雙江口地下廠房洞室群施工期安全監測臨時自動化系統規劃

彭 濤，文 豪

（國能大渡河流域水電開發有限公司，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問題的影響，因此捕捉施工過程中的洞室變形及應力調整顯得尤為重要。但因施工期安全監測臨時自動化系統的保護等問題，通常洞室開挖過程中的監測數據都采用人工監測方式獲取。目前多數地下廠房洞室群安全監測自動化系統的建設都是在洞室開挖和監測儀器埋設完成后開始，在地下廠房洞室群大規模開挖前進行施工期安全監測臨時自動化系統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建設的設計思路與規劃方案，為今后類似工程的設計提供參考。

1 臨時安全監測自動化系統建設必要性

施工期地下廠房洞室群普遍在開挖到第Ⅳ層時最易出現問題，由于洞室高寬比變化、圍巖應力較高、可能存在不利結構面及施工爆破質量等因素影響，洞室群內會發生不可預知的變形，如洞室掉塊、坍塌等，會影響施工現場的安全作業環境。雙江口水電站前期地質勘探結果顯示，雙江口水電站地下廠房洞室群埋深大，又處于高地應力區，部分洞室跨度大，且局部存在不利組合塊體，施工過程程中易發生巖爆、片幫、掉塊等現象，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模開挖前完成施工期臨時自動化系統的建設，實現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、可靠的數據指導現場安全施工和反饋設計。相比于傳統的人工安全監測手段，地下廠房洞室群實現安全監測臨時自動化具有如下特點與優勢[1]：

（1）觀測頻次顯著提升。實現自動化數據采集后，采集頻率可根據需要進行調整，最短可每10 min采集一次數據，極大提高了工作效率和質量。

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

（3）融入已有監測信息管理系統。施工期安全監測臨時自動化系統可在建成后接入監測信息管理系統，實現自動化數據采集、實時計算、海量監測數據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展到一定程度后產生的，而這種變形的產生和發展有一個特定的過程。通過高頻次的自動化數據采集，捕捉圍巖變形過程，分析研究圍巖變形和支護應力的發展趨勢，及時預警危險。

（5）節省人力，保障安全。施工期工程現場條件惡劣，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模開挖前完成施工期臨時自動化系統的工程幾乎沒有，系統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，直接影響系統建設進度與后期系統運行維護工作。

（2）自動化設備保護問題。施工區域存在多個施工單位交叉作業，現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、通訊不穩定。施工期現場自動化設備用電不是問題，但現場一般提供的都是施工用電，會出現斷電、停電現象，穩定性難以保證，直接影響臨時自動化系統的穩定性和可靠性。多數電站工程所在地理位置都較為偏僻，要達到網絡通暢的條件也較為困難。

（4）規劃測站測點數量不確定。洞室群監測項目和測點的布置在招標圖紙中已經明確，但施工過程中可能會結合地質條件進行調整或增加，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心墻堆石壩。發電工程采用地下式，包括進水口、壓力管道、主副廠房、主變室、出線場、尾水調壓室、尾水隧洞及尾水塔等建筑物。根據前期的地質勘察結果，電站樞紐工程洞室圍巖地質條件較好，但多數地下洞室地應力較高，施工中極易出現片幫、巖爆現象。雙江口水電站地下廠房洞室群施工期臨時自動化系統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需要對洞室群圍巖進行快速、連續的監控，形成有效的監測與預警體系，因此臨時自動化系統需滿足數據采集裝置穩定、供電通信方式多樣、防雷，以及與已有的安全監測信息管理系統功能兼容等特點。綜合以上需求，系統的規劃及設計主要有以下幾個原則[2]：

（1）前瞻性。系統要具有一定的前瞻性，使用在國內能引領整個行業發展的廠家設備或系統。

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

（3）易維護性。應操作簡單，便于維護，維護周期短。

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

（5）經濟性。自動化系統具有以上特點的同時，還要經濟實惠，性價比要高。

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

主要監測項目包括：圍巖變形監測、圍巖淺層支護應力監測和圍巖深層錨固力監測。

3.2 測站及測點規劃

根據以往高地應力大型地下洞室群原型觀測結果，地下廠房洞室群位移增量主要發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以上所有監測儀器全部接入，主變室全部監測儀器接入，尾調室高程2 273.00 m以上所有監測儀器全部接入。需要接入臨時自動化系統的測點總數為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。典型斷面監測布置圖及接入儀器范圍見圖1。

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

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

圖2 臨時自動化系統監測站平面位置圖Fig.2 Distribution of temporary monitoring stations

表1 各監測站接入儀器分布及數量表Table 1 Instruments in every monitoring station

3.3 設備計劃選型

結合臨時自動化系統設計的原則，同時需滿足與雙江口安全監測信息管理系統兼容，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”）生產并在國內運用成熟的DAMS－Ⅳ型智能分布式大壩安全監測系統及其DAU2000型數據采集單元（以下簡稱DAU）。其中差阻式儀器的數據采集模塊采用南瑞公司生產的NDA1104B型（帶人工比測通道）16通道測量模塊，振弦式儀器數據采集模塊采用南瑞公司生產的NDA1404B型（帶人工比測通道）32通道測量模塊。各測站DAU數據采集單元配置情況見表2。

表2 各測站數據采集單元配置表Table 2 Data acquisition units in every monitoring station

3.4 系統運行方式

業主營地內的監測中心站和承包商營地備份站各架設一套DSIMS的數據采集平臺，兩個平臺均可對現場設備進行實時控制和數據采集。同時監測信息管理系統通過通用采集協議向DSIMS采集軟件發送各類控制指令，如數據采集、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行，并將執行結果反饋到信息管理系統，同時將采集到的監測數據存儲到信息管理系統后臺數據庫中，最終由信息管理系統對數據進行計算、評判、預警。

4 臨時自動化系統建設關鍵舉措

4.1 施工時序優化，系統分期建設

考慮三大洞室監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，為臨時自動化系統的盡早實施創造了條件。

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

根據主體工程施工進度，臨時自動化系統計劃分三期建成，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測儀器；二期接入主廠房巖錨梁以上監測儀器；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。其中一期監測儀器現已具備接入條件，監測站1、監測站2將首先進行建設；待洞室下臥開挖形成巖錨梁后，監測站3、監測站4開始建設，并接入上部儀器；巖錨梁以下監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、尾水調壓室計劃采用預埋監測電纜方式，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

系統建設中，從測站1牽引至尾調交通洞洞口的光纖、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、排卡固定在側壁，或利用現場電纜橋架進行固定。

根據以往工程現場經驗，雙江口水電站臨時自動化系統的自動化相關設備計劃安裝在特制保護柜內，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 保障供電穩定，優化通訊手段

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

圖4 現場供電示意圖Fig.4 Power supply at the construction site

根據工程測點分散、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交通洞洞口。

尾調交通洞洞口已鋪設光纖，因此業主營地內的監測中心站與現場監測站之間采用光纖進行通訊，承包商營地監測中心站與現場監測站之間采用無線傳輸的方式進行通訊。

圖5 數據傳輸示意圖Fig.5 Data transmission

5 結語

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

（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測，在同規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。