一体化深基坑作业智能机的设计与应用
时间：2023-03-03 16:10:06 来源：千叶帆 本文已影响人
王记住,梁会永,田 冬,尹泉军,焦中圈
(河北省送变电有限公司,石家庄 050051)
电力建设工程中,铁塔基础深基坑作业是基础性强、工作量较大且危险程度高的工序之一。现阶段针对电力行业深基坑作业专用设施的研究仍处于比较落后的水平,标准化设备应用处于空白状态[1-2]。为避免事故的发生,施工单位大多依赖现场工作人员的经验和自身预警,但这种方法实施性不强,可能会造成人员窒息伤亡事件。因此,依靠设备主动发现危险并预警,同时主动采取相关有效措施,提供更多的安全性功能加强保护、减少人员伤亡,是一项迫在眉睫的重点研究工作[3]。本文提出一种一体化深基坑作业智能机,采用标准化、适应广的架体以及融合了气体检测报警、智能送风、照明监控功能的控制系统,形成了一种主、被动安全防护完善,作业效率高的一体化智能型深基坑作业装置。
现有的深基坑作业设备多为施工现场临时自制的不规范简易焊接架体,大多不具备任何安全防护功能。同时,需要专职的安全员通过手持设备同时对多个深基坑施工现场进行气体浓度及基坑内部作业情况进行轮流巡视。受制于安全人员的数量以及检测设施的不足,难以对所有深基坑作业点做到及时完善的安全防护。而一体化深基坑作业智能机集成了电动提料、吊运、实时气体检测、智能送风、自动声光报警、照明电源等多个实用功能,是一种运输、安装、操作便捷化,功能多元化、集成化,控制智能化的设备。通过工序前检测预防,工序中实时监测,事故后方便救援三个维度全面保障深基坑施工作业人员的生命安全,提高施工的安全性。同时,可轴向移动的吊运系统以及整体模块化的设计,提高了效率,缩短了作业和辅助作业时长。
一体化深基坑作业智能机主要由支架、提升装置、监控装置、通风系统和控制箱5部分组成。结构如图1所示。提升机支架为桁架结构,该结构主要由4根支腿、顶部电动葫芦横梁、4根中部横梁和4根底部横梁组成。其中4根支腿及中底部横梁截面为钢管,顶部电动葫芦横梁为工字钢。工字钢横梁上安装一个电动葫芦,其可沿横梁轴向移动,以满足从基坑内提升重物并移动重物至坑口外的要求。监控装置可以对基坑多项气体含量进行实时监控并在气体含量超警戒范围后及时报警,监控装置的摄像头可在基坑外对基坑内工作状况进行监视和记录。通风系统可不间断地向基坑内鼓入新鲜空气,以保证基坑内施工人员呼吸。一体机的主要控制功能都集成在控制箱面板上,方便基坑外的监护人员及时发现异常并采取相应的安全措施。
图1 一体化深基坑作业智能机
一体化深基坑作业智能机的主要性能指标,见表1。
表1 一体化深基坑作业智能机主要性能指标
2.1 支架
一体化深基坑作业智能机详细功能和结构如图2所示。基坑井口支架,采用直径48 mm,壁厚3 mm的Q235B焊缝钢管搭建,钢管之间使用铰链、螺栓链接,设置有软梯、差速器、应急救援挂点,特别是应急救援挂点的设置,当坑内发生意外时,方便营救人员快速、安全地进入坑内进行施救,而传统的坑口支架不具备该功能。搬运至基坑正上方后,4根支脚需用钢钎锚固,底部四周需装设安全围挡。4根支腿上设置有调节丝杠,可通过调节丝杠的长短来调节横梁的平衡。同时该设计使整个架体可拆解成较小的部件,包装长度小于1 200 mm,方便运输。
图2 基坑井口支架主视图
2.2 提升装置
架体上部的工字钢横梁作为电动葫芦的轨道使用。根据现场实际吊重需求,选用额定吊重为300 kg/600 kg电动葫芦,该电动葫芦为市售通用产品,后期维护方便,见图3。其功率1 200 W,具有断电刹车功能及行走功能,单绳起吊时最大吊重为300 kg,双绳起吊时最大吊重为600 kg。安装时将电动葫芦悬挂于工字钢的下端即可,可使用有线遥控或无线遥控分别控制卷扬机和小车电机运行,使其上、下、左、右运动,确保其回到正常工作位置,并在顶部限位开关到位后,即可正常起吊作业。
图3 提升装置
2.3 监控装置
监控装置具有气体检测、照明和摄像监控功能,见图4。气体检测部分可监测当前环境下的氧气(O2)、总可燃气体(TCG)、一氧化碳(CO)、硫化氢(H2S)等气体含量并在显示屏上实时显示,同时可人为设定气体检测仪的氧气、可燃气体、一氧化碳、硫化氢等气体含量报警值。一般情况下15%的氧含量可视为在不影响行动力、判断力的前提下,人体能够承受的最低氧含量阈值。随着海拔的升高,空气中氧含量也会随之降低,海拔每升高1 000 m,空气含氧量下降1.6%。设备默认设置的氧气含量低报值为15%,在非高原地区施工作业,可以使用15%的低报值,在高原地区作业,根据当地海拔合理设置氧含量低报值,以防频繁误报。其他几种气体的含量低报值、高报值等可根据实际情况设定。气体监控装置上设有独立的紧急按钮,当基坑内的人员有紧急情况发生时,可按下紧急按钮,面板上的报警器发出声光报警。同时监控装置上设有照明灯,当基坑中的光线不足时,可通过面板上的开关开启照明灯,使基坑内的光线充足,保障安全作业。除此之外,监控装置的摄像头可将基坑内的实时情况通过面板上的显示器显示,一旦坑内有紧急情况发生,可由地面上的操作人员及时发现并施救。
图4 监控装置
2.4 通风系统
为保障基坑内部不间断的空气循环,一体机采用主动式通风。经过调研,大部分深基坑深度均在20 m以内,即最大深度hmax=20 m。按空气密度ρa=1.293 kg/m3计算,为保证坑底通风顺畅,通过公式(1)可得风机提供的风压Pb应不小于258.6 Pa。
即Pb≥258.6 Pa。
同时为保证基坑内空气在10 min内循环一次[4],即循环时间Tc=10 min。按基坑最大直径D为3 m,最大深度hmax=20 m计算,通过下式可得送风量Ca应不小于847.8 m3/h。
即Ca≥847.8 m3/h。
因此一体机适配的通风系统选用外转子离心式中压风机,可提供375 Pa风压以及900 m3/h送风量,送风风管为内径75 mm2的可伸缩软管,见图5。
图5 转子离心式中压风机
2.5 控制箱
控制仪表箱面板如图6所示,面板左上方为四合一气体检测仪的多功能控制柜显示屏,显示屏上可显示当前环境下的4种气体含量以及每种气体的一、二级报警指示灯。“正常”指示灯表示气体的含量为正常值,“一级报警、二级报警”指示灯表示气体浓度超出报警设置阈值。显示屏下面提供部分功能按键,分别为“上”、“下”、“设置”、“确定”、“退出”5个按键,按键可设置气体的报警值。
当检测出基坑内一种或多种气体浓度超出设定值时,发出声光报警,并启动送风机送风,当监测正常时,送风机停止工作。
多功能控制柜显示器下方分别为应急报警指示、风机定时,气体报警指示等。应急报警灯亮起时,说明基坑中的人员有紧急情况。风机定时器是手动操作风机,当工作前需要向基坑内输送空气时,可以设定供风时间。气体报警指当基坑内的任意一种或多种气体超出设定值时,气体报警发出声光报警。
面板右上方的摄像头显示器显示基坑中实时画面。显示器下方为电源总开关、电葫芦开关、风机开关、备用电源。
图6 控制箱面板
井口支架为一体机中最重要的受力部件。除架体外只有提升机构中的电动葫芦参与受力,而电动葫芦作为市售通用产品,其承载能力已通过质量检验监督部门的认定,因此不对其进行额外的力学校核。综上所述,以下只对支架通过有限元分析进行力学校核。
ABAQUS是一套功能强大的商业工程模拟有限元软件,可以解决相对简单的线性分析和许多复杂的非线性问题。ABAQUS包括丰富的、可模拟任意几何形状的单元库,并拥有各种类型的材料模型库。本文提及的井口支架结构为桁架结构,主要构件的截面为圆管或槽钢,可采用ABAQUS软件中的B系列单元模拟。因材质为Q235B,可以采用软件中提供的本构关系[5]。
支架建模如图7所示。立柱中间的调节丝杠为M42实心螺纹,由于截面积和抗弯截面模量均优于其连接的φ48 mm×3 mm钢管,因此建模时将调节丝杠部分简化为与上下等截面的钢管。在边界条件上,在4根立柱根部施加固定约束;工况上,考虑2种极端情况,1种是在槽钢中点施加6 000 N集中力荷载,另一种是在悬臂自由端施加6 000 N的集中力荷载。
图7 支架模型
将以上模型进行网格划分,设置网格密度为50。对于钢管部分,单元选择为B31单元,B31单元是铁木辛柯梁的一种,同时是一种三维的一阶单元,并允许有横向的剪切变形,因此可以很好的适配支架中的钢管部分;对于横梁部分,由于为开口截面,因此单元选择为B31OS。
经过计算后,该结构应力云图如图8所示。从该图可以看出结构的最大应力为76.53 MPa。对于Q235材质按3倍安全系数计算,其许用应力[σ]=78.33 MPa,大于结构中出现的最大应力,因此该结构安全[6]。
图8 应力云图
2021年5月,一体化深基坑作业智能机在白鹤滩-江苏±800 k V特高压直流输电线路工程某标段挖孔基础、岩石基础进行了工程应用。
在该工程中对一体化深基坑作业智能机的各项功能进行了试验。架体部分在现场组装方便快捷,对该工程中的各尺寸的坑口都可良好适配,调整简便。土方吊运过程运行平稳,验证了该结构的强度、刚度以及电动葫芦的负载能力,同时,电动葫芦的轴向移动功能可以快速稳定地将提至坑口正上方的土方移动至坑口外的倾倒处,比原有的提土后人工移出土方倾倒的方式提高了效率。
对于气体检测部分采用与手持气体检测仪检测数据对比,经过多次测量,一体机与手持气体检测仪误差较小。照明和摄像部分经验证,可满足监控要求。关于通风系统的验证,由于测试现场基坑内气体没有超标现象,因此将系统中氧气低报值设置到30%(高于正常空气中氧浓度),开机后控制箱上的警报器报警,同时通风系统自动启动,通风和警示效果良好。最后,现场对软梯、差速器、应急救援挂点按照实际使用方式进行了试验,均可实现相应的设计功能。
与传统的深基坑施工方式相比,本文研制的一体化深基坑作业智能机不仅是施工方法上的创新,更是安全防护上的创新。
首先,在主体结构上,一体机采用桁架结构作为井口提升支架,整体结构刚度强度高、施工便捷、可适应输电线路施工中各种深基坑。同时通过合理的结构设计可以实现快速拼装,减小运输尺寸,综合降低了使用成本。
其次,在安全防护上,一体机从事前预防,事中检测,事后营救三方面进行安全防护。第一,在施工前,设备可对坑内气体质量进行预防性检测,以防止施工人员首次进入坑内后,发生窒息或中毒现象。第二,在施工中,设备对操作面等高度的气体质量进行实时检测,一旦有气体浓度超标,设备将自动报警并打开通风系统,送入新鲜空气;同时监控摄像头不间断的将基坑内实时情况反馈至坑外的操作人员,一旦有异常状况,可采取紧急避险措施。第三,在事故发生后的应急救援过程中,一体机提供了相应的应急救援挂点、爬梯挂点,让营救工作更顺畅安全。总体上来看,一体机对于坑内的整个施工工序做到了可预防、可感知、可通风自救、可事后救援,相比于传统的监护方式,一体机经过各项安防功能的综合,做到了安全性的整体可控。
本文研制的一体机为基坑开挖施工提供了一种更加安全化、标准化的选择。未来会有更加广阔的应用前景,也必将取得良好的经济效益和社会效益。
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