多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)在大體積凍結(jié)工程中的應(yīng)用

黃寶龍 溫漢宏 韓玉福張 松楊志剛魏可東

(1.天地科技股份有限公司,北京 100013;2.北京中煤礦山工程有限公司,北京 100013)

人工凍結(jié)技術(shù)現(xiàn)已廣泛應(yīng)用于礦井建設(shè)、市政工程建設(shè)[1-5],其優(yōu)點是可以同時加固地層并隔絕地下水。但其對凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測水平要求很高[6,7],大體積凍結(jié)工程尤其苛刻。目前,大體積凍結(jié)工程的監(jiān)測經(jīng)驗仍然較少[8,9],針對這一現(xiàn)狀,筆者依托廣州地鐵11號線云臺花園站—大金鐘站區(qū)間(下稱:云大區(qū)間)隧道的大體積凍結(jié)工程,介紹了多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)在該工程的成功應(yīng)用。

1 工程概況

廣州地鐵云大區(qū)間隧道的暗挖部分主要由1#、2#橫通道、配線延長段及道岔渡線段、車站暗挖段組成,累計長度約265 m。區(qū)間隧道的暗挖部分位于高爾夫球場下方(平面位置見圖1),1#與2#豎井已施工完成。由于豎井附近地層涌水量較大、土層含沙量大、自穩(wěn)差,并且不具備明挖條件,故云大區(qū)間1#、2#橫通道采用凍結(jié)法加固+礦山法暗挖的方案,預計1#、2#橫通道的凍結(jié)體積分別為8 405.76 m3和6 346.76 m3。

圖1 云臺花園—大金鐘站區(qū)間暗挖隧道平面位置示意

2 凍結(jié)系統(tǒng)

2.1 凍結(jié)設(shè)備

1#、2#橫通道凍結(jié)工程冷凍站裝機臺總數(shù)為28臺,附屬設(shè)備共包括:6 臺鹽水泵、10臺清水泵、8臺冷卻水塔、鹽水箱4個、清水箱2個。

2.2 鹽水循環(huán)系統(tǒng)

根據(jù)設(shè)計及工程實際情況,整個鹽水循環(huán)系統(tǒng)劃分為4個循環(huán)系統(tǒng):①內(nèi)循環(huán):1#鹽水箱高溫區(qū)→1#高溫鹽水泵→28臺鹽水機組→2#鹽水箱低溫區(qū)。②外循環(huán):2#鹽水箱低溫區(qū)→4#低溫鹽水泵→2#橫通道工作面→1#鹽水箱高溫區(qū)。③內(nèi)循環(huán):2#鹽水箱高溫區(qū)→3#高溫鹽水泵→28 臺鹽水機組→4#鹽水箱低溫區(qū)。④外循環(huán):2#鹽水箱低溫區(qū)→6#低溫鹽水泵→1#橫通道工作面→3#鹽水箱高溫區(qū)。此外,2#、5#鹽水泵分別為1#、3#鹽水泵與4#、6#鹽水泵的備用泵。

2.3 清水循環(huán)系統(tǒng)

清水冷卻系統(tǒng)分為8個,每臺清水泵和每臺冷卻水塔為4臺鹽水機組提供冷卻水。清水循環(huán)系統(tǒng)為:清水箱→清水泵→4臺鹽水機組→冷卻水塔→清水箱。

2.4 凍結(jié)器分組情況

根據(jù)設(shè)計圖紙,1#橫通道凍結(jié)器共分42組;2#橫通道凍結(jié)器共分41組。

3 多參數(shù)實時凍結(jié)監(jiān)測系統(tǒng)

3.1 監(jiān)測目的及監(jiān)測項目

水平孔凍結(jié)暗挖隧道施工及與其相關(guān)的環(huán)境影響均為動態(tài)過程。因此,在施工中必須對隧道及周邊環(huán)境進行三維空間全方位、全過程的監(jiān)測,從而有助于快速反饋施工信息,以便及時發(fā)現(xiàn)問題并采用最優(yōu)的工程對策。

根據(jù)設(shè)計要求,結(jié)合本工程特點,1#、2#橫通道凍結(jié)加固工程施工過程中,凍結(jié)系統(tǒng)監(jiān)測項目主要包括:凍結(jié)壁溫度監(jiān)測,鹽水流量、壓力監(jiān)測,冷凍機組參數(shù)監(jiān)測,水位監(jiān)測等。

3.2 監(jiān)測內(nèi)容

為了能夠?qū)崟r了解凍結(jié)壁發(fā)展狀況及凍結(jié)站運行狀態(tài),保障施工安全,采用信息化施工技術(shù)對凍結(jié)壁及凍結(jié)站三大系統(tǒng)參數(shù)進行實時監(jiān)測,主要監(jiān)測內(nèi)容有:溫度監(jiān)測、管路與凍結(jié)器流量監(jiān)測、管路壓力監(jiān)測、冷凍機組參數(shù)監(jiān)測、鹽水箱水位監(jiān)測等。

3.2.1 溫度監(jiān)測

采用基于組態(tài)軟件的一線總線式測溫系統(tǒng)對系統(tǒng)的各個參數(shù)進行監(jiān)測,具體監(jiān)測內(nèi)容如下:

(1)對1#橫通道42組鹽水回水溫度和2#橫通道41組鹽水回水溫度進行監(jiān)測,判斷凍結(jié)器運行是否正常;

(2)對2組鹽水干管進、回水溫度進行監(jiān)測,計算冷凍站實時制冷量;

(3)對28臺冷凍機冷卻水出、入水口溫度進行監(jiān)測,判斷冷卻水系統(tǒng)是否正常;

(4)對28臺冷凍機鹽水進、出水口溫度進行監(jiān)測,判斷冷凍機組制冷能量;

(5)根據(jù)設(shè)計圖紙,1#橫通道有測溫孔17個,2#橫通道有測溫孔16 個,單個測溫孔每隔2.5 m 設(shè)置1個溫度測點,實時監(jiān)測凍結(jié)壁發(fā)展情況,根據(jù)監(jiān)測結(jié)果指導現(xiàn)場開機與凍結(jié)施工調(diào)整。

溫度監(jiān)測系統(tǒng)所需設(shè)備、材料清單見表1,測溫模塊見圖2。

圖2 測溫模塊

表1 溫度檢測系統(tǒng)設(shè)備材料

3.2.2 流量監(jiān)測

(1)在2組鹽水干管上安裝流量計,對2組鹽水干管流量進行監(jiān)測,保證鹽水流量滿足設(shè)計要求;

(2)在28臺鹽水機組的冷卻水出口及鹽水出口都安裝流量計,便于觀察冷卻水及鹽水分配情況;

(4)利用流量計分別對1#橫通道42 組凍結(jié)器組流量和2#橫通道41 組凍結(jié)器組流量進行監(jiān)測,確定單孔流量是否滿足設(shè)計要求。

流量監(jiān)測系統(tǒng)所需設(shè)備清單見表2。

表2 流量監(jiān)測設(shè)備

冷凍機鹽水管流量計與工作面分組流量計現(xiàn)場安裝照片分別見圖3、圖4。

圖3 冷凍機鹽水管流量計

圖4 工作面鹽水分組流量計

3.2.3 壓力監(jiān)測

(1)在2組鹽水干管上安裝壓力表,對2組鹽水干管壓力進行監(jiān)測,保證鹽水壓力滿足設(shè)計要求;

(2)在28臺冷凍機鹽水管、清水管上安裝壓力表,對管路壓力進行監(jiān)測,保證供給單臺冷凍機組的鹽水和冷卻水滿足設(shè)計要求;

(3)分別對1#、2#橫通道42、41組凍結(jié)器組壓力進行監(jiān)測,確定單孔壓力是否滿足設(shè)計要求。

壓力監(jiān)測系統(tǒng)需壓力表80個。

3.2.4 冷凍機組參數(shù)監(jiān)測

對冷凍機電流、油溫、吸氣壓力、排氣壓力等參數(shù)進行監(jiān)測(見圖5),及時發(fā)現(xiàn)問題并預警,保障現(xiàn)場施工安全。

圖5 冷凍機參數(shù)監(jiān)測

3.2.5 鹽水水位監(jiān)測

本工程整個鹽水系統(tǒng)所使用的鹽水體積約275 m3,即使鹽水箱發(fā)生微小下降,整個管路系統(tǒng)的泄漏量卻很大,所以,必須對鹽水箱水位進行精準監(jiān)測,當發(fā)生鹽水泄漏時,能及時發(fā)現(xiàn)并報警。液位監(jiān)測系統(tǒng)所需設(shè)備清單見表3,現(xiàn)場照片見圖6。

圖6 鹽水箱水位監(jiān)測[7]

表3 液位監(jiān)測設(shè)備

4 現(xiàn)場應(yīng)用效果

1#、2#橫通道凍結(jié)監(jiān)測系統(tǒng)于2019-12-30安裝完成并調(diào)試正常,1#橫通道于2020-01-03開始積極凍結(jié),2020-11-27 結(jié)構(gòu)完成;2#橫通道于2020-01-10開始積極凍結(jié),2020-12-23結(jié)構(gòu)完成。多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)為本工程的安全順利完成提供了可靠的支撐。

5 結(jié) 論

筆者利用計算機技術(shù)、傳感器技術(shù)等信息技術(shù)所構(gòu)建的多參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng),為大斷面長距離通道凍結(jié)工程的施工安全風險實時控制提供了科學可靠的手段,能夠?qū)⑹┕ぶ械陌踩畔⑴c技術(shù)信息綜合分析判斷,及時有效地發(fā)現(xiàn)異常信息,提升了凍結(jié)工程的施工安全管理信息采集水平,具有重要的工程應(yīng)用價值。