自動反饋調節系統在基坑降水-回灌精細化控制的應用

周望，張雷，常來，劉永強，李志力

（南京市公共工程建設中心，南京200093）

1 引言

隨著數字化、信息化、智能化的發展以及物聯網技術的日趨成熟，對降水運行的各個環節進行實時監控和控制成為可能。監控測量技術及可視化技術的應用，能夠將現場降水運行數據直觀地展示到計算機或手機終端上，利用郵件或APP 軟件推送，在監測值超過閾值的情況下及時向相關單位人員進行報警，有效對基坑降水運行風險進行控制，確保基坑開挖安全。

目前，許多降水單位對基坑降水自動化控制進行研究，取得了一定成果。但目前對于降水監測與控制的集成化不足，大多僅利用某個單一監測量對降水運行進行自動控制，尚少見利用多監測量綜合分析進行降水智能控制的案例。實際上，降水工程是一個系統性、整體性的工程[1]，受整體多因素共同影響制約，僅僅針對其中某一局部或某一因素的自動控制無法達到降水運行協調有序進行的目的，降水過程中依然離不開大量人員參與控制。

因此，建立一套能夠將自動監測系統收集到的坑內坑外降水井、觀測井、回灌井水量、水位數據以及周邊沉降數據結合現場開挖工況、天氣條件等多因素進行邏輯運算，從而自動調節降水設備功率或回灌流量的自動反饋調節系統十分必要。

2 工程實踐

在南京和燕路過江隧道工程實踐中，研發出一套自動反饋調節系統，這套自反饋調節系統由信息采集系統、信息處理系統和控制系統三部分組成。

信息采集系統將水量、水位以及周邊沉降等數據進行實時采集、分類存儲，傳輸至信息處理系統[2]。信息處理系統將數據進行分析，根據預先設定的控制量（如降水水位深度、沉降速率、水位下降速率等）對控制系統發出指令。控制系統根據信息處理系統的指令通過調整水泵功率、閥門大小等手段對出水量、水位、沉降進行控制，并由信息采集系統將控制后的數據反饋給信息處理系統，信息處理系統自動根據控制結果調節控制指令，從而起到自動反饋調節的作用。

該工作現場的信息采集系統由自動監測水位計、電磁流量計組成。為了及時了解現場情況，同時避免重要信息被過多數據淹沒，采樣頻率設置為每分鐘一次。獲取的數據可以實時顯示在網站和移動APP 上，如圖1 所示。通過對某些水位敏感區域進行分析后，當這些區域的水位異常時（如超過設定的某個閾值或階段變化值），云平臺會將報警信息發送至用戶手機短信或微信上，現場管理人員及相關技術人員收到報警信息后可及時對現場進行處理。

圖1 遠程自動監測

現場信息控制系統由計算機工作站組成，可實時顯示采集的數據并進行分析，存儲監測點的歷史水位變化曲線，并能將某個時間段的水位數據導出到Excel 中。通過預設的程序進行邏輯運算，對現場控制系統下發指令。

現場控制系統主要控制水位和出水量。水位的控制采用遙感浮球閥控制[3]，如圖2 所示。井內水位低于浮球位置，浮球給遙感閥門壓力信號，遙感浮球打開閥門排水口開始排水，井內水位高于浮球位置，浮球給遙感閥門壓力信號，遙感浮球關閉閥門排水口停止排水。出水量控制采用高精密可控變頻控制箱控制，通過調節輸出電流大小及功率，對工程涉及的降水井統一進行協調控制，保證各區域降水滿足工程需要。

圖2 遙感閥門回灌控制

除此之外，由于場地臨近長江，滲透系數大，水量補給快，水位恢復非常快，1 分鐘水位恢復超過10%，因此，一旦停電水泵停止運行，坑內水位大幅上升，淹沒基坑內施工機械和人員造成的后果無法估量，影響基坑的安全。因此，需要保證一路工業用電停電后另一路工業用電能及時使用，保證停電1分鐘內能將確保降水井的電源得到更換，確保在基坑開挖過程中降水不得長時間中斷。

針對這一難題，本工程采用電源智能切換系統，市電電源和備用電源均連接至“TU-MG”中央智能控制器上，中央智能控制器控制“TGM-E”全自動轉換開關在市電電源停電時立即切換至備用電源。考慮到所有水泵一次性瞬間啟動電流較大會對供電網絡產生沖擊，設計時將支路開關設置延時啟動，分路分時啟動各支路接觸器，這樣在無人值班的狀態下，能保證水泵的正常啟動運行。

3 結論

整個工程共涉及114 口降水井、57 口觀測井以及217 口坑外回灌井，井數量多，各井啟動時間不一，各工程段需要控制的水位深度不一，控制內容復雜。自動反饋調節系統在本工程中的應用，充分體現了施工精細化管理控制理念。利用最新的物聯網技術和智能處理計算，不僅能夠讓施工各方有效協調，保證了項目的順利實施。同時，也節約了人力成本和能源消耗，控制了基坑外側地面沉降變形，取得了良好的環境效益和社會效益。