蓋挖逆作法鋼管柱施工深孔智能防護(hù)(UHIS)技術(shù)

鄔 巖，岳渠德

(1.中鐵十五局集團(tuán)有限公司;2.青島理工大學(xué))

1 概 述

廣深港客運(yùn)專線福田站位于深圳市行政文化中心，相鄰數(shù)十棟近200 m 的超高層建筑。在市民中心廣場(chǎng)西側(cè)益田路下呈紡錘形南北展開，北端接益田路隧道，南端接深港隧道。全長(zhǎng)1 023 m，深32.15 m、寬78.86 m，站場(chǎng)規(guī)模4 臺(tái)8線。地下一層為客流轉(zhuǎn)換層，地下二層為站廳層，地下三層為站臺(tái)層。為亞洲目前最大的地下高鐵車站。根據(jù)場(chǎng)地條件和交通疏解要求，劃分5 個(gè)施工段，分別采用蓋挖逆作法及明挖順作法施工。

福田站共設(shè)計(jì)蓋挖逆作鋼管柱110 根(直徑Ф1 600)。采用直徑2.8 m 深度為34 m 鋼套筒圍護(hù)結(jié)構(gòu)，灌注抗拔樁兼結(jié)構(gòu)柱下樁，車站底板以下設(shè)3 m 厚倒梯形承臺(tái)，鋼管柱長(zhǎng)度30.047 m。鋼管柱吊裝入孔后，環(huán)形空間只有0.6 m。安全防護(hù)是蓋挖逆作法鋼管柱施工關(guān)鍵技術(shù)。

2 柱下樁與鋼管柱施工工藝流程

具體工藝流程見圖1。

圖1 鋼管柱施工工藝流程

3 深孔智能防護(hù)(UHIS)技術(shù)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鋼套筒深度為34 m、直徑2.8 m，鋼管柱吊裝入孔后，環(huán)形空間只有0.6 m。為了保證施工質(zhì)量，施工人員必須進(jìn)入深孔狹窄空間內(nèi)進(jìn)行混凝土鑿除、焊接、鋼管柱定位等作業(yè)。由于作業(yè)空間相對(duì)閉塞，存在通風(fēng)不良、粉塵超標(biāo)、氧氣含量不足等風(fēng)險(xiǎn)，極易引發(fā)生中暑、窒息，危及健康及生命安全。

結(jié)合福田站蓋挖逆作鋼管立柱施工，研究應(yīng)用了深孔智能防護(hù)技術(shù)，確保了在地下30 多m 深孔狹小空間內(nèi)作業(yè)人員安全。

深孔智能防護(hù)系統(tǒng)(Underground－deep－Hole Intelligent Safeguard system)由鋼套筒、有害氣體及氧氣含量檢測(cè)、分散平衡式通風(fēng)及水霧裝置、人員物料升降、個(gè)體智能防護(hù)、智能報(bào)警等部分組成。在鋼管柱的施工過程中，深孔智能防護(hù)系統(tǒng)工作流程見圖2。

圖2 深孔智能防護(hù)系統(tǒng)(UHIS)工作流程

深孔智能防護(hù)(UHIS)技術(shù)要點(diǎn)及功能如下:

3.1 鋼套筒

直徑2.8 m 的鋼套筒是鋼管柱安裝定位的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，是保證施工安全的首要條件。采用壁厚20mm 鋼板，在工廠用卷板機(jī)卷制、二氧化碳保護(hù)焊焊接，分節(jié)加工制作，運(yùn)至現(xiàn)場(chǎng)在滾輪架上進(jìn)行拼裝，采用300 t 履帶吊和150 t 履帶吊聯(lián)合整體吊裝入孔。

3.2 深孔分散平衡式自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)

為確保深孔內(nèi)工作環(huán)境，保證施工人員健康，必須加大通風(fēng)除塵措施，降低各種作業(yè)產(chǎn)生的粉塵和有害氣體。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)施工流程及人員作業(yè)安全等因素，確定自動(dòng)監(jiān)測(cè)的物理參量并設(shè)定報(bào)警閥值。主要包括:氧氣、粉塵、一氧化碳，二氧化碳以及氮氧化物濃度。

控制指標(biāo):深孔氧氣含量按體積計(jì)，不得低于20%;孔內(nèi)氣溫不得超過28 ℃。

工作原理:系統(tǒng)通過中心控制器，對(duì)采集到的孔內(nèi)控制值與設(shè)定控制要求值進(jìn)行比較、判斷。當(dāng)對(duì)各項(xiàng)數(shù)據(jù)經(jīng)分析判定符合通風(fēng)指標(biāo)時(shí)，控制系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)打開通風(fēng)窗、頂棚風(fēng)門，啟動(dòng)風(fēng)機(jī)進(jìn)行通風(fēng)。系統(tǒng)采用唯一指標(biāo)控制，即在通風(fēng)中，當(dāng)其中一項(xiàng)指標(biāo)的監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)不能滿足要求時(shí)候，就需要繼續(xù)通風(fēng)。而只有當(dāng)所有的控制指標(biāo)達(dá)到要求后，控制系統(tǒng)會(huì)即時(shí)發(fā)出指令自動(dòng)停止作業(yè)，并關(guān)閉風(fēng)機(jī)。

系統(tǒng)設(shè)備主要包括通風(fēng)轉(zhuǎn)換器、軸流風(fēng)機(jī)、行程開關(guān)、監(jiān)測(cè)傳感器和控制柜等。如圖3 所示。

圖3 分散平衡式自動(dòng)控制通風(fēng)系統(tǒng)

3.3 深孔自動(dòng)監(jiān)測(cè)水霧降塵裝置

自動(dòng)檢測(cè)降塵裝置主要針對(duì)的是施工環(huán)境中粉塵的含量進(jìn)行監(jiān)測(cè)，并通過監(jiān)測(cè)控制設(shè)備自動(dòng)調(diào)節(jié)降塵設(shè)備工作。該工程中采用的設(shè)備為光控自動(dòng)監(jiān)測(cè)降塵設(shè)備，是利用噴霧器中的水散射而形成霧粒達(dá)到降塵的目的。

控制指標(biāo):根據(jù)規(guī)范要求，粉塵允許濃度每m3空氣中含有10%以上游離二氧化硅的粉塵為2 mg;含有10%以下游離二氧化硅的水泥粉塵為6 mg;二氧化硅含量在10%以下，不含有毒物質(zhì)的礦物性和動(dòng)植物性的粉塵為10 mg。

工作原理:光控自動(dòng)監(jiān)測(cè)降塵設(shè)備主要由主控機(jī)構(gòu)、檢測(cè)機(jī)構(gòu)、執(zhí)行機(jī)構(gòu)3 部分組成。采用光電接收原理，由光控傳感器、降噪電路、放大電路、控制電路組成，通過2 條三芯引出線，將兩只光信號(hào)傳感器分別接在水幕的兩個(gè)方向。當(dāng)光信號(hào)傳感器接收到光源(專用光源)信號(hào)后，主機(jī)即可工作，驅(qū)動(dòng)電磁閥實(shí)現(xiàn)噴霧。并設(shè)有常開常閉選擇功能，靈敏度及延時(shí)時(shí)間可調(diào)。如圖4 所示。

圖4 自動(dòng)監(jiān)測(cè)降塵布置裝置

裝置主機(jī)通過傳感器反饋信號(hào)，分別控制進(jìn)風(fēng)和進(jìn)水兩條管路，利用進(jìn)風(fēng)管路的壓力將降塵用水完全霧化，水霧覆蓋面大，配接全斷面噴霧器可覆蓋整個(gè)作業(yè)面，降塵效果明顯。主機(jī)內(nèi)部設(shè)有兩套定時(shí)控制器:一套為人體感應(yīng)停噴定時(shí)器，實(shí)現(xiàn)人來時(shí)停止噴霧、人去時(shí)恢復(fù)噴霧的功能;另一套為微電腦時(shí)間控制器，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段、按周期自動(dòng)噴霧的功能。其原理:(1)當(dāng)有人通過時(shí)，傳感器接收信號(hào)，主機(jī)處理信號(hào)，令電動(dòng)球閥關(guān)閉噴霧停止，人離去時(shí)噴霧恢復(fù)。(2)根據(jù)孔內(nèi)粉塵的含量由作業(yè)人員確定噴霧時(shí)間的長(zhǎng)短和噴霧周期，實(shí)現(xiàn)分時(shí)段按周期噴霧降塵。

光控自動(dòng)監(jiān)測(cè)降塵設(shè)備適用范圍廣，安裝方便快捷，可用于供風(fēng)、供水管路接口處安裝;主機(jī)采用兩套時(shí)間控制器，時(shí)間設(shè)定靈活;霧化效果好，水霧覆蓋面大，降塵效果明顯。使深孔內(nèi)產(chǎn)生的粉塵得到了有效的控制，作業(yè)環(huán)境大大改善。

3.4 有害氣體自動(dòng)監(jiān)測(cè)報(bào)警儀器

鋼管柱底部為鋼筋混凝土樁，混凝土中的水泥和砂石均由天然石材制成，含有一定量的放射性元素氡，鋼管柱定位電焊作業(yè)時(shí)產(chǎn)生弧光輻射、金屬煙塵和有害氣體，以上有害氣體超標(biāo)會(huì)對(duì)人體造成傷害。

控制指標(biāo):一氧化碳不大于30 mg/m3。二氧化碳按體積計(jì)，不超過0.5%;氮氧化物換算成NO2為5 mg/m3以下。

監(jiān)測(cè)裝置:根據(jù)目前一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物等有害氣體監(jiān)測(cè)的技術(shù)和設(shè)備的特點(diǎn)，分別采用了具有針對(duì)性的技術(shù)設(shè)備。

(1)一氧化碳和二氧化碳監(jiān)測(cè)。

采用英國(guó)產(chǎn)GMI VISA 四合一氣體檢測(cè)儀。該種裝置主要針對(duì)的是甲烷、硫化氫、一氧化碳和氧氣。量程參數(shù)為0 ～100%CH4;0 ～100 ppmH2S;0 ～10 ppmCO，0 ～25%O2。該裝置為全自動(dòng)型，可根據(jù)需要調(diào)節(jié)報(bào)警指標(biāo)，并有自動(dòng)報(bào)警的功能，而且精度高。

(2)氮氧化物監(jiān)測(cè)。

采用瑞典OPSIS AB 公司的雙光路DOAS AQM 系統(tǒng)——AR500 系統(tǒng)。DOAS 系統(tǒng)(Differential Optical Absorption Spectroscopy，DOAS)，利用氣體分子對(duì)光能產(chǎn)生吸收的基本原理來測(cè)量大氣中所含氣體分子的種類及濃度。DOAS系統(tǒng)測(cè)量的是一段光程氣體的平均濃度。DOAS 系統(tǒng)對(duì)二氧化氮的測(cè)量值，最低檢測(cè)限值為1 μg/m3。

3.5 孔內(nèi)作業(yè)人員配備個(gè)體防護(hù)、智能報(bào)警器

為了實(shí)時(shí)的把握深孔內(nèi)狹窄空間施工人員作業(yè)的身體狀態(tài)，本工程除了采用相關(guān)設(shè)備對(duì)環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測(cè)外，還應(yīng)用了生命體征實(shí)時(shí)監(jiān)視系統(tǒng)，該系統(tǒng)能對(duì)體溫、脈搏等生理機(jī)能指標(biāo)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，并反饋到監(jiān)控中心，用以評(píng)價(jià)一線作業(yè)人員的身體狀態(tài)，以便在異常情況下采取有效措施撤離作業(yè)面或?qū)嵤┚仍?/p>

該系統(tǒng)是在ARM 微處理器的控制下，利用前端傳感器將生理狀態(tài)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，它定時(shí)的通過體溫采集模塊和脈搏數(shù)據(jù)采集模塊采集體溫和脈搏數(shù)據(jù)，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。若發(fā)現(xiàn)施工人員生理指標(biāo)超出正常的范圍，發(fā)出警報(bào)聲提示。系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 生命體征監(jiān)測(cè)系統(tǒng)架構(gòu)

體溫測(cè)量采用Dallas 公司的DS18B20 提供12 位(二進(jìn)制)溫度測(cè)試器件。在溫度30 ～40 ℃之間，DS18B20 的平均誤差小于0.2 ℃，且分辨率可達(dá)到0.1 ℃。脈搏測(cè)量采用的脈搏測(cè)量傳感器為HKG－07A 紅外脈搏傳感器。HKG－07A紅外脈搏傳感器利用紅外線檢測(cè)由于心臟跳動(dòng)而引起的手指尖內(nèi)微血管容積發(fā)生的變化，經(jīng)過信號(hào)放大、調(diào)理、整形輸出同步于脈搏跳動(dòng)的脈沖信號(hào)，從而計(jì)算出脈率。

3.6 低壓智能照明裝置

為保證孔內(nèi)作業(yè)人員避免觸電危險(xiǎn)，孔內(nèi)照明采用36V安全電壓，采用電纜安全電壓智能照明裝置，主要包括有電閘、變壓器。

本裝置主要特點(diǎn)有電纜安全電壓智能照明裝置相間接有串聯(lián)電路;變壓器為星形—三角形變壓器，其輸出為36 V;在每相間的串聯(lián)電路數(shù)等于或大于1，串聯(lián)電路為開關(guān)、照明燈串聯(lián)連接的電路;開關(guān)為智能型低壓人體感應(yīng)開關(guān)。在靠近障礙物的兩個(gè)相鄰串聯(lián)電路的照明燈是并聯(lián)連接的。

該裝置具有如下優(yōu)點(diǎn):工作十分安全、節(jié)約材料降低成本、施工規(guī)范符合規(guī)程要求、節(jié)約電能、施工方便效率高、壽命長(zhǎng)。

3.7 井內(nèi)人員物料升降系統(tǒng)

為保障作業(yè)人員上下安全和便于施工機(jī)具和材料運(yùn)輸，本工程采用了專門的升降系統(tǒng)。包括專用的提升架、吊籠、安全繩、安全帶、安全爬梯等。

因孔內(nèi)空間狹小，提升架固定于孔口，架體底座通過地錨固定于地面，并上壓重物。鋼絲繩在班前和班中進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)磨損、扭曲嚴(yán)重或斷絲率超過規(guī)范要求立即進(jìn)行更換。吊籠根據(jù)孔內(nèi)空間大小特別制作，吊籠上的焊點(diǎn)和吊環(huán)、卡扣在班前合和班中進(jìn)行檢查，如有安全隱患立即進(jìn)行補(bǔ)焊或更換處理。

每次作業(yè)人員下井時(shí)，腰間必須牢系安全帶，并將安全繩與安全帶相連。安全繩與吊籠下放同速，安全繩固定于孔口，通過專門的轆轤來控制。在井壁懸掛安全爬梯，在突然停電或有其他緊急情況下確保施工人員能夠及時(shí)升井。

4 小 結(jié)

深孔智能防護(hù)(UHIS)蓋挖逆作鋼管柱施工技術(shù)有效的解決了在狹小空間30 多m 深孔內(nèi)作業(yè)人員安全，具有良好的可操作性和廣泛的適宜性。

［1］鋼管混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工規(guī)程(CECS28:90)［S］.

［2］建筑機(jī)械使用安全技術(shù)規(guī)程(GJ33－2001)［S］.

［3］履帶式起重機(jī)相關(guān)技術(shù)文件(QUY70、QUY260)［S］.