一體化深基坑作業智能機的設計與應用

王記住,梁會永,田 冬,尹泉軍,焦中圈

(河北省送變電有限公司,石家莊 050051)

電力建設工程中,鐵塔基礎深基坑作業是基礎性強、工作量較大且危險程度高的工序之一?，F階段針對電力行業深基坑作業專用設施的研究仍處于比較落后的水平,標準化設備應用處于空白狀態[1-2]。為避免事故的發生,施工單位大多依賴現場工作人員的經驗和自身預警,但這種方法實施性不強,可能會造成人員窒息傷亡事件。因此,依靠設備主動發現危險并預警,同時主動采取相關有效措施,提供更多的安全性功能加強保護、減少人員傷亡,是一項迫在眉睫的重點研究工作[3]。本文提出一種一體化深基坑作業智能機,采用標準化、適應廣的架體以及融合了氣體檢測報警、智能送風、照明監控功能的控制系統,形成了一種主、被動安全防護完善,作業效率高的一體化智能型深基坑作業裝置。

1 智能機基本要求

現有的深基坑作業設備多為施工現場臨時自制的不規范簡易焊接架體,大多不具備任何安全防護功能。同時,需要專職的安全員通過手持設備同時對多個深基坑施工現場進行氣體濃度及基坑內部作業情況進行輪流巡視。受制于安全人員的數量以及檢測設施的不足,難以對所有深基坑作業點做到及時完善的安全防護。而一體化深基坑作業智能機集成了電動提料、吊運、實時氣體檢測、智能送風、自動聲光報警、照明電源等多個實用功能,是一種運輸、安裝、操作便捷化,功能多元化、集成化,控制智能化的設備。通過工序前檢測預防,工序中實時監測,事故后方便救援三個維度全面保障深基坑施工作業人員的生命安全,提高施工的安全性。同時,可軸向移動的吊運系統以及整體模塊化的設計,提高了效率,縮短了作業和輔助作業時長。

一體化深基坑作業智能機主要由支架、提升裝置、監控裝置、通風系統和控制箱5部分組成。結構如圖1所示。提升機支架為桁架結構,該結構主要由4根支腿、頂部電動葫蘆橫梁、4根中部橫梁和4根底部橫梁組成。其中4根支腿及中底部橫梁截面為鋼管,頂部電動葫蘆橫梁為工字鋼。工字鋼橫梁上安裝一個電動葫蘆,其可沿橫梁軸向移動,以滿足從基坑內提升重物并移動重物至坑口外的要求。監控裝置可以對基坑多項氣體含量進行實時監控并在氣體含量超警戒范圍后及時報警,監控裝置的攝像頭可在基坑外對基坑內工作狀況進行監視和記錄。通風系統可不間斷地向基坑內鼓入新鮮空氣,以保證基坑內施工人員呼吸。一體機的主要控制功能都集成在控制箱面板上,方便基坑外的監護人員及時發現異常并采取相應的安全措施。

圖1 一體化深基坑作業智能機

一體化深基坑作業智能機的主要性能指標,見表1。

表1 一體化深基坑作業智能機主要性能指標

2 結構與功能設計

2.1 支架

一體化深基坑作業智能機詳細功能和結構如圖2所示?；泳谥Ъ?采用直徑48 mm,壁厚3 mm的Q235B焊縫鋼管搭建,鋼管之間使用鉸鏈、螺栓鏈接,設置有軟梯、差速器、應急救援掛點,特別是應急救援掛點的設置,當坑內發生意外時,方便營救人員快速、安全地進入坑內進行施救,而傳統的坑口支架不具備該功能。搬運至基坑正上方后,4根支腳需用鋼釬錨固,底部四周需裝設安全圍擋。4根支腿上設置有調節絲杠,可通過調節絲杠的長短來調節橫梁的平衡。同時該設計使整個架體可拆解成較小的部件,包裝長度小于1 200 mm,方便運輸。

圖2 基坑井口支架主視圖

2.2 提升裝置

架體上部的工字鋼橫梁作為電動葫蘆的軌道使用。根據現場實際吊重需求,選用額定吊重為300 kg/600 kg電動葫蘆,該電動葫蘆為市售通用產品,后期維護方便,見圖3。其功率1 200 W,具有斷電剎車功能及行走功能,單繩起吊時最大吊重為300 kg,雙繩起吊時最大吊重為600 kg。安裝時將電動葫蘆懸掛于工字鋼的下端即可,可使用有線遙控或無線遙控分別控制卷揚機和小車電機運行,使其上、下、左、右運動,確保其回到正常工作位置,并在頂部限位開關到位后,即可正常起吊作業。

圖3 提升裝置

2.3 監控裝置

監控裝置具有氣體檢測、照明和攝像監控功能,見圖4。氣體檢測部分可監測當前環境下的氧氣(O2)、總可燃氣體(TCG)、一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)等氣體含量并在顯示屏上實時顯示,同時可人為設定氣體檢測儀的氧氣、可燃氣體、一氧化碳、硫化氫等氣體含量報警值。一般情況下15%的氧含量可視為在不影響行動力、判斷力的前提下,人體能夠承受的最低氧含量閾值。隨著海拔的升高,空氣中氧含量也會隨之降低,海拔每升高1 000 m,空氣含氧量下降1.6%。設備默認設置的氧氣含量低報值為15%,在非高原地區施工作業,可以使用15%的低報值,在高原地區作業,根據當地海拔合理設置氧含量低報值,以防頻繁誤報。其他幾種氣體的含量低報值、高報值等可根據實際情況設定。氣體監控裝置上設有獨立的緊急按鈕,當基坑內的人員有緊急情況發生時,可按下緊急按鈕,面板上的報警器發出聲光報警。同時監控裝置上設有照明燈,當基坑中的光線不足時,可通過面板上的開關開啟照明燈,使基坑內的光線充足,保障安全作業。除此之外,監控裝置的攝像頭可將基坑內的實時情況通過面板上的顯示器顯示,一旦坑內有緊急情況發生,可由地面上的操作人員及時發現并施救。

圖4 監控裝置

2.4 通風系統

為保障基坑內部不間斷的空氣循環,一體機采用主動式通風。經過調研,大部分深基坑深度均在20 m以內,即最大深度hmax=20 m。按空氣密度ρa=1.293 kg/m3計算,為保證坑底通風順暢,通過公式(1)可得風機提供的風壓Pb應不小于258.6 Pa。

即Pb≥258.6 Pa。

同時為保證基坑內空氣在10 min內循環一次[4],即循環時間Tc=10 min。按基坑最大直徑D為3 m,最大深度hmax=20 m計算,通過下式可得送風量Ca應不小于847.8 m3/h。

即Ca≥847.8 m3/h。

因此一體機適配的通風系統選用外轉子離心式中壓風機,可提供375 Pa風壓以及900 m3/h送風量,送風風管為內徑75 mm2的可伸縮軟管,見圖5。

圖5 轉子離心式中壓風機

2.5 控制箱

控制儀表箱面板如圖6所示,面板左上方為四合一氣體檢測儀的多功能控制柜顯示屏,顯示屏上可顯示當前環境下的4種氣體含量以及每種氣體的一、二級報警指示燈?！罢！敝甘緹舯硎練怏w的含量為正常值,“一級報警、二級報警”指示燈表示氣體濃度超出報警設置閾值。顯示屏下面提供部分功能按鍵,分別為“上”、“下”、“設置”、“確定”、“退出”5個按鍵,按鍵可設置氣體的報警值。

當檢測出基坑內一種或多種氣體濃度超出設定值時,發出聲光報警,并啟動送風機送風,當監測正常時,送風機停止工作。

多功能控制柜顯示器下方分別為應急報警指示、風機定時,氣體報警指示等。應急報警燈亮起時,說明基坑中的人員有緊急情況。風機定時器是手動操作風機,當工作前需要向基坑內輸送空氣時,可以設定供風時間。氣體報警指當基坑內的任意一種或多種氣體超出設定值時,氣體報警發出聲光報警。

面板右上方的攝像頭顯示器顯示基坑中實時畫面。顯示器下方為電源總開關、電葫蘆開關、風機開關、備用電源。

圖6 控制箱面板

3 主要結構力學校驗

井口支架為一體機中最重要的受力部件。除架體外只有提升機構中的電動葫蘆參與受力,而電動葫蘆作為市售通用產品,其承載能力已通過質量檢驗監督部門的認定,因此不對其進行額外的力學校核。綜上所述,以下只對支架通過有限元分析進行力學校核。

ABAQUS是一套功能強大的商業工程模擬有限元軟件,可以解決相對簡單的線性分析和許多復雜的非線性問題。ABAQUS包括豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫,并擁有各種類型的材料模型庫。本文提及的井口支架結構為桁架結構,主要構件的截面為圓管或槽鋼,可采用ABAQUS軟件中的B系列單元模擬。因材質為Q235B,可以采用軟件中提供的本構關系[5]。

支架建模如圖7所示。立柱中間的調節絲杠為M42實心螺紋,由于截面積和抗彎截面模量均優于其連接的φ48 mm×3 mm鋼管,因此建模時將調節絲杠部分簡化為與上下等截面的鋼管。在邊界條件上,在4根立柱根部施加固定約束;工況上,考慮2種極端情況,1種是在槽鋼中點施加6 000 N集中力荷載,另一種是在懸臂自由端施加6 000 N的集中力荷載。

圖7 支架模型

將以上模型進行網格劃分,設置網格密度為50。對于鋼管部分,單元選擇為B31單元,B31單元是鐵木辛柯梁的一種,同時是一種三維的一階單元,并允許有橫向的剪切變形,因此可以很好的適配支架中的鋼管部分;對于橫梁部分,由于為開口截面,因此單元選擇為B31OS。

經過計算后,該結構應力云圖如圖8所示。從該圖可以看出結構的最大應力為76.53 MPa。對于Q235材質按3倍安全系數計算,其許用應力[σ]=78.33 MPa,大于結構中出現的最大應力,因此該結構安全[6]。

圖8 應力云圖

4 應用及效果

2021年5月,一體化深基坑作業智能機在白鶴灘-江蘇±800 k V特高壓直流輸電線路工程某標段挖孔基礎、巖石基礎進行了工程應用。

在該工程中對一體化深基坑作業智能機的各項功能進行了試驗。架體部分在現場組裝方便快捷,對該工程中的各尺寸的坑口都可良好適配,調整簡便。土方吊運過程運行平穩,驗證了該結構的強度、剛度以及電動葫蘆的負載能力,同時,電動葫蘆的軸向移動功能可以快速穩定地將提至坑口正上方的土方移動至坑口外的傾倒處,比原有的提土后人工移出土方傾倒的方式提高了效率。

對于氣體檢測部分采用與手持氣體檢測儀檢測數據對比,經過多次測量,一體機與手持氣體檢測儀誤差較小。照明和攝像部分經驗證,可滿足監控要求。關于通風系統的驗證,由于測試現場基坑內氣體沒有超標現象,因此將系統中氧氣低報值設置到30%(高于正?？諝庵醒鯘舛?,開機后控制箱上的警報器報警,同時通風系統自動啟動,通風和警示效果良好。最后,現場對軟梯、差速器、應急救援掛點按照實際使用方式進行了試驗,均可實現相應的設計功能。

5 結束語

與傳統的深基坑施工方式相比,本文研制的一體化深基坑作業智能機不僅是施工方法上的創新,更是安全防護上的創新。

首先,在主體結構上,一體機采用桁架結構作為井口提升支架,整體結構剛度強度高、施工便捷、可適應輸電線路施工中各種深基坑。同時通過合理的結構設計可以實現快速拼裝,減小運輸尺寸,綜合降低了使用成本。

其次,在安全防護上,一體機從事前預防,事中檢測,事后營救三方面進行安全防護。第一,在施工前,設備可對坑內氣體質量進行預防性檢測,以防止施工人員首次進入坑內后,發生窒息或中毒現象。第二,在施工中,設備對操作面等高度的氣體質量進行實時檢測,一旦有氣體濃度超標,設備將自動報警并打開通風系統,送入新鮮空氣;同時監控攝像頭不間斷的將基坑內實時情況反饋至坑外的操作人員,一旦有異常狀況,可采取緊急避險措施。第三,在事故發生后的應急救援過程中,一體機提供了相應的應急救援掛點、爬梯掛點,讓營救工作更順暢安全?？傮w上來看,一體機對于坑內的整個施工工序做到了可預防、可感知、可通風自救、可事后救援,相比于傳統的監護方式,一體機經過各項安防功能的綜合,做到了安全性的整體可控。

本文研制的一體機為基坑開挖施工提供了一種更加安全化、標準化的選擇。未來會有更加廣闊的應用前景,也必將取得良好的經濟效益和社會效益。