蓋挖逆作法鋼管柱施工深孔智能防護(UHIS)技術

鄔 巖，岳渠德

(1.中鐵十五局集團有限公司;2.青島理工大學)

1 概 述

廣深港客運專線福田站位于深圳市行政文化中心，相鄰數十棟近200 m 的超高層建筑。在市民中心廣場西側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1 023 m，深32.15 m、寬78.86 m，站場規模4 臺8線。地下一層為客流轉換層，地下二層為站廳層，地下三層為站臺層。為亞洲目前最大的地下高鐵車站。根據場地條件和交通疏解要求，劃分5 個施工段，分別采用蓋挖逆作法及明挖順作法施工。

福田站共設計蓋挖逆作鋼管柱110 根(直徑Ф1 600)。采用直徑2.8 m 深度為34 m 鋼套筒圍護結構，灌注抗拔樁兼結構柱下樁，車站底板以下設3 m 厚倒梯形承臺，鋼管柱長度30.047 m。鋼管柱吊裝入孔后，環形空間只有0.6 m。安全防護是蓋挖逆作法鋼管柱施工關鍵技術。

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(UHIS)技術

根據設計要求，鋼套筒深度為34 m、直徑2.8 m，鋼管柱吊裝入孔后，環形空間只有0.6 m。為了保證施工質量，施工人員必須進入深孔狹窄空間內進行混凝土鑿除、焊接、鋼管柱定位等作業。由于作業空間相對閉塞，存在通風不良、粉塵超標、氧氣含量不足等風險，極易引發生中暑、窒息，危及健康及生命安全。

結合福田站蓋挖逆作鋼管立柱施工，研究應用了深孔智能防護技術，確保了在地下30 多m 深孔狹小空間內作業人員安全。

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

圖2 深孔智能防護系統(UHIS)工作流程

深孔智能防護(UHIS)技術要點及功能如下:

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結構，是保證施工安全的首要條件。采用壁厚20mm 鋼板，在工廠用卷板機卷制、二氧化碳保護焊焊接，分節加工制作，運至現場在滾輪架上進行拼裝，采用300 t 履帶吊和150 t 履帶吊聯合整體吊裝入孔。

3.2 深孔分散平衡式自動控制通風系統

為確保深孔內工作環境，保證施工人員健康，必須加大通風除塵措施，降低各種作業產生的粉塵和有害氣體。根據現場施工流程及人員作業安全等因素，確定自動監測的物理參量并設定報警閥值。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:深孔氧氣含量按體積計，不得低于20%;孔內氣溫不得超過28 ℃。

工作原理:系統通過中心控制器，對采集到的孔內控制值與設定控制要求值進行比較、判斷。當對各項數據經分析判定符合通風指標時，控制系統會自動打開通風窗、頂棚風門，啟動風機進行通風。系統采用唯一指標控制，即在通風中，當其中一項指標的監測數據不能滿足要求時候，就需要繼續通風。而只有當所有的控制指標達到要求后，控制系統會即時發出指令自動停止作業，并關閉風機。

系統設備主要包括通風轉換器、軸流風機、行程開關、監測傳感器和控制柜等。如圖3 所示。

圖3 分散平衡式自動控制通風系統

3.3 深孔自動監測水霧降塵裝置

自動檢測降塵裝置主要針對的是施工環境中粉塵的含量進行監測，并通過監測控制設備自動調節降塵設備工作。該工程中采用的設備為光控自動監測降塵設備，是利用噴霧器中的水散射而形成霧粒達到降塵的目的。

控制指標:根據規范要求，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，不含有毒物質的礦物性和動植物性的粉塵為10 mg。

工作原理:光控自動監測降塵設備主要由主控機構、檢測機構、執行機構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，將兩只光信號傳感器分別接在水幕的兩個方向。當光信號傳感器接收到光源(專用光源)信號后，主機即可工作，驅動電磁閥實現噴霧。并設有常開常閉選擇功能，靈敏度及延時時間可調。如圖4 所示。

圖4 自動監測降塵布置裝置

裝置主機通過傳感器反饋信號，分別控制進風和進水兩條管路，利用進風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作業面，降塵效果明顯。主機內部設有兩套定時控制器:一套為人體感應停噴定時器，實現人來時停止噴霧、人去時恢復噴霧的功能;另一套為微電腦時間控制器，實現分時段、按周期自動噴霧的功能。其原理:(1)當有人通過時，傳感器接收信號，主機處理信號，令電動球閥關閉噴霧停止，人離去時噴霧恢復。(2)根據孔內粉塵的含量由作業人員確定噴霧時間的長短和噴霧周期，實現分時段按周期噴霧降塵。

光控自動監測降塵設備適用范圍廣，安裝方便快捷，可用于供風、供水管路接口處安裝;主機采用兩套時間控制器，時間設定靈活;霧化效果好，水霧覆蓋面大，降塵效果明顯。使深孔內產生的粉塵得到了有效的控制，作業環境大大改善。

3.4 有害氣體自動監測報警儀器

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時產生弧光輻射、金屬煙塵和有害氣體，以上有害氣體超標會對人體造成傷害。

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

監測裝置:根據目前一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物等有害氣體監測的技術和設備的特點，分別采用了具有針對性的技術設備。

(1)一氧化碳和二氧化碳監測。

采用英國產GMI VISA 四合一氣體檢測儀。該種裝置主要針對的是甲烷、硫化氫、一氧化碳和氧氣。量程參數為0 ～100%CH4;0 ～100 ppmH2S;0 ～10 ppmCO，0 ～25%O2。該裝置為全自動型，可根據需要調節報警指標，并有自動報警的功能，而且精度高。

(2)氮氧化物監測。

采用瑞典OPSIS AB 公司的雙光路DOAS AQM 系統——AR500 系統。DOAS 系統(Differential Optical Absorption Spectroscopy，DOAS)，利用氣體分子對光能產生吸收的基本原理來測量大氣中所含氣體分子的種類及濃度。DOAS系統測量的是一段光程氣體的平均濃度。DOAS 系統對二氧化氮的測量值，最低檢測限值為1 μg/m3。

3.5 孔內作業人員配備個體防護、智能報警器

為了實時的把握深孔內狹窄空間施工人員作業的身體狀態，本工程除了采用相關設備對環境進行監測外，還應用了生命體征實時監視系統，該系統能對體溫、脈搏等生理機能指標進行實時監測，并反饋到監控中心，用以評價一線作業人員的身體狀態，以便在異常情況下采取有效措施撤離作業面或實施救援。

該系統是在ARM 微處理器的控制下，利用前端傳感器將生理狀態數據轉換為電信號，它定時的通過體溫采集模塊和脈搏數據采集模塊采集體溫和脈搏數據，對數據進行處理。若發現施工人員生理指標超出正常的范圍，發出警報聲提示。系統總體結構如圖5 所示。

圖5 生命體征監測系統架構

體溫測量采用Dallas 公司的DS18B20 提供12 位(二進制)溫度測試器件。在溫度30 ～40 ℃之間，DS18B20 的平均誤差小于0.2 ℃，且分辨率可達到0.1 ℃。脈搏測量采用的脈搏測量傳感器為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由于心臟跳動而引起的手指尖內微血管容積發生的變化，經過信號放大、調理、整形輸出同步于脈搏跳動的脈沖信號，從而計算出脈率。

3.6 低壓智能照明裝置

為保證孔內作業人員避免觸電危險，孔內照明采用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。

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

該裝置具有如下優點:工作十分安全、節約材料降低成本、施工規范符合規程要求、節約電能、施工方便效率高、壽命長。

3.7 井內人員物料升降系統

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

因孔內空間狹小，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行檢查，發現磨損、扭曲嚴重或斷絲率超過規范要求立即進行更換。吊籠根據孔內空間大小特別制作，吊籠上的焊點和吊環、卡扣在班前合和班中進行檢查，如有安全隱患立即進行補焊或更換處理。

每次作業人員下井時，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升井。

4 小 結

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

［1］鋼管混凝土結構設計與施工規程(CECS28:90)［S］.

［2］建筑機械使用安全技術規程(GJ33－2001)［S］.

［3］履帶式起重機相關技術文件(QUY70、QUY260)［S］.