深基坑人工作業(yè)智能裝備的設(shè)計及其工程應(yīng)用

張慶華， 嚴(yán)逸凡， 王云潔， 張雄偉

（國網(wǎng)江蘇省電力有限公司常州供電分公司， 江蘇 常州 213000）

引言

桿塔基礎(chǔ)是架空輸電線路的核心組成部分，在地形復(fù)雜的山地和丘陵地帶，土質(zhì)較差，重型機(jī)械往往運(yùn)輸不便，機(jī)械成孔方案難以實(shí)施，人工挖孔基礎(chǔ)成為此種條件下應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)形式之一[1]。人工挖孔樁一般施工流程是作業(yè)人員使用鐵鍬、鐵鎬、風(fēng)鎬、電動鑿巖機(jī)等工具在指定點(diǎn)位向下進(jìn)行挖掘，采用電動葫蘆或卷揚(yáng)機(jī)等起吊設(shè)備將孔內(nèi)土方提升至地面，如此循環(huán)作業(yè)待孔洞尺寸達(dá)到設(shè)計要求后，進(jìn)行鋼筋籠下放和混凝土澆筑，最終形成線路桿塔基礎(chǔ)[2-4]。架空輸電線路采用的人工挖孔樁往往孔徑小、樁基較深，屬于深基坑、有限空間作業(yè)范疇，安全作業(yè)風(fēng)險高。深基坑人工挖孔作業(yè)屬于國網(wǎng)公司基建安全管控關(guān)鍵范疇，國網(wǎng)專文指導(dǎo)深基坑人工掏挖作業(yè)管控，但受制于當(dāng)前的施工裝備、現(xiàn)場條件及人員素質(zhì)，深基坑人工挖孔樁基礎(chǔ)施工仍然是線路工程施工的重難點(diǎn)。

文獻(xiàn)[5]總結(jié)了浙北—福州特高壓輸電線路工程深基坑作業(yè)中常見的安全控制措施。文獻(xiàn)[6]開發(fā)出一種利用吊車與六角抓斗相結(jié)合的土方運(yùn)送裝置，解決了傳統(tǒng)卷揚(yáng)機(jī)出渣速度慢的難題，但該裝置對小孔徑孔洞適用性較差。文獻(xiàn)[7]提出了在孔內(nèi)設(shè)置應(yīng)急繩，方便緊急情況時，地面上人員能夠找到坑內(nèi)作業(yè)人員，但未提及預(yù)警溝通機(jī)制和坑內(nèi)送氧、照明等設(shè)施的使用。某公司研制出一套深基坑作業(yè)機(jī)，集合報警、智能送氧、作業(yè)人員生命特征監(jiān)測等功能，防范深基坑作業(yè)安全事故發(fā)生[8]，但該裝置拼裝復(fù)雜，臨坑作業(yè)量大，對施工人員體力需要滿足一定要求，配套安措也不夠完善。

因此，本文設(shè)計出一套深基坑作業(yè)一體化智能機(jī)及管控體系，整機(jī)拆裝便捷，搬運(yùn)輕便，可實(shí)現(xiàn)實(shí)時氣體檢測、智能送風(fēng)、自動聲光報警、快速穩(wěn)定提料、緊急提升孔底作業(yè)人員以及遠(yuǎn)程通信等多個功能，提升現(xiàn)場工作效率，降低作業(yè)風(fēng)險。該套系統(tǒng)通過現(xiàn)場應(yīng)用比較，經(jīng)濟(jì)、社會效益明顯，能很好滿足現(xiàn)場作業(yè)需要和安全風(fēng)險管控。

1 總體設(shè)計

該智能機(jī)適用于輸電線路人工挖孔和其他需要進(jìn)入深基坑的人工作業(yè)現(xiàn)場，主要由起重出料系統(tǒng)、送風(fēng)與氣體監(jiān)測系統(tǒng)、監(jiān)視與告警系統(tǒng)三大模塊組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)

起重機(jī)構(gòu)由底座、支架、吊臂、吊桶、提升電機(jī)、旋轉(zhuǎn)電機(jī)、重量測量傳感器等部分組成。各部件均可采用裝配式拼接，單重低于35 kg，適于山地和野外交通運(yùn)輸不便的施工作業(yè)現(xiàn)場。支架、吊臂等機(jī)械部位采用法蘭連接，安全牢固。吊桶采用特殊材質(zhì)制成。提升電機(jī)最大提升距離30 m，額定載重200 kg，具備失電剎車功能，滿足深基坑出料需求的同時防止出現(xiàn)意外斷電導(dǎo)致的吊桶失控情況。提升速度24 m/min，運(yùn)行平穩(wěn)。提升機(jī)構(gòu)將坑內(nèi)土方提至超出坑口后，吊臂在旋轉(zhuǎn)電機(jī)的帶動下可大角度水平旋轉(zhuǎn)，方便吊桶內(nèi)土方出料。

2 主要功能設(shè)計

深基坑作業(yè)一體化智能機(jī)控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由主控模塊、顯示單元、送風(fēng)與氣體檢測系統(tǒng)，互動交互系統(tǒng)組成。在設(shè)計系統(tǒng)軟件時，利用可編程邏輯控制器（PLC）實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，并依托MCGS 工業(yè)屏實(shí)現(xiàn)顯示與邏輯功能。因此，本控制系統(tǒng)易于使用、維護(hù)和修改，有很強(qiáng)的開放性和適用性。

圖2 深基坑作業(yè)一體化智能機(jī)控制系統(tǒng)圖

2.1 主控模塊

主控裝置設(shè)計采用觸摸屏控制方式，顯示直觀，操作方便，面板下方布置控制功能鍵。根據(jù)不同的作業(yè)場景，可在控制單元設(shè)置適合當(dāng)前工況的參數(shù)，如：最大吊裝重量、提升和下降高度、水平旋轉(zhuǎn)角度等。

除了常規(guī)吊桶提升、吊臂水平旋轉(zhuǎn)控制外，智能機(jī)還可設(shè)置為自動控制。當(dāng)深基坑內(nèi)土方需要運(yùn)出時，通過稱重系統(tǒng)記錄提土重量，傳送到主控模塊，主控單元通過輸入的設(shè)定值來判斷是否滿足提升條件。按壓一鍵控制按鈕，智能機(jī)便自動將吊桶提升至坑外，并水平旋轉(zhuǎn)出坑口，待桶內(nèi)土方倒出后，一鍵還原至坑底，開始下一個循環(huán)流程。

2.2 送風(fēng)與氣體監(jiān)測單元

為保證深基坑內(nèi)氧氣含量充足，選用離心式中壓風(fēng)機(jī)向坑內(nèi)持續(xù)送氧?？蓪?shí)現(xiàn)持續(xù)100 L/s（國網(wǎng)指導(dǎo)書要求不低于25 L/s）的強(qiáng)制通風(fēng)，防止窒息、中毒和燃爆。風(fēng)機(jī)采用離心式結(jié)構(gòu)、鋁合金外殼及葉輪，具有重量輕、款式新穎、流量大、噪聲低等特點(diǎn)。風(fēng)管選用伸縮軟管，耐高溫450 ℃，耐腐蝕，壓縮比1∶10，可隨著基坑的加深向下伸長，保證氧氣送至坑底。另外，布置氣體監(jiān)測傳感器于深基坑內(nèi)，實(shí)時監(jiān)測坑內(nèi)氣體（O2、CO、H2S、可燃?xì)怏wCH4）成分和含量。

2.3 顯示與監(jiān)視單元

顯示屏采用高清液晶顯示，通過布置于一體機(jī)本體以及深基坑內(nèi)的傳感器、微動開關(guān)，采集坑內(nèi)氣體含量、提升機(jī)構(gòu)狀態(tài)值、鼓風(fēng)機(jī)運(yùn)行狀態(tài)值、吊桶高度、吊桶內(nèi)荷重、人員工作時長等數(shù)據(jù)，實(shí)時顯示當(dāng)前系統(tǒng)工況。選用兩個工業(yè)級高清攝像頭，分別布置在基坑頂部和底部。攝像頭自帶雨刷清掃、照明、語音對講功能，實(shí)現(xiàn)坑內(nèi)作業(yè)環(huán)境及人員狀態(tài)監(jiān)視、作業(yè)溝通指揮及遠(yuǎn)程視頻監(jiān)控，強(qiáng)化現(xiàn)場作業(yè)管控。

2.4 告警與通信單元

當(dāng)?shù)趸@內(nèi)重量超過設(shè)置限定值、氧氣含量低于報警值或者監(jiān)測到有毒有害氣體、人員坑底連續(xù)作業(yè)超過設(shè)定時間時，系統(tǒng)在顯示屏發(fā)出告警提示，同時控制面板上的聲光報警燈亮起并輔以高分貝警示音，提示現(xiàn)場人員采取必要措施。

除現(xiàn)場交互外，系統(tǒng)通過提前錄入聯(lián)系人手機(jī)號碼，可將現(xiàn)場數(shù)據(jù)通過短信形式，一鍵發(fā)送給指定手機(jī)，保證遠(yuǎn)程通信功能；通過手機(jī)終端，可遠(yuǎn)程視頻訪問攝像頭，方便檢查監(jiān)督。

3 工程應(yīng)用成效分析

該深基坑作業(yè)一體化智能裝備通過在某220 kV 輸變電工程現(xiàn)場實(shí)際試用，取得了較好的應(yīng)用效果：

1）安全可靠。對于作業(yè)現(xiàn)場存在的施工風(fēng)險，針對性地采取了防控措施，如表1 所示。

表1 風(fēng)險及對應(yīng)防控措施

2）智能高效。開發(fā)了一鍵順控操作功能，高效、精準(zhǔn)；全過程同屏監(jiān)控，作業(yè)管控有力，滿足基建工程現(xiàn)場管控要求。智能預(yù)警功能及時提示現(xiàn)場風(fēng)險，提高現(xiàn)場管理成效。基坑內(nèi)外視頻對講，溝通方便高效；監(jiān)控記錄定時存儲，系統(tǒng)自動預(yù)警，減輕臺賬管理負(fù)擔(dān)。

3）助于文明施工。各組件模塊化集成，易于調(diào)整；現(xiàn)場采用定置化布設(shè)，便于整理維護(hù)；配重塊尺寸標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，便于現(xiàn)場驗(yàn)核。

4）裝運(yùn)方便。硬件分塊設(shè)計，單重低于35 kg，方便運(yùn)輸；線纜航空插頭限位連接，拆裝準(zhǔn)確簡單；防水設(shè)計，適應(yīng)野外施工環(huán)境。