一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

王記住,梁會(huì)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(shè)工程中,鐵塔基礎(chǔ)深基坑作業(yè)是基礎(chǔ)性強(qiáng)、工作量較大且危險(xiǎn)程度高的工序之一。現(xiàn)階段針對(duì)電力行業(yè)深基坑作業(yè)專用設(shè)施的研究仍處于比較落后的水平,標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)備應(yīng)用處于空白狀態(tài)[1-2]。為避免事故的發(fā)生,施工單位大多依賴現(xiàn)場(chǎng)工作人員的經(jīng)驗(yàn)和自身預(yù)警,但這種方法實(shí)施性不強(qiáng),可能會(huì)造成人員窒息傷亡事件。因此,依靠設(shè)備主動(dòng)發(fā)現(xiàn)危險(xiǎn)并預(yù)警,同時(shí)主動(dòng)采取相關(guān)有效措施,提供更多的安全性功能加強(qiáng)保護(hù)、減少人員傷亡,是一項(xiàng)迫在眉睫的重點(diǎn)研究工作[3]。本文提出一種一體化深基坑作業(yè)智能機(jī),采用標(biāo)準(zhǔn)化、適應(yīng)廣的架體以及融合了氣體檢測(cè)報(bào)警、智能送風(fēng)、照明監(jiān)控功能的控制系統(tǒng),形成了一種主、被動(dòng)安全防護(hù)完善,作業(yè)效率高的一體化智能型深基坑作業(yè)裝置。

1 智能機(jī)基本要求

現(xiàn)有的深基坑作業(yè)設(shè)備多為施工現(xiàn)場(chǎng)臨時(shí)自制的不規(guī)范簡(jiǎn)易焊接架體,大多不具備任何安全防護(hù)功能。同時(shí),需要專職的安全員通過(guò)手持設(shè)備同時(shí)對(duì)多個(gè)深基坑施工現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行氣體濃度及基坑內(nèi)部作業(yè)情況進(jìn)行輪流巡視。受制于安全人員的數(shù)量以及檢測(cè)設(shè)施的不足,難以對(duì)所有深基坑作業(yè)點(diǎn)做到及時(shí)完善的安全防護(hù)。而一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)集成了電動(dòng)提料、吊運(yùn)、實(shí)時(shí)氣體檢測(cè)、智能送風(fēng)、自動(dòng)聲光報(bào)警、照明電源等多個(gè)實(shí)用功能,是一種運(yùn)輸、安裝、操作便捷化,功能多元化、集成化,控制智能化的設(shè)備。通過(guò)工序前檢測(cè)預(yù)防,工序中實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),事故后方便救援三個(gè)維度全面保障深基坑施工作業(yè)人員的生命安全,提高施工的安全性。同時(shí),可軸向移動(dòng)的吊運(yùn)系統(tǒng)以及整體模塊化的設(shè)計(jì),提高了效率,縮短了作業(yè)和輔助作業(yè)時(shí)長(zhǎng)。

一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)主要由支架、提升裝置、監(jiān)控裝置、通風(fēng)系統(tǒng)和控制箱5部分組成。結(jié)構(gòu)如圖1所示。提升機(jī)支架為桁架結(jié)構(gòu),該結(jié)構(gòu)主要由4根支腿、頂部電動(dòng)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(dòng)葫蘆橫梁為工字鋼。工字鋼橫梁上安裝一個(gè)電動(dòng)葫蘆,其可沿橫梁軸向移動(dòng),以滿足從基坑內(nèi)提升重物并移動(dòng)重物至坑口外的要求。監(jiān)控裝置可以對(duì)基坑多項(xiàng)氣體含量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控并在氣體含量超警戒范圍后及時(shí)報(bào)警,監(jiān)控裝置的攝像頭可在基坑外對(duì)基坑內(nèi)工作狀況進(jìn)行監(jiān)視和記錄。通風(fēng)系統(tǒng)可不間斷地向基坑內(nèi)鼓入新鮮空氣,以保證基坑內(nèi)施工人員呼吸。一體機(jī)的主要控制功能都集成在控制箱面板上,方便基坑外的監(jiān)護(hù)人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)異常并采取相應(yīng)的安全措施。

圖1 一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)

一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)的主要性能指標(biāo),見(jiàn)表1。

表1 一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)主要性能指標(biāo)

2 結(jié)構(gòu)與功能設(shè)計(jì)

2.1 支架

一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)詳細(xì)功能和結(jié)構(gòu)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(shè)置有軟梯、差速器、應(yīng)急救援掛點(diǎn),特別是應(yīng)急救援掛點(diǎn)的設(shè)置,當(dāng)坑內(nèi)發(fā)生意外時(shí),方便營(yíng)救人員快速、安全地進(jìn)入坑內(nèi)進(jìn)行施救,而傳統(tǒng)的坑口支架不具備該功能。搬運(yùn)至基坑正上方后,4根支腳需用鋼釬錨固,底部四周需裝設(shè)安全圍擋。4根支腿上設(shè)置有調(diào)節(jié)絲杠,可通過(guò)調(diào)節(jié)絲杠的長(zhǎng)短來(lái)調(diào)節(jié)橫梁的平衡。同時(shí)該設(shè)計(jì)使整個(gè)架體可拆解成較小的部件,包裝長(zhǎng)度小于1 200 mm,方便運(yùn)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(dòng)葫蘆的軌道使用。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際吊重需求,選用額定吊重為300 kg/600 kg電動(dòng)葫蘆,該電動(dòng)葫蘆為市售通用產(chǎn)品,后期維護(hù)方便,見(jiàn)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(shí)最大吊重為300 kg,雙繩起吊時(shí)最大吊重為600 kg。安裝時(shí)將電動(dòng)葫蘆懸掛于工字鋼的下端即可,可使用有線遙控或無(wú)線遙控分別控制卷?yè)P(yáng)機(jī)和小車電機(jī)運(yùn)行,使其上、下、左、右運(yùn)動(dòng),確保其回到正常工作位置,并在頂部限位開(kāi)關(guān)到位后,即可正常起吊作業(yè)。

圖3 提升裝置

2.3 監(jiān)控裝置

監(jiān)控裝置具有氣體檢測(cè)、照明和攝像監(jiān)控功能,見(jiàn)圖4。氣體檢測(cè)部分可監(jiān)測(cè)當(dāng)前環(huán)境下的氧氣(O2)、總可燃?xì)怏w(TCG)、一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)等氣體含量并在顯示屏上實(shí)時(shí)顯示,同時(shí)可人為設(shè)定氣體檢測(cè)儀的氧氣、可燃?xì)怏w、一氧化碳、硫化氫等氣體含量報(bào)警值。一般情況下15%的氧含量可視為在不影響行動(dòng)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(huì)隨之降低,海拔每升高1 000 m,空氣含氧量下降1.6%。設(shè)備默認(rèn)設(shè)置的氧氣含量低報(bào)值為15%,在非高原地區(qū)施工作業(yè),可以使用15%的低報(bào)值,在高原地區(qū)作業(yè),根據(jù)當(dāng)?shù)睾０魏侠碓O(shè)置氧含量低報(bào)值,以防頻繁誤報(bào)。其他幾種氣體的含量低報(bào)值、高報(bào)值等可根據(jù)實(shí)際情況設(shè)定。氣體監(jiān)控裝置上設(shè)有獨(dú)立的緊急按鈕,當(dāng)基坑內(nèi)的人員有緊急情況發(fā)生時(shí),可按下緊急按鈕,面板上的報(bào)警器發(fā)出聲光報(bào)警。同時(shí)監(jiān)控裝置上設(shè)有照明燈,當(dāng)基坑中的光線不足時(shí),可通過(guò)面板上的開(kāi)關(guān)開(kāi)啟照明燈,使基坑內(nèi)的光線充足,保障安全作業(yè)。除此之外,監(jiān)控裝置的攝像頭可將基坑內(nèi)的實(shí)時(shí)情況通過(guò)面板上的顯示器顯示,一旦坑內(nèi)有緊急情況發(fā)生,可由地面上的操作人員及時(shí)發(fā)現(xiàn)并施救。

圖4 監(jiān)控裝置

2.4 通風(fēng)系統(tǒng)

為保障基坑內(nèi)部不間斷的空氣循環(huán),一體機(jī)采用主動(dòng)式通風(fēng)。經(jīng)過(guò)調(diào)研,大部分深基坑深度均在20 m以內(nèi),即最大深度hmax=20 m。按空氣密度ρa(bǔ)=1.293 kg/m3計(jì)算,為保證坑底通風(fēng)順暢,通過(guò)公式(1)可得風(fēng)機(jī)提供的風(fēng)壓Pb應(yīng)不小于258.6 Pa。

即Pb≥258.6 Pa。

同時(shí)為保證基坑內(nèi)空氣在10 min內(nèi)循環(huán)一次[4],即循環(huán)時(shí)間Tc=10 min。按基坑最大直徑D為3 m,最大深度hmax=20 m計(jì)算,通過(guò)下式可得送風(fēng)量Ca應(yīng)不小于847.8 m3/h。

即Ca≥847.8 m3/h。

因此一體機(jī)適配的通風(fēng)系統(tǒng)選用外轉(zhuǎn)子離心式中壓風(fēng)機(jī),可提供375 Pa風(fēng)壓以及900 m3/h送風(fēng)量,送風(fēng)風(fēng)管為內(nèi)徑75 mm2的可伸縮軟管,見(jiàn)圖5。

圖5 轉(zhuǎn)子離心式中壓風(fēng)機(jī)

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(cè)儀的多功能控制柜顯示屏,顯示屏上可顯示當(dāng)前環(huán)境下的4種氣體含量以及每種氣體的一、二級(jí)報(bào)警指示燈?！罢！敝甘緹舯硎練怏w的含量為正常值,“一級(jí)報(bào)警、二級(jí)報(bào)警”指示燈表示氣體濃度超出報(bào)警設(shè)置閾值。顯示屏下面提供部分功能按鍵,分別為“上”、“下”、“設(shè)置”、“確定”、“退出”5個(gè)按鍵,按鍵可設(shè)置氣體的報(bào)警值。

當(dāng)檢測(cè)出基坑內(nèi)一種或多種氣體濃度超出設(shè)定值時(shí),發(fā)出聲光報(bào)警,并啟動(dòng)送風(fēng)機(jī)送風(fēng),當(dāng)監(jiān)測(cè)正常時(shí),送風(fēng)機(jī)停止工作。

多功能控制柜顯示器下方分別為應(yīng)急報(bào)警指示、風(fēng)機(jī)定時(shí),氣體報(bào)警指示等。應(yīng)急報(bào)警燈亮起時(shí),說(shuō)明基坑中的人員有緊急情況。風(fēng)機(jī)定時(shí)器是手動(dòng)操作風(fēng)機(jī),當(dāng)工作前需要向基坑內(nèi)輸送空氣時(shí),可以設(shè)定供風(fēng)時(shí)間。氣體報(bào)警指當(dāng)基坑內(nèi)的任意一種或多種氣體超出設(shè)定值時(shí),氣體報(bào)警發(fā)出聲光報(bào)警。

面板右上方的攝像頭顯示器顯示基坑中實(shí)時(shí)畫(huà)面。顯示器下方為電源總開(kāi)關(guān)、電葫蘆開(kāi)關(guān)、風(fēng)機(jī)開(kāi)關(guān)、備用電源。

圖6 控制箱面板

3 主要結(jié)構(gòu)力學(xué)校驗(yàn)

井口支架為一體機(jī)中最重要的受力部件。除架體外只有提升機(jī)構(gòu)中的電動(dòng)葫蘆參與受力,而電動(dòng)葫蘆作為市售通用產(chǎn)品,其承載能力已通過(guò)質(zhì)量檢驗(yàn)監(jiān)督部門的認(rèn)定,因此不對(duì)其進(jìn)行額外的力學(xué)校核。綜上所述,以下只對(duì)支架通過(guò)有限元分析進(jìn)行力學(xué)校核。

ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的商業(yè)工程模擬有限元軟件,可以解決相對(duì)簡(jiǎn)單的線性分析和許多復(fù)雜的非線性問(wèn)題。ABAQUS包括豐富的、可模擬任意幾何形狀的單元庫(kù),并擁有各種類型的材料模型庫(kù)。本文提及的井口支架結(jié)構(gòu)為桁架結(jié)構(gòu),主要構(gòu)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(zhì)為Q235B,可以采用軟件中提供的本構(gòu)關(guān)系[5]。

支架建模如圖7所示。立柱中間的調(diào)節(jié)絲杠為M42實(shí)心螺紋,由于截面積和抗彎截面模量均優(yōu)于其連接的φ48 mm×3 mm鋼管,因此建模時(shí)將調(diào)節(jié)絲杠部分簡(jiǎn)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(diǎn)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(jìn)行網(wǎng)格劃分,設(shè)置網(wǎng)格密度為50。對(duì)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(shí)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(duì)于橫梁部分,由于為開(kāi)口截面,因此單元選擇為B31OS。

經(jīng)過(guò)計(jì)算后,該結(jié)構(gòu)應(yīng)力云圖如圖8所示。從該圖可以看出結(jié)構(gòu)的最大應(yīng)力為76.53 MPa。對(duì)于Q235材質(zhì)按3倍安全系數(shù)計(jì)算,其許用應(yīng)力[σ]=78.33 MPa,大于結(jié)構(gòu)中出現(xiàn)的最大應(yīng)力,因此該結(jié)構(gòu)安全[6]。

圖8 應(yīng)力云圖

4 應(yīng)用及效果

2021年5月,一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)在白鶴灘-江蘇±800 k V特高壓直流輸電線路工程某標(biāo)段挖孔基礎(chǔ)、巖石基礎(chǔ)進(jìn)行了工程應(yīng)用。

在該工程中對(duì)一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)的各項(xiàng)功能進(jìn)行了試驗(yàn)。架體部分在現(xiàn)場(chǎng)組裝方便快捷,對(duì)該工程中的各尺寸的坑口都可良好適配,調(diào)整簡(jiǎn)便。土方吊運(yùn)過(guò)程運(yùn)行平穩(wěn),驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度以及電動(dòng)葫蘆的負(fù)載能力,同時(shí),電動(dòng)葫蘆的軸向移動(dòng)功能可以快速穩(wěn)定地將提至坑口正上方的土方移動(dòng)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(duì)于氣體檢測(cè)部分采用與手持氣體檢測(cè)儀檢測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)比,經(jīng)過(guò)多次測(cè)量,一體機(jī)與手持氣體檢測(cè)儀誤差較小。照明和攝像部分經(jīng)驗(yàn)證,可滿足監(jiān)控要求。關(guān)于通風(fēng)系統(tǒng)的驗(yàn)證,由于測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)基坑內(nèi)氣體沒(méi)有超標(biāo)現(xiàn)象,因此將系統(tǒng)中氧氣低報(bào)值設(shè)置到30%(高于正常空氣中氧濃度),開(kāi)機(jī)后控制箱上的警報(bào)器報(bào)警,同時(shí)通風(fēng)系統(tǒng)自動(dòng)啟動(dòng),通風(fēng)和警示效果良好。最后,現(xiàn)場(chǎng)對(duì)軟梯、差速器、應(yīng)急救援掛點(diǎn)按照實(shí)際使用方式進(jìn)行了試驗(yàn),均可實(shí)現(xiàn)相應(yīng)的設(shè)計(jì)功能。

5 結(jié)束語(yǔ)

與傳統(tǒng)的深基坑施工方式相比,本文研制的一體化深基坑作業(yè)智能機(jī)不僅是施工方法上的創(chuàng)新,更是安全防護(hù)上的創(chuàng)新。

首先,在主體結(jié)構(gòu)上,一體機(jī)采用桁架結(jié)構(gòu)作為井口提升支架,整體結(jié)構(gòu)剛度強(qiáng)度高、施工便捷、可適應(yīng)輸電線路施工中各種深基坑。同時(shí)通過(guò)合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以實(shí)現(xiàn)快速拼裝,減小運(yùn)輸尺寸,綜合降低了使用成本。

其次,在安全防護(hù)上,一體機(jī)從事前預(yù)防,事中檢測(cè),事后營(yíng)救三方面進(jìn)行安全防護(hù)。第一,在施工前,設(shè)備可對(duì)坑內(nèi)氣體質(zhì)量進(jìn)行預(yù)防性檢測(cè),以防止施工人員首次進(jìn)入坑內(nèi)后,發(fā)生窒息或中毒現(xiàn)象。第二,在施工中,設(shè)備對(duì)操作面等高度的氣體質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),一旦有氣體濃度超標(biāo),設(shè)備將自動(dòng)報(bào)警并打開(kāi)通風(fēng)系統(tǒng),送入新鮮空氣;同時(shí)監(jiān)控?cái)z像頭不間斷的將基坑內(nèi)實(shí)時(shí)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(xiǎn)措施。第三,在事故發(fā)生后的應(yīng)急救援過(guò)程中,一體機(jī)提供了相應(yīng)的應(yīng)急救援掛點(diǎn)、爬梯掛點(diǎn),讓營(yíng)救工作更順暢安全?？傮w上來(lái)看,一體機(jī)對(duì)于坑內(nèi)的整個(gè)施工工序做到了可預(yù)防、可感知、可通風(fēng)自救、可事后救援,相比于傳統(tǒng)的監(jiān)護(hù)方式,一體機(jī)經(jīng)過(guò)各項(xiàng)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(jī)為基坑開(kāi)挖施工提供了一種更加安全化、標(biāo)準(zhǔn)化的選擇。未來(lái)會(huì)有更加廣闊的應(yīng)用前景,也必將取得良好的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。