围岩进行快速、连续的监控，形成有效的监测与预警体系，因此临时自动化系统需满足数据采集装置稳定、供电通信方式多样、防雷，以及与已有的安全监测信息管理系统功能兼容等特点。综合以上需求，系统的规划及设计主要有以下几个原则[2]：

（1）前瞻性。系统要具有一定的前瞻性，使用在国内能引领整个行业发展的厂家设备或系统。

（2）成熟性。系统必须在多个类似的大坝监测自动化项目上使用过，是成功的产品。

（3）易维护性。应操作简单，便于维护，维护周期短。

（4）长久性。考虑与后期永久监测系统的衔接，临时自动化系统必须长寿命，寿命周期至少10年以上。

（5）经济性。自动化系统具有以上特点的同时，还要经济实惠，性价比要高。

系统采用多级连接的网络结构型式，即安全监测自动化系统按两级设置，即前方现场监测站和后方监测中心站。现场监测站的主要作用是利用数据采集装置对监测传感器进行数据采集、存储、电源管理、监测数据上传和接收监测中心站上位机的控制指令。后方设置两个监测中心站，一个设置在业主营地内，另一个设置在承包商营地内，布置于业主营地的为主监测中心站，承包商的监测中心站作为主备份站。

主要监测项目包括：围岩变形监测、围岩浅层支护应力监测和围岩深层锚固力监测。

3.2 测站及测点规划

根据以往高地应力大型地下洞室群原型观测结果，地下厂房洞室群位移增量主要发生在下层开挖施工时间段，变形量较大部位主要集中在洞室中上部边墙、拱座，因此确定双江口水电站工程主厂房（含副厂房和安装间）高程2 258.00 m以上所有监测仪器全部接入，主变室全部监测仪器接入，尾调室高程2 273.00 m以上所有监测仪器全部接入。需要接入临时自动化系统的测点总数为1 265个，其中振弦式仪器测点1 142个（多点位移计温度测点不接入），差阻式仪器测点123个。典型断面监测布置图及接入仪器范围见图1。

图1 三大洞室某断面监测布置图及接入仪器区域图Fig.1 Distribution of monitoring instruments in the underground caverns

临时自动化系统计划在现场布置2个永久监测站和2个施工期临时监测站，其中永久监测站分别位于上层排水廊道施工支洞口部位（监测站1）和尾调交通洞0+055.30 m左右与上层排水廊道交叉部位（监测站2），施工期临时监测站分别位于厂房上游侧墙体岩锚梁上方（厂横）0+045.00 m左右（监测站3）和厂房下游侧墙体岩锚梁上方（厂横）0+045.00 m左右（监测站4）。各监测站接入仪器工程位置分布及数量见表1，监测站平面位置见图2。

图2 临时自动化系统监测站平面位置图Fig.2 Distribution of temporary monitoring stations

表1 各监测站接入仪器分布及数量表Table 1 Instruments in every monitoring station

3.3 设备计划选型

结合临时自动化系统设计的原则，同时需满足与双江口安全监测信息管理系统兼容，双江口水电站施工期地下厂房洞室群临时自动化项目的自动化设备计划采用南瑞集团有限公司（以下简称“南瑞”）生产并在国内运用成熟的DAMS－Ⅳ型智能分布式大坝安全监测系统及其DAU2000型数据采集单元（以下简称DAU）。其中差阻式仪器的数据采集模块采用南瑞公司生产的NDA1104B型（带人工比测通道）16通道测量模块，振弦式仪器数据采集模块采用南瑞公司生产的NDA1404B型（带人工比测通道）32通道测量模块。各测站DAU数据采集单元配置情况见表2。

表2 各测站数据采集单元配置表Table 2 Data acquisition units in every monitoring station

3.4 系统运行方式

业主营地内的监测中心站和承包商营地备份站各架设一套DSIMS的数据采集平台，两个平台均可对现场设备进行实时控制和数据采集。同时监测信息管理系统通过通用采集协议向DSIMS采集软件发送各类控制指令，如数据采集、时钟查询、通道设置等命令，DSIMS软件收到相应的命令后遵照执行，并将执行结果反馈到信息管理系统，同时将采集到的监测数据存储到信息管理系统后台数据库中，最终由信息管理系统对数据进行计算、评判、预警。

4 临时自动化系统建设关键举措

4.1 施工时序优化，系统分期建设

考虑三大洞室监测仪器安装需满足先完成排水廊道施工、再进行三大洞室顶拱施工的要求，在上层排水廊道施工期间，在排风机室1号连接洞与上层排水廊道之间增设了一条连接洞来增加工作面，加快了排水廊道施工进度，为临时自动化系统的尽早实施创造了条件。

图3 上层排水廊道平面布置图Fig.3 Plan of the upper drainage gallery

根据主体工程施工进度，临时自动化系统计划分三期建成，一期接入上层排水廊道预埋的仪器和三大洞室先导洞顶拱的监测仪器；二期接入主厂房岩锚梁以上监测仪器；三期接入三大洞室一、二期剩余仪器进入施工期临时自动化系统。其中一期监测仪器现已具备接入条件，监测站1、监测站2将首先进行建设；待洞室下卧开挖形成岩锚梁后，监测站3、监测站4开始建设，并接入上部仪器；岩锚梁以下监测仪器跟随施工进度，具备保护条件后随时接入自动化。主变室、尾水调压室计划采用预埋监测电缆方式，在某一高程具备电缆保护条件后及时接入自动化。

4.2 加强线缆保护，保障设施安全

系统建设中，从测站1牵引至尾调交通洞洞口的光纤、自洞口牵引至1号测站的电源线及自配电箱牵引至各测站的电源线，均采用PE管保护。保护管用膨胀弯钩、排卡固定在侧壁，或利用现场电缆桥架进行固定。

根据以往工程现场经验，双江口水电站临时自动化系统的自动化相关设备计划安装在特制保护柜内，保护柜要求整体用铁皮制作，刷防锈漆，带前门，可上锁，底部预留电缆进入口。

4.3 保障供电稳定，优化通讯手段

为解决施工期临时监测系统现场电源稳定性的难题，现场监测站的系统供电计划采用专线供电方式，即从尾调交通洞洞口变压器房牵引一根专用电缆、稳压器、可连续工作72 h的不间断电源（为了避免电压不稳或停电等造成系统损坏或缺测），直至接入设置于1号测站处的配电箱，然后经配电箱分别向4个监测站进行供电。

图4 现场供电示意图Fig.4 Power supply at the construction site

根据工程测点分散、跨距较长、不易布设电缆等特点，且考虑到地下洞室无网络信号和天气因素，计划采用有线通讯传输与GPRS无线通讯传输相结合的混合传输方式。

首先测站之间采用RS-485总线方式进行通讯，将2号、3号、4号测站通过通讯电缆集中至1号测站位置，然后从1号测站集中进入光端机，最后将光纤牵引至尾调交通洞洞口。

尾调交通洞洞口已铺设光纤，因此业主营地内的监测中心站与现场监测站之间采用光纤进行通讯，承包商营地监测中心站与现场监测站之间采用无线传输的方式进行通讯。

图5 数据传输示意图Fig.5 Data transmission

5 结语

（1）在地下厂房洞室群大规模开挖、下卧前完成临时自动化系统的建设，能保障及时、全面获取监测数据，指导现场安全施工和反馈设计，全面提升现场安全管控水平。

（2）大渡河双江口水电站计划在工程建设初期实施地下厂房洞室群施工期临时安全监测，在同规模同类型工程中理念超前，待实施完成后，其设计思路和细化方案可为类似工程提供参考。