盖挖逆作法钢管柱施工深孔智能防护(UHIS)技术

邬 岩，岳渠德

(1.中铁十五局集团有限公司;2.青岛理工大学)

1 概 述

广深港客运专线福田站位于深圳市行政文化中心，相邻数十栋近200 m 的超高层建筑。在市民中心广场西侧益田路下呈纺锤形南北展开，北端接益田路隧道，南端接深港隧道。全长1 023 m，深32.15 m、宽78.86 m，站场规模4 台8线。地下一层为客流转换层，地下二层为站厅层，地下三层为站台层。为亚洲目前最大的地下高铁车站。根据场地条件和交通疏解要求，划分5 个施工段，分别采用盖挖逆作法及明挖顺作法施工。

福田站共设计盖挖逆作钢管柱110 根(直径Ф1 600)。采用直径2.8 m 深度为34 m 钢套筒围护结构，灌注抗拔桩兼结构柱下桩，车站底板以下设3 m 厚倒梯形承台，钢管柱长度30.047 m。钢管柱吊装入孔后，环形空间只有0.6 m。安全防护是盖挖逆作法钢管柱施工关键技术。

2 柱下桩与钢管柱施工工艺流程

具体工艺流程见图1。

图1 钢管柱施工工艺流程

3 深孔智能防护(UHIS)技术

根据设计要求，钢套筒深度为34 m、直径2.8 m，钢管柱吊装入孔后，环形空间只有0.6 m。为了保证施工质量，施工人员必须进入深孔狭窄空间内进行混凝土凿除、焊接、钢管柱定位等作业。由于作业空间相对闭塞，存在通风不良、粉尘超标、氧气含量不足等风险，极易引发生中暑、窒息，危及健康及生命安全。

结合福田站盖挖逆作钢管立柱施工，研究应用了深孔智能防护技术，确保了在地下30 多m 深孔狭小空间内作业人员安全。

深孔智能防护系统(Underground－deep－Hole Intelligent Safeguard system)由钢套筒、有害气体及氧气含量检测、分散平衡式通风及水雾装置、人员物料升降、个体智能防护、智能报警等部分组成。在钢管柱的施工过程中，深孔智能防护系统工作流程见图2。

图2 深孔智能防护系统(UHIS)工作流程

深孔智能防护(UHIS)技术要点及功能如下:

3.1 钢套筒

直径2.8 m 的钢套筒是钢管柱安装定位的围护结构，是保证施工安全的首要条件。采用壁厚20mm 钢板，在工厂用卷板机卷制、二氧化碳保护焊焊接，分节加工制作，运至现场在滚轮架上进行拼装，采用300 t 履带吊和150 t 履带吊联合整体吊装入孔。

3.2 深孔分散平衡式自动控制通风系统

为确保深孔内工作环境，保证施工人员健康，必须加大通风除尘措施，降低各种作业产生的粉尘和有害气体。根据现场施工流程及人员作业安全等因素，确定自动监测的物理参量并设定报警阀值。主要包括:氧气、粉尘、一氧化碳，二氧化碳以及氮氧化物浓度。

控制指标:深孔氧气含量按体积计，不得低于20%;孔内气温不得超过28 ℃。

工作原理:系统通过中心控制器，对采集到的孔内控制值与设定控制要求值进行比较、判断。当对各项数据经分析判定符合通风指标时，控制系统会自动打开通风窗、顶棚风门，启动风机进行通风。系统采用唯一指标控制，即在通风中，当其中一项指标的监测数据不能满足要求时候，就需要继续通风。而只有当所有的控制指标达到要求后，控制系统会即时发出指令自动停止作业，并关闭风机。

系统设备主要包括通风转换器、轴流风机、行程开关、监测传感器和控制柜等。如图3 所示。

图3 分散平衡式自动控制通风系统

3.3 深孔自动监测水雾降尘装置

自动检测降尘装置主要针对的是施工环境中粉尘的含量进行监测，并通过监测控制设备自动调节降尘设备工作。该工程中采用的设备为光控自动监测降尘设备，是利用喷雾器中的水散射而形成雾粒达到降尘的目的。

控制指标:根据规范要求，粉尘允许浓度每m3空气中含有10%以上游离二氧化硅的粉尘为2 mg;含有10%以下游离二氧化硅的水泥粉尘为6 mg;二氧化硅含量在10%以下，不含有毒物质的矿物性和动植物性的粉尘为10 mg。

工作原理:光控自动监测降尘设备主要由主控机构、检测机构、执行机构3 部分组成。采用光电接收原理，由光控传感器、降噪电路、放大电路、控制电路组成，通过2 条三芯引出线，将两只光信号传感器分别接在水幕的两个方向。当光信号传感器接收到光源(专用光源)信号后，主机即可工作，驱动电磁阀实现喷雾。并设有常开常闭选择功能，灵敏度及延时时间可调。如图4 所示。

图4 自动监测降尘布置装置

装置主机通过传感器反馈信号，分别控制进风和进水两条管路，利用进风管路的压力将降尘用水完全雾化，水雾覆盖面大，配接全断面喷雾器可覆盖整个作业面，降尘效果明显。主机内部设有两套定时控制器:一套为人体感应停喷定时器，实现人来时停止喷雾、人去时恢复喷雾的功能;另一套为微电脑时间控制器，实现分时段、按周期自动喷雾的功能。其原理:(1)当有人通过时，传感器接收信号，主机处理信号，令电动球阀关闭喷雾停止，人离去时喷雾恢复。(2)根据孔内粉尘的含量由作业人员确定喷雾时间的长短和喷雾周期，实现分时段按周期喷雾降尘。

光控自动监测降尘设备适用范围广，安装方便快捷，可用于供风、供水管路接口处安装;主机采用两套时间控制器，时间设定灵活;雾化效果好，水雾覆盖面大，降尘效果明显。使深孔内产生的粉尘得到了有效的控制，作业环境大大改善。

3.4 有害气体自动监测报警仪器

钢管柱底部为钢筋混凝土桩，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，钢管柱定位电焊作业时产生弧光辐射、金属烟尘和有害气体，以上有害气体超标会对人体造成伤害。

控制指标:一氧化碳不大于30 mg/m3。二氧化碳按体积计，不超过0.5%;氮氧化物换算成NO2为5 mg/m3以下。

监测装置:根据目前一氧化碳、二氧化碳和氮氧化物等有害气体监测的技术和设备的特点，分别采用了具有针对性的技术设备。

(1)一氧化碳和二氧化碳监测。

采用英国产GMI VISA 四合一气体检测仪。该种装置主要针对的是甲烷、硫化氢、一氧化碳和氧气。量程参数为0 ～100%CH4;0 ～100 ppmH2S;0 ～10 ppmCO，0 ～25%O2。该装置为全自动型，可根据需要调节报警指标，并有自动报警的功能，而且精度高。

(2)氮氧化物监测。

采用瑞典OPSIS AB 公司的双光路DOAS AQM 系统——AR500 系统。DOAS 系统(Differential Optical Absorption Spectroscopy，DOAS)，利用气体分子对光能产生吸收的基本原理来测量大气中所含气体分子的种类及浓度。DOAS系统测量的是一段光程气体的平均浓度。DOAS 系统对二氧化氮的测量值，最低检测限值为1 μg/m3。

3.5 孔内作业人员配备个体防护、智能报警器

为了实时的把握深孔内狭窄空间施工人员作业的身体状态，本工程除了采用相关设备对环境进行监测外，还应用了生命体征实时监视系统，该系统能对体温、脉搏等生理机能指标进行实时监测，并反馈到监控中心，用以评价一线作业人员的身体状态，以便在异常情况下采取有效措施撤离作业面或实施救援。

该系统是在ARM 微处理器的控制下，利用前端传感器将生理状态数据转换为电信号，它定时的通过体温采集模块和脉搏数据采集模块采集体温和脉搏数据，对数据进行处理。若发现施工人员生理指标超出正常的范围，发出警报声提示。系统总体结构如图5 所示。

图5 生命体征监测系统架构

体温测量采用Dallas 公司的DS18B20 提供12 位(二进制)温度测试器件。在温度30 ～40 ℃之间，DS18B20 的平均误差小于0.2 ℃，且分辨率可达到0.1 ℃。脉搏测量采用的脉搏测量传感器为HKG－07A 红外脉搏传感器。HKG－07A红外脉搏传感器利用红外线检测由于心脏跳动而引起的手指尖内微血管容积发生的变化，经过信号放大、调理、整形输出同步于脉搏跳动的脉冲信号，从而计算出脉率。

3.6 低压智能照明装置

为保证孔内作业人员避免触电危险，孔内照明采用36V安全电压，采用电缆安全电压智能照明装置，主要包括有电闸、变压器。

本装置主要特点有电缆安全电压智能照明装置相间接有串联电路;变压器为星形—三角形变压器，其输出为36 V;在每相间的串联电路数等于或大于1，串联电路为开关、照明灯串联连接的电路;开关为智能型低压人体感应开关。在靠近障碍物的两个相邻串联电路的照明灯是并联连接的。

该装置具有如下优点:工作十分安全、节约材料降低成本、施工规范符合规程要求、节约电能、施工方便效率高、寿命长。

3.7 井内人员物料升降系统

为保障作业人员上下安全和便于施工机具和材料运输，本工程采用了专门的升降系统。包括专用的提升架、吊笼、安全绳、安全带、安全爬梯等。

因孔内空间狭小，提升架固定于孔口，架体底座通过地锚固定于地面，并上压重物。钢丝绳在班前和班中进行检查，发现磨损、扭曲严重或断丝率超过规范要求立即进行更换。吊笼根据孔内空间大小特别制作，吊笼上的焊点和吊环、卡扣在班前合和班中进行检查，如有安全隐患立即进行补焊或更换处理。

每次作业人员下井时，腰间必须牢系安全带，并将安全绳与安全带相连。安全绳与吊笼下放同速，安全绳固定于孔口，通过专门的辘轳来控制。在井壁悬挂安全爬梯，在突然停电或有其他紧急情况下确保施工人员能够及时升井。

4 小 结

深孔智能防护(UHIS)盖挖逆作钢管柱施工技术有效的解决了在狭小空间30 多m 深孔内作业人员安全，具有良好的可操作性和广泛的适宜性。

［1］钢管混凝土结构设计与施工规程(CECS28:90)［S］.

［2］建筑机械使用安全技术规程(GJ33－2001)［S］.

［3］履带式起重机相关技术文件(QUY70、QUY260)［S］.