自动化监测技术在电力工程监测中的应用

吴学银，王小龙，张楚楚

（中国能源建设集团江苏省电力设计院有限公司，江苏 南京 211102）

0 引言

电力电缆具有运行故障率相对较低、运行维护费用较低、可靠性比架空线路高、适应各种恶劣气象条件等优点，近年来，越来越多的电力线路采用电缆方式敷设。电力电缆一般采用顶管隧道的方式钻越河流、公路，隧道两端的顶管工作井基坑开挖深度大，属于深基坑，深基坑对施工质量、安全要求高，当工作井位于城区时，工作井深基坑周边环境复杂，地下管网密集，高楼林立，一旦发生事故，就会对周边人民的生命、财产安全造成严重损害。因此，施工过工程中有必要对基坑进行实时监测，为施工提供合理的参考意见［1-3］。

传统的人工监测具有无法进行实时监测、反馈速度慢、受天气条件限制多、数据质量难以保证等缺点，难以满足电力工程顶管工作井深基坑的监测要求。自动化监测技术弥补了人工监测各种缺陷，通过自动化监测系统软硬件的配置，自动进行监测数据的采集、传输、处理、预警发布，为基坑施工安全提供实时的数据保障［4，5］。

1 自动化监测技术框架体系

自动化监测根据测量数据采集手段的不同，一般可分为光学仪器自动化监测和力学传感器自动化监测两种类型。光学仪器类主要有全站仪、激光测距仪等，自动化测量监测点的空间一维～三维坐标变化量；力学传感器类主要有倾斜计、水位计、土压力计、轴力计等，通过应力和变形测量，实现自动化监测。光学仪器自动化监测和力学传感器自动化监测的技术体系相同，都是由现场的传感层（光学仪器或力学传感器）、数据采集传输层及服务器云平台层（监测云平台）组成［6～8］，如图 1 所示。

图1 自动化监测技术框架体系

根据电缆隧道工程的实际监测需求，定制开发了电缆隧道安全监测云平台，监测云平台可通过网页进行访问，云平台主界面如图 2 所示。监测云平台可支持深层水平位移、地下水位、支撑轴力、垂直水平位移等项目的自动化监测。

图2 监测云平台主界面

现场监测时，先安装自动化监测设备，如测斜仪、水位计等自动化监测使用的传感器，传感器通过信号线连接到数据采集传输模块，通过监测云平台，对安装好的自动化监测设备采集参数进行设置后，平台可实时接收现场数据采集传输模块无线传回的监测数据，然后对数据进行存储、处理、预警、监督管理、数据查询、报表发布等工作。

2 应用实例

某海上风电场集中送出陆上段电缆隧道工程的K1 井为圆形顶管始发井，内径 10.0 m，基坑开挖深度 17.4 m，基坑支护采用φ1200@850 咬合桩+3 层钢筋混凝土环梁支护形式。该工作井开挖深度大，为及时掌握基坑开挖和顶管过程中基坑支护系统变化信息，评价基坑支护系统的稳定性和安全性，指导安全施工，在该工作井的顶管入口两侧布置土体深层水平位移和地下水位自动化监测点，在明挖隧道与工作井连接处两侧布置土体深层水平位移和地下水位人工监测点。监测点布置示意图如图 3 所示。

图3 K1 井土体深层水平位移及水位监测点布置示意图

2.1 自动化监测点布设

土体深层水平位移监测是在基坑开挖过程中，对基坑围护体系周边土体位移进行监测，通过自动化监测实时掌握土体的变化方向及变化速率。测斜管通过钻孔方式布设，首先利用钻机成孔，然后打入测斜管，管内十字滑槽与基坑边线垂直，测斜管底部密封，测斜管打入钻孔并调整好方向后，立即加入黄沙夯实。测斜管埋设完成后，将固定式测斜仪分节放入测斜管中，放入过程中应注意每节测斜仪正负方向的统一，所有固定式测斜仪放至到预设深度后，将通信线接入数据采集仪中，现场布设如图 4 所示。

图4 固定式测斜安装

地下水位管的埋设与测斜管埋设相同，埋设好水位管后，将振弦式自动化水位计放入水位管固定深度处，要保证水位计始终位于水面以下。自动化水位监测点布设如图 5 所示。地下水位变化引起水位计的钢弦振动频率变化，水位计将振动频率换算为水压力值，并通过数据采集仪上传至云平台，结合水位管的高程，可间接测出水位。

图5 自动化水位监测布设

2.2 采集参数设置与数据通信

自动化深层水平位移监测数据采集传输模块采用外接电源供电，地下水位自动化监测数据采集传输模块采用内部电池供电，数据采集传输模块与监测云平台之间具备双向通信功能。现场自动化设备安装完成后，在监测云平台设置采集参数。

地下水位自动化监测和深层水平位移自动化监测频率设置为 6 h/次，人工监测频率根据工作井基坑开挖和顶管施工进度设置为 1 次/ 1 d～1 次/3 d。参数设置完成后，云平台通过无线方式将采集命令发送给数据采集传输模块，数据采集传输模块根据设置的采样频率，控制传感器或其他采集仪采集现场应力、应变或坐标监测数据，每次采集结束后，通过无线传输方式将监测数据发送回监测云平台，云平台对监测数据进行处理分析、预警及生成报表等。

2.3 自动化监测与人工监测成果对比

DSW01 为 K1 工作井地下水位自动化监测点，SWK1-2 为 K1 工作井地下水位人工监测点。

地下水位自动化及人工监测成果如图 6、图 7 所示。地下水位自动化监测点安装在 K1 工作井围护桩边缘，从监测结果来看，K1 工作井地下水位一般维持在 20 m 左右，该深度大于基坑开挖深度。地下水位人工监测点的地下水位维持在 15 m 左右，这是受水位管安装影响，地下水位人工监测点距离基坑较远，位于降水漏斗边缘导致。

图6 地下水位自动化监测成果

图7 地下水位人工监测成果

从人工及自动化监测结果来看，施工期间，K1 工作井基坑降水深度大于基坑开挖深度，顶管施工期间地下水位基本维持稳定，说明 K1 工作井基坑降水持续有效。整个施工期间，地下水位未发生急剧变化，工作井基坑侧壁及坑底内未发生地下水渗漏及突涌等，说明基坑处于安全、可控状态。从监测的数据量对比来看，地下水位自动化监测数据量要远大于人工监测数据量。自动化监测技术通过设置采集频率，实现了数据采集人为可控，通过缩短采集间隔，能及时监测到水位的异常变化，为信息化施工提供依据。

CXK1-1 为 K1 工作井深层水平位移自动化监测点，CXK1-2 为深层水平位移人工监测点。自动化及人工监测成果如图 8、图 9 所示。

图8 不同时段深层水平位移自动化监测成果

图9 不同时段深层水平位移人工监测成果

根据自动化及人工深层水平位移监测曲线变化形态可知，随着工作井基坑开挖，土体深层水平位移逐渐增大，最终趋于一个稳定的数值。自动化监测点的深层水平位移累计值最大约 27 mm，人工测点的深层水平位移累计值最大约 13 mm，均未超过报警值。根据土体深层水平位移变化趋势及整个施工进程来看，工作井基坑围护桩深层水平位移均在可控范围内，工作井基坑的维护结构是稳定可靠的。

从深层水平位移自动化和人工监测成果对比来看，基坑开挖期间，自动化监测反应的土体深层水平位移与人工监测反应的土体深层水平位移变化趋势一致，均在 2020 年 11 月 10 日左右基本达到稳定状态。由于自动化监测点紧靠维护桩布置（距离约 0.5 m），人工监测点距离维护桩约 2 m，自动化监测点的深层水平位移累计变化值要大于人工测点的累计变化值。

3 结论

1）K1 工作井的深层水平位移和地下水位自动化监测结果与人工监测结果具有一致性，本次自动化监测点和人工监测点距离较远，监测结果有所差别，但均能反应施工期间工作井周围土体深层水平位移和地下水位变化情况。

2）自动化监测具有实时监测、监测频率任意可调、云平台自动分析处理数据、自动报警、恶劣天气下也可正常监测等优点，自动化监测点位设置合理，可避免施工压覆而导致监测中断，如 CXK1-2 深层水平位移人工监测点在 2020 年 11 月 15 日被顶管施工设备压覆后，导致监测中断。施工周期长的基坑工程采用自动化监测还能有效降低监测成本，值得大力推广。

3）本次工作井基坑只布置了深层水平位移和地下水位自动化监测，工作井围护桩冠梁的垂直水平位移仍然采用人工监测，监测频率较低，以后的工程可考虑采用激光测距仪监测井口净空收敛等方法实现自动化监测［9］。Q