彭 濤，文 豪

（國(guó)能大渡河流域水電開(kāi)發(fā)有限公司，四川成都，610041）

0 引言

隨著我國(guó)大型水電工程向西南高山峽谷地帶推進(jìn)，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(huì)受各種復(fù)雜天然工程地質(zhì)問(wèn)題的影響，因此捕捉施工過(guò)程中的洞室變形及應(yīng)力調(diào)整顯得尤為重要。但因施工期安全監(jiān)測(cè)臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的保護(hù)等問(wèn)題，通常洞室開(kāi)挖過(guò)程中的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)都采用人工監(jiān)測(cè)方式獲取。目前多數(shù)地下廠房洞室群安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)都是在洞室開(kāi)挖和監(jiān)測(cè)儀器埋設(shè)完成后開(kāi)始，在地下廠房洞室群大規(guī)模開(kāi)挖前進(jìn)行施工期安全監(jiān)測(cè)臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的工程幾乎沒(méi)有。鑒于此，筆者將闡述地下廠房洞室群施工期實(shí)施臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)的設(shè)計(jì)思路與規(guī)劃方案，為今后類似工程的設(shè)計(jì)提供參考。

1 臨時(shí)安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)必要性

施工期地下廠房洞室群普遍在開(kāi)挖到第Ⅳ層時(shí)最易出現(xiàn)問(wèn)題，由于洞室高寬比變化、圍巖應(yīng)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(huì)發(fā)生不可預(yù)知的變形，如洞室掉塊、坍塌等，會(huì)影響施工現(xiàn)場(chǎng)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(yīng)力區(qū)，部分洞室跨度大，且局部存在不利組合塊體，施工過(guò)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(lái)源。因此，為了及時(shí)、準(zhǔn)確、全面掌握洞室開(kāi)挖過(guò)程中圍巖的變形、支護(hù)應(yīng)力變化情況，有必要在洞室群大規(guī)模開(kāi)挖前完成施工期臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)或高頻次捕捉洞室下臥、擴(kuò)挖過(guò)程中圍巖的變形、支護(hù)應(yīng)力變化情況，通過(guò)大量科學(xué)、可靠的數(shù)據(jù)指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全施工和反饋設(shè)計(jì)。相比于傳統(tǒng)的人工安全監(jiān)測(cè)手段，地下廠房洞室群實(shí)現(xiàn)安全監(jiān)測(cè)臨時(shí)自動(dòng)化具有如下特點(diǎn)與優(yōu)勢(shì)[1]：

（1）觀測(cè)頻次顯著提升。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集后，采集頻率可根據(jù)需要進(jìn)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(cè)結(jié)果與施工進(jìn)度同步。實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集后，可以獲取更多的數(shù)據(jù)，反饋監(jiān)測(cè)部位線性變化情況，可幫助分析變形響應(yīng)過(guò)程。

（3）融入已有監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)。施工期安全監(jiān)測(cè)臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)可在建成后接入監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集、實(shí)時(shí)計(jì)算、海量監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)快速處理反饋和平臺(tái)化管理。

（4）預(yù)警響應(yīng)及時(shí)。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(gè)特定的過(guò)程。通過(guò)高頻次的自動(dòng)化數(shù)據(jù)采集，捕捉圍巖變形過(guò)程，分析研究圍巖變形和支護(hù)應(yīng)力的發(fā)展趨勢(shì)，及時(shí)預(yù)警危險(xiǎn)。

（5）節(jié)省人力，保障安全。施工期工程現(xiàn)場(chǎng)條件惡劣，自動(dòng)化觀測(cè)方式可有效降低人工觀測(cè)強(qiáng)度，保障人身安全，尤其是解決了在某些較危險(xiǎn)部位人工無(wú)法觀測(cè)的問(wèn)題。

2 臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)難點(diǎn)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(kāi)挖前完成施工期臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的工程幾乎沒(méi)有，系統(tǒng)建設(shè)面臨的難點(diǎn)主要集中在以下幾個(gè)方面[1]：

（1）施工干擾，線纜保護(hù)問(wèn)題。主體工程的土建施工進(jìn)度受多方因素影響，臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)進(jìn)度也多受到影響。同時(shí)，由于與土建工作面存在交叉，已埋設(shè)儀器和敷設(shè)的線路容易遭到破壞，直接影響系統(tǒng)建設(shè)進(jìn)度與后期系統(tǒng)運(yùn)行維護(hù)工作。

（2）自動(dòng)化設(shè)備保護(hù)問(wèn)題。施工區(qū)域存在多個(gè)施工單位交叉作業(yè)，現(xiàn)場(chǎng)采集站防盜保護(hù)是個(gè)難題，同時(shí)大型機(jī)械來(lái)往，采集站布設(shè)位置不當(dāng)會(huì)造成設(shè)備損壞。

（3）電源、通訊不穩(wěn)定。施工期現(xiàn)場(chǎng)自動(dòng)化設(shè)備用電不是問(wèn)題，但現(xiàn)場(chǎng)一般提供的都是施工用電，會(huì)出現(xiàn)斷電、停電現(xiàn)象，穩(wěn)定性難以保證，直接影響臨時(shí)自動(dòng)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(dá)到網(wǎng)絡(luò)通暢的條件也較為困難。

（4）規(guī)劃測(cè)站測(cè)點(diǎn)數(shù)量不確定。洞室群監(jiān)測(cè)項(xiàng)目和測(cè)點(diǎn)的布置在招標(biāo)圖紙中已經(jīng)明確，但施工過(guò)程中可能會(huì)結(jié)合地質(zhì)條件進(jìn)行調(diào)整或增加，因此在臨時(shí)自動(dòng)化方案設(shè)計(jì)時(shí)，需充分考慮測(cè)站接入測(cè)點(diǎn)冗余，但是測(cè)站布置又不能過(guò)于浪費(fèi)。

3 臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(jìn)水口、壓力管道、主副廠房、主變室、出線場(chǎng)、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(yīng)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(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)劃在洞室群上層中導(dǎo)洞開(kāi)挖完成后開(kāi)始建設(shè)，在洞室群高寬比變化、大變形前完成大部分監(jiān)測(cè)儀器接入。

3.1 設(shè)計(jì)原則及布置

雙江口水電站地下廠房洞室群施工期臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)需要對(duì)洞室群圍巖進(jìn)行快速、連續(xù)的監(jiān)控，形成有效的監(jiān)測(cè)與預(yù)警體系，因此臨時(shí)自動(dòng)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(cè)信息管理系統(tǒng)功能兼容等特點(diǎn)。綜合以上需求，系統(tǒng)的規(guī)劃及設(shè)計(jì)主要有以下幾個(gè)原則[2]：

（1）前瞻性。系統(tǒng)要具有一定的前瞻性，使用在國(guó)內(nèi)能引領(lǐng)整個(gè)行業(yè)發(fā)展的廠家設(shè)備或系統(tǒng)。

（2）成熟性。系統(tǒng)必須在多個(gè)類似的大壩監(jiān)測(cè)自動(dòng)化項(xiàng)目上使用過(guò)，是成功的產(chǎn)品。

（3）易維護(hù)性。應(yīng)操作簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，維護(hù)周期短。

（4）長(zhǎng)久性?？紤]與后期永久監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的銜接，臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)必須長(zhǎng)壽命，壽命周期至少10年以上。

（5）經(jīng)濟(jì)性。自動(dòng)化系統(tǒng)具有以上特點(diǎn)的同時(shí)，還要經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，性價(jià)比要高。

系統(tǒng)采用多級(jí)連接的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)型式，即安全監(jiān)測(cè)自動(dòng)化系統(tǒng)按兩級(jí)設(shè)置，即前方現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站和后方監(jiān)測(cè)中心站?，F(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的主要作用是利用數(shù)據(jù)采集裝置對(duì)監(jiān)測(cè)傳感器進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、電源管理、監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)上傳和接收監(jiān)測(cè)中心站上位機(jī)的控制指令。后方設(shè)置兩個(gè)監(jiān)測(cè)中心站，一個(gè)設(shè)置在業(yè)主營(yíng)地內(nèi)，另一個(gè)設(shè)置在承包商營(yíng)地內(nèi)，布置于業(yè)主營(yíng)地的為主監(jiān)測(cè)中心站，承包商的監(jiān)測(cè)中心站作為主備份站。

主要監(jiān)測(cè)項(xiàng)目包括：圍巖變形監(jiān)測(cè)、圍巖淺層支護(hù)應(yīng)力監(jiān)測(cè)和圍巖深層錨固力監(jiān)測(cè)。

3.2 測(cè)站及測(cè)點(diǎn)規(guī)劃

根據(jù)以往高地應(yīng)力大型地下洞室群原型觀測(cè)結(jié)果，地下廠房洞室群位移增量主要發(fā)生在下層開(kāi)挖施工時(shí)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(cè)儀器全部接入，主變室全部監(jiān)測(cè)儀器接入，尾調(diào)室高程2 273.00 m以上所有監(jiān)測(cè)儀器全部接入。需要接入臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的測(cè)點(diǎn)總數(shù)為1 265個(gè)，其中振弦式儀器測(cè)點(diǎn)1 142個(gè)（多點(diǎn)位移計(jì)溫度測(cè)點(diǎn)不接入），差阻式儀器測(cè)點(diǎn)123個(gè)。典型斷面監(jiān)測(cè)布置圖及接入儀器范圍見(jiàn)圖1。

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

臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)劃在現(xiàn)場(chǎng)布置2個(gè)永久監(jiān)測(cè)站和2個(gè)施工期臨時(shí)監(jiān)測(cè)站，其中永久監(jiān)測(cè)站分別位于上層排水廊道施工支洞口部位（監(jiān)測(cè)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(cè)站2），施工期臨時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)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(cè)站4）。各監(jiān)測(cè)站接入儀器工程位置分布及數(shù)量見(jiàn)表1，監(jiān)測(cè)站平面位置見(jiàn)圖2。

圖2 臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)監(jiān)測(cè)站平面位置圖Fig.2 Distribution of temporary monitoring stations

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

3.3 設(shè)備計(jì)劃選型

結(jié)合臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)設(shè)計(jì)的原則，同時(shí)需滿足與雙江口安全監(jiān)測(cè)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(shí)自動(dòng)化項(xiàng)目的自動(dòng)化設(shè)備計(jì)劃采用南瑞集團(tuán)有限公司（以下簡(jiǎn)稱“南瑞”）生產(chǎn)并在國(guó)內(nèi)運(yùn)用成熟的DAMS－Ⅳ型智能分布式大壩安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)及其DAU2000型數(shù)據(jù)采集單元（以下簡(jiǎn)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(cè)通道）16通道測(cè)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(cè)通道）32通道測(cè)量模塊。各測(cè)站DAU數(shù)據(jù)采集單元配置情況見(jiàn)表2。

表2 各測(cè)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(yùn)行方式

業(yè)主營(yíng)地內(nèi)的監(jiān)測(cè)中心站和承包商營(yíng)地備份站各架設(shè)一套DSIMS的數(shù)據(jù)采集平臺(tái)，兩個(gè)平臺(tái)均可對(duì)現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備進(jìn)行實(shí)時(shí)控制和數(shù)據(jù)采集。同時(shí)監(jiān)測(cè)信息管理系統(tǒng)通過(guò)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(shí)鐘查詢、通道設(shè)置等命令，DSIMS軟件收到相應(yīng)的命令后遵照?qǐng)?zhí)行，并將執(zhí)行結(jié)果反饋到信息管理系統(tǒng)，同時(shí)將采集到的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)到信息管理系統(tǒng)后臺(tái)數(shù)據(jù)庫(kù)中，最終由信息管理系統(tǒng)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算、評(píng)判、預(yù)警。

4 臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)建設(shè)關(guān)鍵舉措

4.1 施工時(shí)序優(yōu)化，系統(tǒng)分期建設(shè)

考慮三大洞室監(jiān)測(cè)儀器安裝需滿足先完成排水廊道施工、再進(jìn)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(fēng)機(jī)室1號(hào)連接洞與上層排水廊道之間增設(shè)了一條連接洞來(lái)增加工作面，加快了排水廊道施工進(jìn)度，為臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的盡早實(shí)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(jìn)度，臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)計(jì)劃分三期建成，一期接入上層排水廊道預(yù)埋的儀器和三大洞室先導(dǎo)洞頂拱的監(jiān)測(cè)儀器；二期接入主廠房巖錨梁以上監(jiān)測(cè)儀器；三期接入三大洞室一、二期剩余儀器進(jìn)入施工期臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)。其中一期監(jiān)測(cè)儀器現(xiàn)已具備接入條件，監(jiān)測(cè)站1、監(jiān)測(cè)站2將首先進(jìn)行建設(shè)；待洞室下臥開(kāi)挖形成巖錨梁后，監(jiān)測(cè)站3、監(jiān)測(cè)站4開(kāi)始建設(shè)，并接入上部?jī)x器；巖錨梁以下監(jiān)測(cè)儀器跟隨施工進(jìn)度，具備保護(hù)條件后隨時(shí)接入自動(dòng)化。主變室、尾水調(diào)壓室計(jì)劃采用預(yù)埋監(jiān)測(cè)電纜方式，在某一高程具備電纜保護(hù)條件后及時(shí)接入自動(dòng)化。

4.2 加強(qiáng)線纜保護(hù)，保障設(shè)施安全

系統(tǒng)建設(shè)中，從測(cè)站1牽引至尾調(diào)交通洞洞口的光纖、自洞口牽引至1號(hào)測(cè)站的電源線及自配電箱牽引至各測(cè)站的電源線，均采用PE管保護(hù)。保護(hù)管用膨脹彎鉤、排卡固定在側(cè)壁，或利用現(xiàn)場(chǎng)電纜橋架進(jìn)行固定。

根據(jù)以往工程現(xiàn)場(chǎng)經(jīng)驗(yàn)，雙江口水電站臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的自動(dòng)化相關(guān)設(shè)備計(jì)劃安裝在特制保護(hù)柜內(nèi)，保護(hù)柜要求整體用鐵皮制作，刷防銹漆，帶前門，可上鎖，底部預(yù)留電纜進(jìn)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(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)電源穩(wěn)定性的難題，現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站的系統(tǒng)供電計(jì)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(cè)），直至接入設(shè)置于1號(hào)測(cè)站處的配電箱，然后經(jīng)配電箱分別向4個(gè)監(jiān)測(cè)站進(jìn)行供電。

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

根據(jù)工程測(cè)點(diǎn)分散、跨距較長(zhǎng)、不易布設(shè)電纜等特點(diǎn)，且考慮到地下洞室無(wú)網(wǎng)絡(luò)信號(hào)和天氣因素，計(jì)劃采用有線通訊傳輸與GPRS無(wú)線通訊傳輸相結(jié)合的混合傳輸方式。

首先測(cè)站之間采用RS-485總線方式進(jìn)行通訊，將2號(hào)、3號(hào)、4號(hào)測(cè)站通過(guò)通訊電纜集中至1號(hào)測(cè)站位置，然后從1號(hào)測(cè)站集中進(jìn)入光端機(jī)，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(shè)光纖，因此業(yè)主營(yíng)地內(nèi)的監(jiān)測(cè)中心站與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站之間采用光纖進(jìn)行通訊，承包商營(yíng)地監(jiān)測(cè)中心站與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)站之間采用無(wú)線傳輸?shù)姆绞竭M(jìn)行通訊。

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

5 結(jié)語(yǔ)

（1）在地下廠房洞室群大規(guī)模開(kāi)挖、下臥前完成臨時(shí)自動(dòng)化系統(tǒng)的建設(shè)，能保障及時(shí)、全面獲取監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，指導(dǎo)現(xiàn)場(chǎng)安全施工和反饋設(shè)計(jì)，全面提升現(xiàn)場(chǎng)安全管控水平。

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