雙江口地下廠房洞室群施工期安全監(jiān)測臨時自動化系統(tǒng)規(guī)劃

彭 濤，文 豪

（國能大渡河流域水電開發(fā)有限公司，四川成都，610041）

0 引言

隨著我國大型水電工程向西南高山峽谷地帶推進，受地形條件限制，高水頭、大容量水電工程的廠房布置基本選擇地下廠房。由于是地下洞室群，施工會受各種復雜天然工程地質(zhì)問題的影響，因此捕捉施工過程中的洞室變形及應力調(diào)整顯得尤為重要。但因施工期安全監(jiān)測臨時自動化系統(tǒng)的保護等問題，通常洞室開挖過程中的監(jiān)測數(shù)據(jù)都采用人工監(jiān)測方式獲取。目前多數(shù)地下廠房洞室群安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)的建設都是在洞室開挖和監(jiān)測儀器埋設完成后開始，在地下廠房洞室群大規(guī)模開挖前進行施工期安全監(jiān)測臨時自動化系統(tǒng)建設的工程幾乎沒有。鑒于此，筆者將闡述地下廠房洞室群施工期實施臨時自動化系統(tǒng)建設的設計思路與規(guī)劃方案，為今后類似工程的設計提供參考。

1 臨時安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)建設必要性

施工期地下廠房洞室群普遍在開挖到第Ⅳ層時最易出現(xiàn)問題，由于洞室高寬比變化、圍巖應力較高、可能存在不利結(jié)構(gòu)面及施工爆破質(zhì)量等因素影響，洞室群內(nèi)會發(fā)生不可預知的變形，如洞室掉塊、坍塌等，會影響施工現(xiàn)場的安全作業(yè)環(huán)境。雙江口水電站前期地質(zhì)勘探結(jié)果顯示，雙江口水電站地下廠房洞室群埋深大，又處于高地應力區(qū)，部分洞室跨度大，且局部存在不利組合塊體，施工過程程中易發(fā)生巖爆、片幫、掉塊等現(xiàn)象，是施工隱患主要來源。因此，為了及時、準確、全面掌握洞室開挖過程中圍巖的變形、支護應力變化情況，有必要在洞室群大規(guī)模開挖前完成施工期臨時自動化系統(tǒng)的建設，實現(xiàn)實時或高頻次捕捉洞室下臥、擴挖過程中圍巖的變形、支護應力變化情況，通過大量科學、可靠的數(shù)據(jù)指導現(xiàn)場安全施工和反饋設計。相比于傳統(tǒng)的人工安全監(jiān)測手段，地下廠房洞室群實現(xiàn)安全監(jiān)測臨時自動化具有如下特點與優(yōu)勢[1]：

（1）觀測頻次顯著提升。實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集后，采集頻率可根據(jù)需要進行調(diào)整，最短可每10 min采集一次數(shù)據(jù)，極大提高了工作效率和質(zhì)量。

（2）觀測結(jié)果與施工進度同步。實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集后，可以獲取更多的數(shù)據(jù)，反饋監(jiān)測部位線性變化情況，可幫助分析變形響應過程。

（3）融入已有監(jiān)測信息管理系統(tǒng)。施工期安全監(jiān)測臨時自動化系統(tǒng)可在建成后接入監(jiān)測信息管理系統(tǒng)，實現(xiàn)自動化數(shù)據(jù)采集、實時計算、海量監(jiān)測數(shù)據(jù)快速處理反饋和平臺化管理。

（4）預警響應及時。圍巖自支撐能力的消失和破壞是圍巖變形發(fā)展到一定程度后產(chǎn)生的，而這種變形的產(chǎn)生和發(fā)展有一個特定的過程。通過高頻次的自動化數(shù)據(jù)采集，捕捉圍巖變形過程，分析研究圍巖變形和支護應力的發(fā)展趨勢，及時預警危險。

（5）節(jié)省人力，保障安全。施工期工程現(xiàn)場條件惡劣，自動化觀測方式可有效降低人工觀測強度，保障人身安全，尤其是解決了在某些較危險部位人工無法觀測的問題。

2 臨時自動化系統(tǒng)建設難點分析

施工期受許多客觀條件的限制，在地下廠房洞室群大規(guī)模開挖前完成施工期臨時自動化系統(tǒng)的工程幾乎沒有，系統(tǒng)建設面臨的難點主要集中在以下幾個方面[1]：

（1）施工干擾，線纜保護問題。主體工程的土建施工進度受多方因素影響，臨時自動化系統(tǒng)的建設進度也多受到影響。同時，由于與土建工作面存在交叉，已埋設儀器和敷設的線路容易遭到破壞，直接影響系統(tǒng)建設進度與后期系統(tǒng)運行維護工作。

（2）自動化設備保護問題。施工區(qū)域存在多個施工單位交叉作業(yè)，現(xiàn)場采集站防盜保護是個難題，同時大型機械來往，采集站布設位置不當會造成設備損壞。

（3）電源、通訊不穩(wěn)定。施工期現(xiàn)場自動化設備用電不是問題，但現(xiàn)場一般提供的都是施工用電，會出現(xiàn)斷電、停電現(xiàn)象，穩(wěn)定性難以保證，直接影響臨時自動化系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。多數(shù)電站工程所在地理位置都較為偏僻，要達到網(wǎng)絡通暢的條件也較為困難。

（4）規(guī)劃測站測點數(shù)量不確定。洞室群監(jiān)測項目和測點的布置在招標圖紙中已經(jīng)明確，但施工過程中可能會結(jié)合地質(zhì)條件進行調(diào)整或增加，因此在臨時自動化方案設計時，需充分考慮測站接入測點冗余，但是測站布置又不能過于浪費。

3 臨時自動化系統(tǒng)設計思路

大渡河雙江口大壩最大壩高312 m，是世界上最高的土質(zhì)心墻堆石壩。發(fā)電工程采用地下式，包括進水口、壓力管道、主副廠房、主變室、出線場、尾水調(diào)壓室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物。根據(jù)前期的地質(zhì)勘察結(jié)果，電站樞紐工程洞室圍巖地質(zhì)條件較好，但多數(shù)地下洞室地應力較高，施工中極易出現(xiàn)片幫、巖爆現(xiàn)象。雙江口水電站地下廠房洞室群施工期臨時自動化系統(tǒng)計劃在洞室群上層中導洞開挖完成后開始建設，在洞室群高寬比變化、大變形前完成大部分監(jiān)測儀器接入。

3.1 設計原則及布置

雙江口水電站地下廠房洞室群施工期臨時自動化系統(tǒng)需要對洞室群圍巖進行快速、連續(xù)的監(jiān)控，形成有效的監(jiān)測與預警體系，因此臨時自動化系統(tǒng)需滿足數(shù)據(jù)采集裝置穩(wěn)定、供電通信方式多樣、防雷，以及與已有的安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)功能兼容等特點。綜合以上需求，系統(tǒng)的規(guī)劃及設計主要有以下幾個原則[2]：

（1）前瞻性。系統(tǒng)要具有一定的前瞻性，使用在國內(nèi)能引領整個行業(yè)發(fā)展的廠家設備或系統(tǒng)。

（2）成熟性。系統(tǒng)必須在多個類似的大壩監(jiān)測自動化項目上使用過，是成功的產(chǎn)品。

（3）易維護性。應操作簡單，便于維護，維護周期短。

（4）長久性?？紤]與后期永久監(jiān)測系統(tǒng)的銜接，臨時自動化系統(tǒng)必須長壽命，壽命周期至少10年以上。

（5）經(jīng)濟性。自動化系統(tǒng)具有以上特點的同時，還要經(jīng)濟實惠，性價比要高。

系統(tǒng)采用多級連接的網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)型式，即安全監(jiān)測自動化系統(tǒng)按兩級設置，即前方現(xiàn)場監(jiān)測站和后方監(jiān)測中心站?，F(xiàn)場監(jiān)測站的主要作用是利用數(shù)據(jù)采集裝置對監(jiān)測傳感器進行數(shù)據(jù)采集、存儲、電源管理、監(jiān)測數(shù)據(jù)上傳和接收監(jiān)測中心站上位機的控制指令。后方設置兩個監(jiān)測中心站，一個設置在業(yè)主營地內(nèi)，另一個設置在承包商營地內(nèi)，布置于業(yè)主營地的為主監(jiān)測中心站，承包商的監(jiān)測中心站作為主備份站。

主要監(jiān)測項目包括：圍巖變形監(jiān)測、圍巖淺層支護應力監(jiān)測和圍巖深層錨固力監(jiān)測。

3.2 測站及測點規(guī)劃

根據(jù)以往高地應力大型地下洞室群原型觀測結(jié)果，地下廠房洞室群位移增量主要發(fā)生在下層開挖施工時間段，變形量較大部位主要集中在洞室中上部邊墻、拱座，因此確定雙江口水電站工程主廠房（含副廠房和安裝間）高程2 258.00 m以上所有監(jiān)測儀器全部接入，主變室全部監(jiān)測儀器接入，尾調(diào)室高程2 273.00 m以上所有監(jiān)測儀器全部接入。需要接入臨時自動化系統(tǒng)的測點總數(shù)為1 265個，其中振弦式儀器測點1 142個（多點位移計溫度測點不接入），差阻式儀器測點123個。典型斷面監(jiān)測布置圖及接入儀器范圍見圖1。

圖1 三大洞室某斷面監(jiān)測布置圖及接入儀器區(qū)域圖Fig.1 Distribution of monitoring instruments in the underground caverns

臨時自動化系統(tǒng)計劃在現(xiàn)場布置2個永久監(jiān)測站和2個施工期臨時監(jiān)測站，其中永久監(jiān)測站分別位于上層排水廊道施工支洞口部位（監(jiān)測站1）和尾調(diào)交通洞0+055.30 m左右與上層排水廊道交叉部位（監(jiān)測站2），施工期臨時監(jiān)測站分別位于廠房上游側(cè)墻體巖錨梁上方（廠橫）0+045.00 m左右（監(jiān)測站3）和廠房下游側(cè)墻體巖錨梁上方（廠橫）0+045.00 m左右（監(jiān)測站4）。各監(jiān)測站接入儀器工程位置分布及數(shù)量見表1，監(jiān)測站平面位置見圖2。

圖2 臨時自動化系統(tǒng)監(jiān)測站平面位置圖Fig.2 Distribution of temporary monitoring stations

表1 各監(jiān)測站接入儀器分布及數(shù)量表Table 1 Instruments in every monitoring station

3.3 設備計劃選型

結(jié)合臨時自動化系統(tǒng)設計的原則，同時需滿足與雙江口安全監(jiān)測信息管理系統(tǒng)兼容，雙江口水電站施工期地下廠房洞室群臨時自動化項目的自動化設備計劃采用南瑞集團有限公司（以下簡稱“南瑞”）生產(chǎn)并在國內(nèi)運用成熟的DAMS－Ⅳ型智能分布式大壩安全監(jiān)測系統(tǒng)及其DAU2000型數(shù)據(jù)采集單元（以下簡稱DAU）。其中差阻式儀器的數(shù)據(jù)采集模塊采用南瑞公司生產(chǎn)的NDA1104B型（帶人工比測通道）16通道測量模塊，振弦式儀器數(shù)據(jù)采集模塊采用南瑞公司生產(chǎn)的NDA1404B型（帶人工比測通道）32通道測量模塊。各測站DAU數(shù)據(jù)采集單元配置情況見表2。

表2 各測站數(shù)據(jù)采集單元配置表Table 2 Data acquisition units in every monitoring station

3.4 系統(tǒng)運行方式

業(yè)主營地內(nèi)的監(jiān)測中心站和承包商營地備份站各架設一套DSIMS的數(shù)據(jù)采集平臺，兩個平臺均可對現(xiàn)場設備進行實時控制和數(shù)據(jù)采集。同時監(jiān)測信息管理系統(tǒng)通過通用采集協(xié)議向DSIMS采集軟件發(fā)送各類控制指令，如數(shù)據(jù)采集、時鐘查詢、通道設置等命令，DSIMS軟件收到相應的命令后遵照執(zhí)行，并將執(zhí)行結(jié)果反饋到信息管理系統(tǒng)，同時將采集到的監(jiān)測數(shù)據(jù)存儲到信息管理系統(tǒng)后臺數(shù)據(jù)庫中，最終由信息管理系統(tǒng)對數(shù)據(jù)進行計算、評判、預警。

4 臨時自動化系統(tǒng)建設關鍵舉措

4.1 施工時序優(yōu)化，系統(tǒng)分期建設

考慮三大洞室監(jiān)測儀器安裝需滿足先完成排水廊道施工、再進行三大洞室頂拱施工的要求，在上層排水廊道施工期間，在排風機室1號連接洞與上層排水廊道之間增設了一條連接洞來增加工作面，加快了排水廊道施工進度，為臨時自動化系統(tǒng)的盡早實施創(chuàng)造了條件。

圖3 上層排水廊道平面布置圖Fig.3 Plan of the upper drainage gallery

根據(jù)主體工程施工進度，臨時自動化系統(tǒng)計劃分三期建成，一期接入上層排水廊道預埋的儀器和三大洞室先導洞頂拱的監(jiān)測儀器；二期接入主廠房巖錨梁以上監(jiān)測儀器；三期接入三大洞室一、二期剩余儀器進入施工期臨時自動化系統(tǒng)。其中一期監(jiān)測儀器現(xiàn)已具備接入條件，監(jiān)測站1、監(jiān)測站2將首先進行建設；待洞室下臥開挖形成巖錨梁后，監(jiān)測站3、監(jiān)測站4開始建設，并接入上部儀器；巖錨梁以下監(jiān)測儀器跟隨施工進度，具備保護條件后隨時接入自動化。主變室、尾水調(diào)壓室計劃采用預埋監(jiān)測電纜方式，在某一高程具備電纜保護條件后及時接入自動化。

4.2 加強線纜保護，保障設施安全

系統(tǒng)建設中，從測站1牽引至尾調(diào)交通洞洞口的光纖、自洞口牽引至1號測站的電源線及自配電箱牽引至各測站的電源線，均采用PE管保護。保護管用膨脹彎鉤、排卡固定在側(cè)壁，或利用現(xiàn)場電纜橋架進行固定。

根據(jù)以往工程現(xiàn)場經(jīng)驗，雙江口水電站臨時自動化系統(tǒng)的自動化相關設備計劃安裝在特制保護柜內(nèi)，保護柜要求整體用鐵皮制作，刷防銹漆，帶前門，可上鎖，底部預留電纜進入口。

4.3 保障供電穩(wěn)定，優(yōu)化通訊手段

為解決施工期臨時監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)場電源穩(wěn)定性的難題，現(xiàn)場監(jiān)測站的系統(tǒng)供電計劃采用專線供電方式，即從尾調(diào)交通洞洞口變壓器房牽引一根專用電纜、穩(wěn)壓器、可連續(xù)工作72 h的不間斷電源（為了避免電壓不穩(wěn)或停電等造成系統(tǒng)損壞或缺測），直至接入設置于1號測站處的配電箱，然后經(jīng)配電箱分別向4個監(jiān)測站進行供電。

圖4 現(xiàn)場供電示意圖Fig.4 Power supply at the construction site

根據(jù)工程測點分散、跨距較長、不易布設電纜等特點，且考慮到地下洞室無網(wǎng)絡信號和天氣因素，計劃采用有線通訊傳輸與GPRS無線通訊傳輸相結(jié)合的混合傳輸方式。

首先測站之間采用RS-485總線方式進行通訊，將2號、3號、4號測站通過通訊電纜集中至1號測站位置，然后從1號測站集中進入光端機，最后將光纖牽引至尾調(diào)交通洞洞口。

尾調(diào)交通洞洞口已鋪設光纖，因此業(yè)主營地內(nèi)的監(jiān)測中心站與現(xiàn)場監(jiān)測站之間采用光纖進行通訊，承包商營地監(jiān)測中心站與現(xiàn)場監(jiān)測站之間采用無線傳輸?shù)姆绞竭M行通訊。

圖5 數(shù)據(jù)傳輸示意圖Fig.5 Data transmission

5 結(jié)語

（1）在地下廠房洞室群大規(guī)模開挖、下臥前完成臨時自動化系統(tǒng)的建設，能保障及時、全面獲取監(jiān)測數(shù)據(jù)，指導現(xiàn)場安全施工和反饋設計，全面提升現(xiàn)場安全管控水平。

（2）大渡河雙江口水電站計劃在工程建設初期實施地下廠房洞室群施工期臨時安全監(jiān)測，在同規(guī)模同類型工程中理念超前，待實施完成后，其設計思路和細化方案可為類似工程提供參考。