淺談數字高清監視系統在長臂挖掘機沉井下沉開挖中的應用

曹 龍 濱，　侯 梧 軍，　李　輝

(中國水利水電第五工程局有限公司 第一分局，四川 成都　610066)

淺談數字高清監視系統在長臂挖掘機沉井下沉開挖中的應用

曹 龍 濱，侯 梧 軍，李輝

(中國水利水電第五工程局有限公司 第一分局，四川 成都610066)

摘要：近年來，隨著我國城市化建設的不斷發展，市政工程領域地下工程的施工受到了廣泛關注，“高效、快捷、適用”將是市政工程發展的趨勢。以中牟縣解放路道路拓寬改造工程污水管道沉井下沉施工為例，介紹了在長臂反鏟的動臂上安裝輔助數字高清攝像頭進行下沉挖掘的施工方法，加快了沉井下沉的施工速度及精度，對市政工程類沉井下沉施工具有一定的參考價值。

關鍵詞：中牟縣；數字高清監視系統；長臂挖掘機；沉井下沉；應用；道路拓寬改造

1工程概述

解放路道路拓寬改造項目位于中牟縣城東部，為南北向城市快速路，工程南起站前大道，北至環城北路，全長2 691.225 m，道路規劃紅線寬70 m，道路布置為四幅路型式，雙向十二車道。

解放路污水管道沉井采用圓形鋼筋混凝土結構，分為工作井和接收井兩類，共計32座，沉井平均高度為8.2 m、直徑9 m，井室均為現場澆筑。井壁、底板、頂板、梁均采用C30混凝土澆筑，支擋側墻、封底混凝土采用C20混凝土澆筑，井主體混凝土抗滲等級為P8，鋼筋采用HPB300、HRB400。流槽為MU10灰砂磚、M10水泥砂漿砌筑，25 cm厚、1∶2水泥砂漿抹面。沉井典型結構設計情況見圖1。

圖1　沉井典型結構設計示意圖

沉井井位附近地形較為復雜，大部分為建筑集聚區。由于解放路道路改造，其道路兩側房屋拆遷，場地幾乎被建筑垃圾覆蓋，施工場地地貌單元屬黃河泛濫沖積平原，井位地基土多由黃褐～灰褐色、松散～稍密的粉土，褐黃色、稍密～中密的細砂以及黃褐～灰褐色、軟塑～可塑的粉質粘土組成。

井位勘探深度范圍內的地下水類型為潛水，實測穩定地下水位埋深約在現地面下6.4～8.7 m,絕對標高69.15～72.43 m，平 均 水 位 標 高

70.96 m。近3～5 a的歷史最高水位絕對標高約在76.5 m左右。

2下沉方案的選擇與改進

2.1下沉方案的選擇

根據沉井井位的地質情況并結合中牟地區已有的成熟施工經驗，采用長臂反鏟挖掘機進行沉井下沉施工。 通過操作長臂挖掘機動臂、斗桿和鏟斗伸縮與旋轉，將鏟斗伸入沉井底部，在中部垂直下挖成鍋底狀；當鍋底比刃腳低1～1.5 m時井筒靠自重下沉，將刃腳下土層擠向中央鍋底，然后斷續挖土，井筒繼續下沉，直至下沉至設計高程。長臂反鏟掘土下沉情況見圖2。

采用長臂挖掘機施工適用于地基為粉土、粉質粘土以及砂土的沉井，具有下沉速度快、操作簡單、安全可靠等優點，但也存在在井下挖掘時挖掘機操作人員無法看到井下鏟斗的位置和挖掘情況的問題。

圖2　長臂反鏟掘土下沉原理三維示意圖

2.2下沉方案的改進

為解決上述存在的問題、保證沉井下沉的質量和精度，項目部QC小組針對長臂反鏟挖掘機的結構特點進行了認真分析，最終決定在長臂反鏟挖掘機的動臂上安裝數字高清攝像頭，在司機操作室安裝顯示器的方案。這樣實施，操作人員在操作室內通過顯示器即可隨時看到鏟斗的工作狀態，從而達到保證挖掘作業順利進行的目的。

3數字高清監視系統的選擇、安裝及調試

(1)長臂反鏟設備的選型。

根據沉井的深度、直徑及現場施工條件，選用小松PC220-8型長臂反鏟挖掘機作為井筒下沉設備，該設備大、小臂總長度為18 m，動臂總長度為10 m，斗容0.4 m3，最大挖掘半徑17.3 m，最大挖掘深度13 m，完全滿足沉井下沉掘土的要求。

(2)數字高清監視系統的選型。

本著經濟、合理、適用的原則，數字高清監視系統采用數字高清攝像頭+信號線+交換器+電源線+液晶顯示屏組合而成。其中高清攝像頭采用HD 1080P型，液晶顯示屏采用7 in(1in=2.54 cm)高清超薄車載顯示器。

(3)監視系統的安裝。

為便于安裝及觀測，將數字高清攝像頭安裝在長臂挖掘機2/3動臂處。首先采用鋼板制作凹槽(鋼板厚度為5 mm)并將其焊制在挖掘機動臂上，將其做為攝像頭的安裝及保護支架，然后采用螺栓將攝像頭固定于支架內，從而完成攝像頭的安裝(圖3)。

圖3　數字高清攝像頭安裝示意圖

攝像頭安裝完成后進行信號線的布線工作。信號線由攝像頭尾部引出，沿長臂反鏟挖掘機大、小臂上的油管線布設至駕駛室內的交換器上。

交換器、液晶顯示屏均設置在長臂反鏟挖掘機駕駛室內。為便于操作人員觀測，液晶顯示屏采用車載式(可充電鋰電池)與交換器相連，固定于駕駛室操作盤上。交換器所需電源由駕駛室內的車載電源接口供應。至此，安裝工作全部完成。

長臂反鏟挖掘機數字高清監視系統安裝全部完成后，對監視系統進行調試，直至液晶顯示屏內的影像清晰為止。

4沉井下沉施工

(1)施工準備。

首先對已制作完成的井筒(一次澆筑成形)進行測量，檢查室壁的垂直度，對沉井周圍的地面進行平整，以便于停靠機械。

根據長臂反鏟挖掘機的特點，選擇適當的位置停靠機械，所選位置必須保證挖掘機的斗桿與動臂能在沉井內完全垂直下伸且后臂與井壁能保持一定的高度，避免其相互碰撞。

(2)開挖下沉。

長臂反鏟挖掘機操作人員利用已安裝好的數字高清監視系統、通過液晶顯示屏有的放矢地進行沉井開挖下沉作業，并根據挖土情況控制沉井下沉的精度。其操作過程為：

首先將長臂反鏟動臂前傾，將鏟斗挖齒能垂直井孔下沉至底部，然后根據下沉的阻力使鏟斗勾回裝滿，最后提升前臂與斗桿，將鏟斗提出沉井，旋轉鏟斗至卸料面后將斗內的挖土倒掉。如此反復，使沉井底部的鍋底均勻形成，然后井筒依靠其自重下沉，并將刃腳下的土層擠向中央鍋底，井筒繼續下沉(在開挖下沉過程中，會看到井臂四周的土體產生一定的塌陷，井筒逐漸下沉)，如此反復，直至下沉至設計要求的井底高程。沉井下沉工況見圖4。

圖4　沉井下沉施工工況圖

5沉井下沉監測及糾偏

(1)利用長臂反鏟挖掘機進行沉井開挖時，井筒每下沉1 m，應進行測量檢查(每次檢查時間約為5 min)，以便及時調整開挖的方向和角度，確保將沉井在沉降穩定后的各項技術指標控制在允許的誤差范圍內。

(2)沉井下沉結束且穩定后，應進行測量檢查，通過測設沉井中心點、橫軸端點、井頂的標高來檢查沉井的中心偏移值、傾斜度以及扭轉度。

(3)聘請有類似施工經驗、專業的挖掘機操作人員進行沉井下沉作業。開挖前，將采用數字高清監視系統的原理、沉井的高度、直徑、下沉深度等向其進行詳細交底，確保沉井下沉的順利進行。

(4)根據測量資料隨時糾偏。沉井下沉過程中應做到“以防為主，以糾為輔，勤測、慢糾、緩糾、有偏必糾、糾則適度”的要求。

(5)沉井初沉階段根據“沉多則挖少，沉少則挖多”的原則在開挖中糾偏，且不得在一側挖空糾偏，并根據情況緩慢下沉，逐步糾偏，使沉井在下沉過程中均勻對稱。

6運行效果

采用數字高清監視系統輔助長臂反鏟挖掘機進行沉井下沉作業，有效地解決了單獨采用長臂反鏟進行沉井下沉作業的弊端，施工工效得到了較大地提升。據現場統計，下沉方案改進后，長臂反鏟挖掘機每小時可取土約60 m3，8～10 h可基本將沉井下沉就位，施工現場只需設備操作人員1人、安全員1人即可，下沉平均速度為1 m/h，且沉井下沉穩定性及精度均符合設計要求，運行效果十分顯著。

7結語

在中牟縣解放路道路拓寬改造工程沉井施工中，采用數字高清監視系統輔助長臂反鏟挖掘機進行下沉施工取得了較好的效果，不僅保證了挖掘工作的順利進行，而且提高了效率、縮短了工期，施工精度和質量得到了保證。但在施工過程中也發現了一些不足，例如：在安裝數字高清攝像頭時，雖然采用鋼板制作凹槽對攝像頭進行保護，但是在其開挖、下沉過程中，動臂的抖動還是對高清攝像頭有影響，容易造成攝像頭的損壞。筆者建議：在今后的改造中，應采取更好的保護措施，以取得更佳的預期效果。筆者相信，隨著市政工程領域施工技術的日益發展，數字高清監視系統會在地下工程施工中發揮更加重要的作用。

參考文獻：

[1]張鳳祥.沉井沉箱設計、施工及實例[M].北京：中國建筑工業出版社.2010.

[2]柴文勝.淺談長臂挖掘機在沉井下沉開挖中的應用[J].山西建筑：2000，26(20)：99-100.

收稿日期:2016-04-06

中圖分類號:TV51;TV52;TV554;TV53

文獻標識碼:B

文章編號:1001-2184(2016)03-0040-04

作者簡介:

曹龍濱(1982-)，男，黑龍江鶴崗人，工程師，從事水電工程、市政工程施工技術與管理工作；

侯悟軍(1982-)，男，河南漯河人，助理工程師，從事水電工程、市政工程施工技術與管理工作；

李輝(1985-)男，河南新鄉人，助理工程師，從事水電工程、市政工程施工技術與管理工作.

(責任編輯：李燕輝)