深基坑人工作業智能裝備的設計及其工程應用

張慶華， 嚴逸凡， 王云潔， 張雄偉

（國網江蘇省電力有限公司常州供電分公司， 江蘇 常州 213000）

引言

桿塔基礎是架空輸電線路的核心組成部分，在地形復雜的山地和丘陵地帶，土質較差，重型機械往往運輸不便，機械成孔方案難以實施，人工挖孔基礎成為此種條件下應用最廣泛的基礎形式之一[1]。人工挖孔樁一般施工流程是作業人員使用鐵鍬、鐵鎬、風鎬、電動鑿巖機等工具在指定點位向下進行挖掘，采用電動葫蘆或卷揚機等起吊設備將孔內土方提升至地面，如此循環作業待孔洞尺寸達到設計要求后，進行鋼筋籠下放和混凝土澆筑，最終形成線路桿塔基礎[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、有限空間作業范疇，安全作業風險高。深基坑人工挖孔作業屬于國網公司基建安全管控關鍵范疇，國網專文指導深基坑人工掏挖作業管控，但受制于當前的施工裝備、現場條件及人員素質，深基坑人工挖孔樁基礎施工仍然是線路工程施工的重難點。

文獻[5]總結了浙北—福州特高壓輸電線路工程深基坑作業中常見的安全控制措施。文獻[6]開發出一種利用吊車與六角抓斗相結合的土方運送裝置，解決了傳統卷揚機出渣速度慢的難題，但該裝置對小孔徑孔洞適用性較差。文獻[7]提出了在孔內設置應急繩，方便緊急情況時，地面上人員能夠找到坑內作業人員，但未提及預警溝通機制和坑內送氧、照明等設施的使用。某公司研制出一套深基坑作業機，集合報警、智能送氧、作業人員生命特征監測等功能，防范深基坑作業安全事故發生[8]，但該裝置拼裝復雜，臨坑作業量大，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，本文設計出一套深基坑作業一體化智能機及管控體系，整機拆裝便捷，搬運輕便，可實現實時氣體檢測、智能送風、自動聲光報警、快速穩定提料、緊急提升孔底作業人員以及遠程通信等多個功能，提升現場工作效率，降低作業風險。該套系統通過現場應用比較，經濟、社會效益明顯，能很好滿足現場作業需要和安全風險管控。

1 總體設計

該智能機適用于輸電線路人工挖孔和其他需要進入深基坑的人工作業現場，主要由起重出料系統、送風與氣體監測系統、監視與告警系統三大模塊組成，其總體結構如圖1 所示。

圖1 總體結構

起重機構由底座、支架、吊臂、吊桶、提升電機、旋轉電機、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輸不便的施工作業現場。支架、吊臂等機械部位采用法蘭連接，安全牢固。吊桶采用特殊材質制成。提升電機最大提升距離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意外斷電導致的吊桶失控情況。提升速度24 m/min，運行平穩。提升機構將坑內土方提至超出坑口后，吊臂在旋轉電機的帶動下可大角度水平旋轉，方便吊桶內土方出料。

2 主要功能設計

深基坑作業一體化智能機控制系統結構如圖2所示，主要由主控模塊、顯示單元、送風與氣體檢測系統，互動交互系統組成。在設計系統軟件時，利用可編程邏輯控制器（PLC）實現數據處理，并依托MCGS 工業屏實現顯示與邏輯功能。因此，本控制系統易于使用、維護和修改，有很強的開放性和適用性。

圖2 深基坑作業一體化智能機控制系統圖

2.1 主控模塊

主控裝置設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。根據不同的作業場景，可在控制單元設置適合當前工況的參數，如：最大吊裝重量、提升和下降高度、水平旋轉角度等。

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

2.2 送風與氣體監測單元

為保證深基坑內氧氣含量充足，選用離心式中壓風機向坑內持續送氧。可實現持續100 L/s（國網指導書要求不低于25 L/s）的強制通風，防止窒息、中毒和燃爆。風機采用離心式結構、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。風管選用伸縮軟管，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，布置氣體監測傳感器于深基坑內，實時監測坑內氣體（O2、CO、H2S、可燃氣體CH4）成分和含量。

2.3 顯示與監視單元

顯示屏采用高清液晶顯示，通過布置于一體機本體以及深基坑內的傳感器、微動開關，采集坑內氣體含量、提升機構狀態值、鼓風機運行狀態值、吊桶高度、吊桶內荷重、人員工作時長等數據，實時顯示當前系統工況。選用兩個工業級高清攝像頭，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，實現坑內作業環境及人員狀態監視、作業溝通指揮及遠程視頻監控，強化現場作業管控。

2.4 告警與通信單元

當吊籃內重量超過設置限定值、氧氣含量低于報警值或者監測到有毒有害氣體、人員坑底連續作業超過設定時間時，系統在顯示屏發出告警提示，同時控制面板上的聲光報警燈亮起并輔以高分貝警示音，提示現場人員采取必要措施。

除現場交互外，系統通過提前錄入聯系人手機號碼，可將現場數據通過短信形式，一鍵發送給指定手機，保證遠程通信功能；通過手機終端，可遠程視頻訪問攝像頭，方便檢查監督。

3 工程應用成效分析

該深基坑作業一體化智能裝備通過在某220 kV 輸變電工程現場實際試用，取得了較好的應用效果：

1）安全可靠。對于作業現場存在的施工風險，針對性地采取了防控措施，如表1 所示。

表1 風險及對應防控措施

2）智能高效。開發了一鍵順控操作功能，高效、精準；全過程同屏監控，作業管控有力，滿足基建工程現場管控要求。智能預警功能及時提示現場風險，提高現場管理成效。基坑內外視頻對講，溝通方便高效；監控記錄定時存儲，系統自動預警，減輕臺賬管理負擔。

3）助于文明施工。各組件模塊化集成，易于調整；現場采用定置化布設，便于整理維護；配重塊尺寸標準化設計，便于現場驗核。

4）裝運方便。硬件分塊設計，單重低于35 kg，方便運輸；線纜航空插頭限位連接，拆裝準確簡單；防水設計，適應野外施工環境。