城市綜合管廊施工環境監測與智能控制技術

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

隨著社會和經濟的發展，世界城市現代化建設速度進一步加快，我國城鎮化趨勢飛躍發展，城市人口數量的急劇提升，開挖路面、架空線網密集、管線事故頻發等“城市病”狀況日益凸顯。解決城市地下問題，需要開發地下空間，大力發展綜合管廊建設是最好的辦法。

由于城市地下綜合管廊是半封閉區域、空間狹長、潮濕、自然通風不良，在施工過程中特別是機電安裝階段，焊接煙氣量多、粉塵多、濕度大，施工作業環境惡劣。中建一局集團安裝工程有限公司秉承人文關懷、綠色施工、智慧施工的理念，為持續推動綜合管廊領域技術進步和科技創新，不斷探索城市綜合管廊施工技術的研究與應用，成功研制“綜合管廊環境智能控制裝置”，為密閉空間的安全施工操作和職工人身安全提供了保障，填補了國內空白。

管廊施工環境監測技術

1、 管廊施工主要環境監測參數

地下綜合管廊，一般每200米作為一個區間，每個區間內有一倉或多倉布置，空間相對封閉，施工環境惡劣，需要對施工環境進行監測并控制。

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

國家相關部門對密閉空間作業有要求：需要監測氧氣含量，正常時氧含量應為18%～22%，缺氧時必須采取機械通風，還需要測有毒有害氣體，主要是一氧化碳、揮發性有機化合物（VOC），如果含量高于相關要求，必須采取機械通風措施和個人防護措施。

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

2、粉塵監測技術

粉塵監測的技術主要有“粉塵濃度質量法監測技術”、“光散射法粉塵濃度監測”和“電荷感應法粉塵濃度監測技術”。電荷感應法是通過讓塵埃粒子經過一個固定探頭，塵埃粒子與探頭感應產生靜電荷，通過測量靜電荷感應量，進行信號放大并傳送進監測控制系統。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系計算出粉塵濃度的監測數值。

3、溫濕度監測技術

濕度監測技術，已經是很成熟的技術。根據管廊施工現場實際需要，選用低成本的數模一體輸出溫濕度變送器即可獲得環境溫濕度的監測數據。

4、氣體監測技術

施工現場常用的氣體監測方法是定電位電解式方法，即電化學傳感器監測。

其中氧氣監測可采用長壽命的進口電化學工業氧氣專用傳感器監測，在電路設計上采用了智能微控制技術，器件采用SMD技術及工藝。適用于各種惡劣的工業環境場合。

揮發性有機化合物（VOC）監測方法主要有：氣相色譜法、分光光度法、質譜法和可燃氣體傳感器等，其中可燃氣體傳感器適用于管廊施工現場。

一氧化碳監測采用電化學模組監測，具有經濟、穩定、壽命長、監測范圍廣、分辨精度高，適用溫度范圍大，數字轉換便捷等優點。

圖1 監測系統結構示意圖

圖2 裝置操作面板

圖3 裝置效果圖

5、施工環境綜合監測技術

地下綜合管廊施工過程中，各種環境因素影響是綜合交叉的。對施工環境進行綜合監控非常必要。綜合監測系統應滿足監測功能豐富、移動便捷、量程廣、適用惡劣施工條件、小型化等要求。

綜合監測系統，可以用電荷感應法監測粉塵、利用定電化學傳感器來監測氣體、利用溫濕度變送器監測溫濕度，并結合成熟的電子技術和網絡通訊技術研制、開發出成套裝置。儀器體積要小，以便于移動式監測。利用成套綜合監測系統就可以同時監測各種管廊環境參數，自動采樣、自動分析，測量濃度可直接在顯示屏上顯示。

管廊施工環境監測與智能控制系統

1、裝置構造

管廊施工環境監測與智能控制系統（簡稱“綜合監控系統”）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。探測板上設有吸氣扇和多個監測傳感器，探測器模塊用于數據處理及報警輸出功能；可編程邏輯控制器用于監測電源狀態及探測器的報警輸出狀態；環境監測傳感器用于對空氣進行監測，獲取環境參數；吸氣扇用于對環境空氣進行主動吸氣。

空氣監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

綜合監控系統由直流電源、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。顯示屏組態軟件實時顯示6 種參數指標和報警狀態情況。可編程邏輯控制器用于監測電源狀態和探測器的報警輸出狀態，同時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，完成整個裝置的監測報警和排風扇的聯動。指示操作面板包括按鈕、指示燈、轉換開關、蜂鳴器等部件，用戶通過以上部件對裝置進行相應的監視和操作。

排風機可分兩種控制方式，直接控制方式和間接控制方式；直接控制方式是空氣質量監測系統的動力回路內置于環境智能控制裝置，與城市綜合管廊的排風機電氣連接，直接控制風機啟停；間接控制方式是空氣質量監測系統用于將控制信號傳至MCC控制柜，MCC控制柜與排風機電氣連接，并由MCC控制柜控制排風機啟停；本裝置根據監測結果，進行邏輯判斷后，由城市綜合管廊環境智能控制直接啟停風機；或城市綜合管廊環境智能控制裝置與MCC控制柜連接，將啟停信號傳至MCC控制柜，并由MCC控制排風機啟停。空氣質量監測系統分別與中央控制室集中監控系統和作業面入口處大屏幕進行連接；上述設置用于將空氣質量監測系統的監控信息進行遠程傳輸；當任一物質或物理量嚴重超限，即使啟動排風機也無法達標，中央控制室和大屏幕顯示屏將會提示該區域危險請施工人員盡快離開。

3、實現功能

該系統及裝置的空氣質量監測參數全面，將多個傳感探測功能整合到裝置內；空氣質量探測參數主要有：氧氣濃度監測、一氧化碳濃度監測、揮發性有機物含量監測、粉塵濃度監測、溫度監測和濕度監測等。集成度高，將探測與控制集于一體，以實現安全防護的目的。

該監測系統通過以可編程邏輯控制器為控制核心的控制系統設計，具有可靠性更高，編程容易，組態靈活的特點。通過觸摸屏實時顯示上述六種監測參數的實時數據，可進行低報警、高報警、報警回差、通訊等參數設置，也可以實現遠程通信。監測系統內設有通訊模塊，可以實現監測數據的上傳，便于管理人員遠程的施工現場空氣質量監測數據的獲知。

該裝置為便攜式箱體結構，便于施工人員攜帶并隨時在施工現場應用。裝置內設有吸氣扇，可以實現主動吸氣式的空氣質量探測，不會存在因為監測裝置在通風口的上游，或者風向不對而影響空氣質量的監測。

圖4 裝置電氣接線示意圖

圖5 排風機直接控制方式

圖6 排風機間接控制方式

在城市地下管廊管道施工中，利用此技術，能夠實時監測管廊作業環境，確定了地下管廊施工環境各項危險因素的指標，對超標因素提前做出預判報警，提示施工人員及時疏散，并聯動管廊施工設置的排風換氣設備，解決了現有管廊工程施工中空氣存在安全隱患無法監控的問題，提高對作業人員的安全保障。