自動化監(jiān)測技術(shù)在電力工程監(jiān)測中的應(yīng)用

吳學(xué)銀，王小龍，張楚楚

（中國能源建設(shè)集團(tuán)江蘇省電力設(shè)計院有限公司，江蘇 南京 211102）

0 引言

電力電纜具有運行故障率相對較低、運行維護(hù)費用較低、可靠性比架空線路高、適應(yīng)各種惡劣氣象條件等優(yōu)點，近年來，越來越多的電力線路采用電纜方式敷設(shè)。電力電纜一般采用頂管隧道的方式鉆越河流、公路，隧道兩端的頂管工作井基坑開挖深度大，屬于深基坑，深基坑對施工質(zhì)量、安全要求高，當(dāng)工作井位于城區(qū)時，工作井深基坑周邊環(huán)境復(fù)雜，地下管網(wǎng)密集，高樓林立，一旦發(fā)生事故，就會對周邊人民的生命、財產(chǎn)安全造成嚴(yán)重?fù)p害。因此，施工過工程中有必要對基坑進(jìn)行實時監(jiān)測，為施工提供合理的參考意見［1-3］。

傳統(tǒng)的人工監(jiān)測具有無法進(jìn)行實時監(jiān)測、反饋速度慢、受天氣條件限制多、數(shù)據(jù)質(zhì)量難以保證等缺點，難以滿足電力工程頂管工作井深基坑的監(jiān)測要求。自動化監(jiān)測技術(shù)彌補了人工監(jiān)測各種缺陷，通過自動化監(jiān)測系統(tǒng)軟硬件的配置，自動進(jìn)行監(jiān)測數(shù)據(jù)的采集、傳輸、處理、預(yù)警發(fā)布，為基坑施工安全提供實時的數(shù)據(jù)保障［4，5］。

1 自動化監(jiān)測技術(shù)框架體系

自動化監(jiān)測根據(jù)測量數(shù)據(jù)采集手段的不同，一般可分為光學(xué)儀器自動化監(jiān)測和力學(xué)傳感器自動化監(jiān)測兩種類型。光學(xué)儀器類主要有全站儀、激光測距儀等，自動化測量監(jiān)測點的空間一維～三維坐標(biāo)變化量；力學(xué)傳感器類主要有傾斜計、水位計、土壓力計、軸力計等，通過應(yīng)力和變形測量，實現(xiàn)自動化監(jiān)測。光學(xué)儀器自動化監(jiān)測和力學(xué)傳感器自動化監(jiān)測的技術(shù)體系相同，都是由現(xiàn)場的傳感層（光學(xué)儀器或力學(xué)傳感器）、數(shù)據(jù)采集傳輸層及服務(wù)器云平臺層（監(jiān)測云平臺）組成［6～8］，如圖 1 所示。

圖1 自動化監(jiān)測技術(shù)框架體系

根據(jù)電纜隧道工程的實際監(jiān)測需求，定制開發(fā)了電纜隧道安全監(jiān)測云平臺，監(jiān)測云平臺可通過網(wǎng)頁進(jìn)行訪問，云平臺主界面如圖 2 所示。監(jiān)測云平臺可支持深層水平位移、地下水位、支撐軸力、垂直水平位移等項目的自動化監(jiān)測。

圖2 監(jiān)測云平臺主界面

現(xiàn)場監(jiān)測時，先安裝自動化監(jiān)測設(shè)備，如測斜儀、水位計等自動化監(jiān)測使用的傳感器，傳感器通過信號線連接到數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，通過監(jiān)測云平臺，對安裝好的自動化監(jiān)測設(shè)備采集參數(shù)進(jìn)行設(shè)置后，平臺可實時接收現(xiàn)場數(shù)據(jù)采集傳輸模塊無線傳回的監(jiān)測數(shù)據(jù)，然后對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲、處理、預(yù)警、監(jiān)督管理、數(shù)據(jù)查詢、報表發(fā)布等工作。

2 應(yīng)用實例

某海上風(fēng)電場集中送出陸上段電纜隧道工程的K1 井為圓形頂管始發(fā)井，內(nèi)徑 10.0 m，基坑開挖深度 17.4 m，基坑支護(hù)采用φ1200@850 咬合樁+3 層鋼筋混凝土環(huán)梁支護(hù)形式。該工作井開挖深度大，為及時掌握基坑開挖和頂管過程中基坑支護(hù)系統(tǒng)變化信息，評價基坑支護(hù)系統(tǒng)的穩(wěn)定性和安全性，指導(dǎo)安全施工，在該工作井的頂管入口兩側(cè)布置土體深層水平位移和地下水位自動化監(jiān)測點，在明挖隧道與工作井連接處兩側(cè)布置土體深層水平位移和地下水位人工監(jiān)測點。監(jiān)測點布置示意圖如圖 3 所示。

圖3 K1 井土體深層水平位移及水位監(jiān)測點布置示意圖

2.1 自動化監(jiān)測點布設(shè)

土體深層水平位移監(jiān)測是在基坑開挖過程中，對基坑圍護(hù)體系周邊土體位移進(jìn)行監(jiān)測，通過自動化監(jiān)測實時掌握土體的變化方向及變化速率。測斜管通過鉆孔方式布設(shè)，首先利用鉆機(jī)成孔，然后打入測斜管，管內(nèi)十字滑槽與基坑邊線垂直，測斜管底部密封，測斜管打入鉆孔并調(diào)整好方向后，立即加入黃沙夯實。測斜管埋設(shè)完成后，將固定式測斜儀分節(jié)放入測斜管中，放入過程中應(yīng)注意每節(jié)測斜儀正負(fù)方向的統(tǒng)一，所有固定式測斜儀放至到預(yù)設(shè)深度后，將通信線接入數(shù)據(jù)采集儀中，現(xiàn)場布設(shè)如圖 4 所示。

圖4 固定式測斜安裝

地下水位管的埋設(shè)與測斜管埋設(shè)相同，埋設(shè)好水位管后，將振弦式自動化水位計放入水位管固定深度處，要保證水位計始終位于水面以下。自動化水位監(jiān)測點布設(shè)如圖 5 所示。地下水位變化引起水位計的鋼弦振動頻率變化，水位計將振動頻率換算為水壓力值，并通過數(shù)據(jù)采集儀上傳至云平臺，結(jié)合水位管的高程，可間接測出水位。

圖5 自動化水位監(jiān)測布設(shè)

2.2 采集參數(shù)設(shè)置與數(shù)據(jù)通信

自動化深層水平位移監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸模塊采用外接電源供電，地下水位自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)采集傳輸模塊采用內(nèi)部電池供電，數(shù)據(jù)采集傳輸模塊與監(jiān)測云平臺之間具備雙向通信功能。現(xiàn)場自動化設(shè)備安裝完成后，在監(jiān)測云平臺設(shè)置采集參數(shù)。

地下水位自動化監(jiān)測和深層水平位移自動化監(jiān)測頻率設(shè)置為 6 h/次，人工監(jiān)測頻率根據(jù)工作井基坑開挖和頂管施工進(jìn)度設(shè)置為 1 次/ 1 d～1 次/3 d。參數(shù)設(shè)置完成后，云平臺通過無線方式將采集命令發(fā)送給數(shù)據(jù)采集傳輸模塊，數(shù)據(jù)采集傳輸模塊根據(jù)設(shè)置的采樣頻率，控制傳感器或其他采集儀采集現(xiàn)場應(yīng)力、應(yīng)變或坐標(biāo)監(jiān)測數(shù)據(jù)，每次采集結(jié)束后，通過無線傳輸方式將監(jiān)測數(shù)據(jù)發(fā)送回監(jiān)測云平臺，云平臺對監(jiān)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析、預(yù)警及生成報表等。

2.3 自動化監(jiān)測與人工監(jiān)測成果對比

DSW01 為 K1 工作井地下水位自動化監(jiān)測點，SWK1-2 為 K1 工作井地下水位人工監(jiān)測點。

地下水位自動化及人工監(jiān)測成果如圖 6、圖 7 所示。地下水位自動化監(jiān)測點安裝在 K1 工作井圍護(hù)樁邊緣，從監(jiān)測結(jié)果來看，K1 工作井地下水位一般維持在 20 m 左右，該深度大于基坑開挖深度。地下水位人工監(jiān)測點的地下水位維持在 15 m 左右，這是受水位管安裝影響，地下水位人工監(jiān)測點距離基坑較遠(yuǎn)，位于降水漏斗邊緣導(dǎo)致。

圖6 地下水位自動化監(jiān)測成果

圖7 地下水位人工監(jiān)測成果

從人工及自動化監(jiān)測結(jié)果來看，施工期間，K1 工作井基坑降水深度大于基坑開挖深度，頂管施工期間地下水位基本維持穩(wěn)定，說明 K1 工作井基坑降水持續(xù)有效。整個施工期間，地下水位未發(fā)生急劇變化，工作井基坑側(cè)壁及坑底內(nèi)未發(fā)生地下水滲漏及突涌等，說明基坑處于安全、可控狀態(tài)。從監(jiān)測的數(shù)據(jù)量對比來看，地下水位自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)量要遠(yuǎn)大于人工監(jiān)測數(shù)據(jù)量。自動化監(jiān)測技術(shù)通過設(shè)置采集頻率，實現(xiàn)了數(shù)據(jù)采集人為可控，通過縮短采集間隔，能及時監(jiān)測到水位的異常變化，為信息化施工提供依據(jù)。

CXK1-1 為 K1 工作井深層水平位移自動化監(jiān)測點，CXK1-2 為深層水平位移人工監(jiān)測點。自動化及人工監(jiān)測成果如圖 8、圖 9 所示。

圖8 不同時段深層水平位移自動化監(jiān)測成果

圖9 不同時段深層水平位移人工監(jiān)測成果

根據(jù)自動化及人工深層水平位移監(jiān)測曲線變化形態(tài)可知，隨著工作井基坑開挖，土體深層水平位移逐漸增大，最終趨于一個穩(wěn)定的數(shù)值。自動化監(jiān)測點的深層水平位移累計值最大約 27 mm，人工測點的深層水平位移累計值最大約 13 mm，均未超過報警值。根據(jù)土體深層水平位移變化趨勢及整個施工進(jìn)程來看，工作井基坑圍護(hù)樁深層水平位移均在可控范圍內(nèi)，工作井基坑的維護(hù)結(jié)構(gòu)是穩(wěn)定可靠的。

從深層水平位移自動化和人工監(jiān)測成果對比來看，基坑開挖期間，自動化監(jiān)測反應(yīng)的土體深層水平位移與人工監(jiān)測反應(yīng)的土體深層水平位移變化趨勢一致，均在 2020 年 11 月 10 日左右基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。由于自動化監(jiān)測點緊靠維護(hù)樁布置（距離約 0.5 m），人工監(jiān)測點距離維護(hù)樁約 2 m，自動化監(jiān)測點的深層水平位移累計變化值要大于人工測點的累計變化值。

3 結(jié)論

1）K1 工作井的深層水平位移和地下水位自動化監(jiān)測結(jié)果與人工監(jiān)測結(jié)果具有一致性，本次自動化監(jiān)測點和人工監(jiān)測點距離較遠(yuǎn)，監(jiān)測結(jié)果有所差別，但均能反應(yīng)施工期間工作井周圍土體深層水平位移和地下水位變化情況。

2）自動化監(jiān)測具有實時監(jiān)測、監(jiān)測頻率任意可調(diào)、云平臺自動分析處理數(shù)據(jù)、自動報警、惡劣天氣下也可正常監(jiān)測等優(yōu)點，自動化監(jiān)測點位設(shè)置合理，可避免施工壓覆而導(dǎo)致監(jiān)測中斷，如 CXK1-2 深層水平位移人工監(jiān)測點在 2020 年 11 月 15 日被頂管施工設(shè)備壓覆后，導(dǎo)致監(jiān)測中斷。施工周期長的基坑工程采用自動化監(jiān)測還能有效降低監(jiān)測成本，值得大力推廣。

3）本次工作井基坑只布置了深層水平位移和地下水位自動化監(jiān)測，工作井圍護(hù)樁冠梁的垂直水平位移仍然采用人工監(jiān)測，監(jiān)測頻率較低，以后的工程可考慮采用激光測距儀監(jiān)測井口凈空收斂等方法實現(xiàn)自動化監(jiān)測［9］。Q