城市綜合管廊施工環(huán)境監(jiān)測與智能控制技術(shù)

文｜孫勁松 姜家昌 郭瑞生

蘇州桑田島綜合管廊

沈陽華晨寶馬鐵西工廠管廊

隨著社會(huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，世界城市現(xiàn)代化建設(shè)速度進(jìn)一步加快，我國城鎮(zhèn)化趨勢飛躍發(fā)展，城市人口數(shù)量的急劇提升，開挖路面、架空線網(wǎng)密集、管線事故頻發(fā)等“城市病”狀況日益凸顯。解決城市地下問題，需要開發(fā)地下空間，大力發(fā)展綜合管廊建設(shè)是最好的辦法。

由于城市地下綜合管廊是半封閉區(qū)域、空間狹長、潮濕、自然通風(fēng)不良，在施工過程中特別是機(jī)電安裝階段，焊接煙氣量多、粉塵多、濕度大，施工作業(yè)環(huán)境惡劣。中建一局集團(tuán)安裝工程有限公司秉承人文關(guān)懷、綠色施工、智慧施工的理念，為持續(xù)推動(dòng)綜合管廊領(lǐng)域技術(shù)進(jìn)步和科技創(chuàng)新，不斷探索城市綜合管廊施工技術(shù)的研究與應(yīng)用，成功研制“綜合管廊環(huán)境智能控制裝置”，為密閉空間的安全施工操作和職工人身安全提供了保障，填補(bǔ)了國內(nèi)空白。

管廊施工環(huán)境監(jiān)測技術(shù)

1、 管廊施工主要環(huán)境監(jiān)測參數(shù)

地下綜合管廊，一般每200米作為一個(gè)區(qū)間，每個(gè)區(qū)間內(nèi)有一倉或多倉布置，空間相對封閉，施工環(huán)境惡劣，需要對施工環(huán)境進(jìn)行監(jiān)測并控制。

粉塵是地下綜合管廊施工過程的產(chǎn)物，是指懸浮于作業(yè)場所空氣中的固體微粒。粉塵危害巨大，粉塵肺病患者人數(shù)日趨增加，粉塵監(jiān)測控制是改善綜合管廊施工環(huán)境的首要工作。

國家相關(guān)部門對密閉空間作業(yè)有要求：需要監(jiān)測氧氣含量，正常時(shí)氧含量應(yīng)為18%～22%，缺氧時(shí)必須采取機(jī)械通風(fēng)，還需要測有毒有害氣體，主要是一氧化碳、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC），如果含量高于相關(guān)要求，必須采取機(jī)械通風(fēng)措施和個(gè)人防護(hù)措施。

此外，溫濕度也是影響勞動(dòng)者進(jìn)行施工作業(yè)的重要環(huán)境因素。由此可以確定管廊施工的主要環(huán)境參數(shù)：焊接粉塵、氧氣含量、一氧化碳含量、揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）、溫濕度。

2、粉塵監(jiān)測技術(shù)

粉塵監(jiān)測的技術(shù)主要有“粉塵濃度質(zhì)量法監(jiān)測技術(shù)”、“光散射法粉塵濃度監(jiān)測”和“電荷感應(yīng)法粉塵濃度監(jiān)測技術(shù)”。電荷感應(yīng)法是通過讓塵埃粒子經(jīng)過一個(gè)固定探頭，塵埃粒子與探頭感應(yīng)產(chǎn)生靜電荷，通過測量靜電荷感應(yīng)量，進(jìn)行信號(hào)放大并傳送進(jìn)監(jiān)測控制系統(tǒng)。靜電荷的大小與塵埃粒子的流量成正比。通過電荷量與粉塵濃度的關(guān)系計(jì)算出粉塵濃度的監(jiān)測數(shù)值。

3、溫濕度監(jiān)測技術(shù)

濕度監(jiān)測技術(shù)，已經(jīng)是很成熟的技術(shù)。根據(jù)管廊施工現(xiàn)場實(shí)際需要，選用低成本的數(shù)模一體輸出溫濕度變送器即可獲得環(huán)境溫濕度的監(jiān)測數(shù)據(jù)。

4、氣體監(jiān)測技術(shù)

施工現(xiàn)場常用的氣體監(jiān)測方法是定電位電解式方法，即電化學(xué)傳感器監(jiān)測。

其中氧氣監(jiān)測可采用長壽命的進(jìn)口電化學(xué)工業(yè)氧氣專用傳感器監(jiān)測，在電路設(shè)計(jì)上采用了智能微控制技術(shù)，器件采用SMD技術(shù)及工藝。適用于各種惡劣的工業(yè)環(huán)境場合。

揮發(fā)性有機(jī)化合物（VOC）監(jiān)測方法主要有：氣相色譜法、分光光度法、質(zhì)譜法和可燃?xì)怏w傳感器等，其中可燃?xì)怏w傳感器適用于管廊施工現(xiàn)場。

一氧化碳監(jiān)測采用電化學(xué)模組監(jiān)測，具有經(jīng)濟(jì)、穩(wěn)定、壽命長、監(jiān)測范圍廣、分辨精度高，適用溫度范圍大，數(shù)字轉(zhuǎn)換便捷等優(yōu)點(diǎn)。

圖1 監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 裝置操作面板

圖3 裝置效果圖

5、施工環(huán)境綜合監(jiān)測技術(shù)

地下綜合管廊施工過程中，各種環(huán)境因素影響是綜合交叉的。對施工環(huán)境進(jìn)行綜合監(jiān)控非常必要。綜合監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)滿足監(jiān)測功能豐富、移動(dòng)便捷、量程廣、適用惡劣施工條件、小型化等要求。

綜合監(jiān)測系統(tǒng)，可以用電荷感應(yīng)法監(jiān)測粉塵、利用定電化學(xué)傳感器來監(jiān)測氣體、利用溫濕度變送器監(jiān)測溫濕度，并結(jié)合成熟的電子技術(shù)和網(wǎng)絡(luò)通訊技術(shù)研制、開發(fā)出成套裝置。儀器體積要小，以便于移動(dòng)式監(jiān)測。利用成套綜合監(jiān)測系統(tǒng)就可以同時(shí)監(jiān)測各種管廊環(huán)境參數(shù)，自動(dòng)采樣、自動(dòng)分析，測量濃度可直接在顯示屏上顯示。

管廊施工環(huán)境監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)

1、裝置構(gòu)造

管廊施工環(huán)境監(jiān)測與智能控制系統(tǒng)（簡稱“綜合監(jiān)控系統(tǒng)”）主要包括直流電源、探測器模塊、可編程邏輯控制器以及探測板。探測板上設(shè)有吸氣扇和多個(gè)監(jiān)測傳感器，探測器模塊用于數(shù)據(jù)處理及報(bào)警輸出功能；可編程邏輯控制器用于監(jiān)測電源狀態(tài)及探測器的報(bào)警輸出狀態(tài)；環(huán)境監(jiān)測傳感器用于對空氣進(jìn)行監(jiān)測，獲取環(huán)境參數(shù)；吸氣扇用于對環(huán)境空氣進(jìn)行主動(dòng)吸氣。

空氣監(jiān)測傳感器包括了粉塵傳感器、氧氣傳感器、CO傳感器、VOC傳感器和溫濕度傳感器；集成在探測板上。

2、工作原理

綜合監(jiān)控系統(tǒng)由直流電源、多合一探測器、可編程邏輯控制器、電氣控制回路和動(dòng)力回路、指示操作面板、箱體組成。

直流電源分別與多合一探測器和可編程邏輯控制器、繼電器電氣連接，用于這些部件的供電。多合一探測器包括顯示屏、主控板和傳感器模塊。顯示屏組態(tài)軟件實(shí)時(shí)顯示6 種參數(shù)指標(biāo)和報(bào)警狀態(tài)情況?？删幊踢壿嬁刂破饔糜诒O(jiān)測電源狀態(tài)和探測器的報(bào)警輸出狀態(tài)，同時(shí)是裝置的邏輯控制核心器件，通過邏輯程序判斷和控制回路電氣連接，完成整個(gè)裝置的監(jiān)測報(bào)警和排風(fēng)扇的聯(lián)動(dòng)。指示操作面板包括按鈕、指示燈、轉(zhuǎn)換開關(guān)、蜂鳴器等部件，用戶通過以上部件對裝置進(jìn)行相應(yīng)的監(jiān)視和操作。

排風(fēng)機(jī)可分兩種控制方式，直接控制方式和間接控制方式；直接控制方式是空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的動(dòng)力回路內(nèi)置于環(huán)境智能控制裝置，與城市綜合管廊的排風(fēng)機(jī)電氣連接，直接控制風(fēng)機(jī)啟停；間接控制方式是空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)用于將控制信號(hào)傳至MCC控制柜，MCC控制柜與排風(fēng)機(jī)電氣連接，并由MCC控制柜控制排風(fēng)機(jī)啟停；本裝置根據(jù)監(jiān)測結(jié)果，進(jìn)行邏輯判斷后，由城市綜合管廊環(huán)境智能控制直接啟停風(fēng)機(jī)；或城市綜合管廊環(huán)境智能控制裝置與MCC控制柜連接，將啟停信號(hào)傳至MCC控制柜，并由MCC控制排風(fēng)機(jī)啟停?？諝赓|(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)分別與中央控制室集中監(jiān)控系統(tǒng)和作業(yè)面入口處大屏幕進(jìn)行連接；上述設(shè)置用于將空氣質(zhì)量監(jiān)測系統(tǒng)的監(jiān)控信息進(jìn)行遠(yuǎn)程傳輸；當(dāng)任一物質(zhì)或物理量嚴(yán)重超限，即使啟動(dòng)排風(fēng)機(jī)也無法達(dá)標(biāo)，中央控制室和大屏幕顯示屏將會(huì)提示該區(qū)域危險(xiǎn)請施工人員盡快離開。

3、實(shí)現(xiàn)功能

該系統(tǒng)及裝置的空氣質(zhì)量監(jiān)測參數(shù)全面，將多個(gè)傳感探測功能整合到裝置內(nèi)；空氣質(zhì)量探測參數(shù)主要有：氧氣濃度監(jiān)測、一氧化碳濃度監(jiān)測、揮發(fā)性有機(jī)物含量監(jiān)測、粉塵濃度監(jiān)測、溫度監(jiān)測和濕度監(jiān)測等。集成度高，將探測與控制集于一體，以實(shí)現(xiàn)安全防護(hù)的目的。

該監(jiān)測系統(tǒng)通過以可編程邏輯控制器為控制核心的控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)，具有可靠性更高，編程容易，組態(tài)靈活的特點(diǎn)。通過觸摸屏實(shí)時(shí)顯示上述六種監(jiān)測參數(shù)的實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)，可進(jìn)行低報(bào)警、高報(bào)警、報(bào)警回差、通訊等參數(shù)設(shè)置，也可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程通信。監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)設(shè)有通訊模塊，可以實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的上傳，便于管理人員遠(yuǎn)程的施工現(xiàn)場空氣質(zhì)量監(jiān)測數(shù)據(jù)的獲知。

該裝置為便攜式箱體結(jié)構(gòu)，便于施工人員攜帶并隨時(shí)在施工現(xiàn)場應(yīng)用。裝置內(nèi)設(shè)有吸氣扇，可以實(shí)現(xiàn)主動(dòng)吸氣式的空氣質(zhì)量探測，不會(huì)存在因?yàn)楸O(jiān)測裝置在通風(fēng)口的上游，或者風(fēng)向不對而影響空氣質(zhì)量的監(jiān)測。

圖4 裝置電氣接線示意圖

圖5 排風(fēng)機(jī)直接控制方式

圖6 排風(fēng)機(jī)間接控制方式

在城市地下管廊管道施工中，利用此技術(shù)，能夠?qū)崟r(shí)監(jiān)測管廊作業(yè)環(huán)境，確定了地下管廊施工環(huán)境各項(xiàng)危險(xiǎn)因素的指標(biāo)，對超標(biāo)因素提前做出預(yù)判報(bào)警，提示施工人員及時(shí)疏散，并聯(lián)動(dòng)管廊施工設(shè)置的排風(fēng)換氣設(shè)備，解決了現(xiàn)有管廊工程施工中空氣存在安全隱患無法監(jiān)控的問題，提高對作業(yè)人員的安全保障。