氣囊氣壓無線監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)在沉箱出運(yùn)中的應(yīng)用

林明臻，潘 華，魏長德

（1.福建省交通建設(shè)質(zhì)量安全中心，福建 福州 350001；2.中交四航局第五工程有限公司，福建 福州 350008；3.泉州太平洋集裝箱碼頭有限公司，福建 泉州 362700）

引 言

沉箱出運(yùn)安裝為重力式碼頭施工重要工序，是工程施工管理的重要環(huán)節(jié)。氣囊移運(yùn)沉箱是沉箱陸上移運(yùn)的一種主要施工工藝，該工藝系采用氣囊頂升沉箱后，用卷揚(yáng)機(jī)配合牽引移運(yùn)沉箱。氣囊移運(yùn)具有場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)，投入成本低，承載能力強(qiáng)，可移動(dòng)大型構(gòu)建等優(yōu)點(diǎn)。氣囊移運(yùn)沉箱在重力式碼頭建設(shè)項(xiàng)目中應(yīng)用越來越廣泛。

氣囊移運(yùn)沉箱工藝主要缺點(diǎn)為存在氣囊爆裂的安全風(fēng)險(xiǎn)。在氣囊移運(yùn)沉箱的過程當(dāng)中，需要對(duì)氣囊氣壓進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以防止氣囊爆裂造成人員傷亡。目前對(duì)氣囊沉箱移運(yùn)過程氣壓監(jiān)測(cè)主要采用人工觀測(cè)氣壓表方式，該方法存在觀測(cè)不連續(xù)、觀測(cè)工人長期在氣囊頭部作業(yè)風(fēng)險(xiǎn)高、氣壓表在施工操作過程中易損壞和無法同時(shí)檢測(cè)多個(gè)氣囊等缺點(diǎn)。因此，改進(jìn)氣囊氣壓監(jiān)測(cè)技術(shù)，是降低氣囊在移運(yùn)沉箱過程中爆裂風(fēng)險(xiǎn)的一項(xiàng)重要措施。

1 工程概況

泉州港石湖作業(yè)區(qū)5號(hào)、6號(hào)泊位工程為建設(shè)2個(gè)10萬t級(jí)集裝箱專用泊位，采用重力式沉箱結(jié)構(gòu)，沉箱共43件，尺寸為19.77 m×15.80 m×18.1 m（長×寬×高），單件重量2 773 t。該項(xiàng)目沉箱出運(yùn)采用氣囊移運(yùn)沉箱的施工工藝，施工中使用超高壓氣囊，氣囊出廠檢驗(yàn)壓力為0.6 MPa，而使用時(shí)需要控制在0.4 MPa以下。施工時(shí)在需要移運(yùn)的沉箱下面放置8條無氣的圓柱形氣囊，沉箱移運(yùn)時(shí)氣囊充氣后將使得沉箱頂升，經(jīng)受力計(jì)算氣囊充氣壓力理論值為0.2 MPa。氣囊頂升后，卷揚(yáng)機(jī)牽引沉箱，當(dāng)施加的牽引力克服氣囊對(duì)地的摩擦力時(shí)，氣囊滾動(dòng)使沉箱發(fā)生水平移動(dòng)，待沉箱水平移動(dòng)一定距離后將沉箱移動(dòng)方向后方滾出的氣囊放氣后搬（移）到沉箱移動(dòng)方向前方，再次充氣后進(jìn)行循環(huán)使用，直至使沉箱移到預(yù)定位置。到達(dá)預(yù)定位置后，在沉箱下方支墊枕木，沉箱下面所有氣囊同時(shí)放氣后使得沉箱坐落在枕木上，完成沉箱出運(yùn)施工。

本工程在沉箱移運(yùn)過程中應(yīng)用了氣囊氣壓無線監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)。該技術(shù)在氣囊頭部上布置壓力感應(yīng)器，使得氣囊內(nèi)部充氣后可利用無線壓力傳感器采集沉箱移運(yùn)過程中氣囊內(nèi)部氣壓數(shù)據(jù)，無線網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)接受多個(gè)無線壓力傳感器發(fā)射的無線信號(hào)，并將其傳輸至電腦終端，由終端軟件對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和記錄，在電腦上實(shí)時(shí)顯示并由軟件處理收集到的壓力數(shù)據(jù)生成圖表，發(fā)現(xiàn)氣壓超過超壓報(bào)警值（超壓報(bào)警值設(shè)置為0.25 MPa），由電腦終端發(fā)出報(bào)警，及時(shí)分析找出氣壓偏差過大報(bào)警原因并對(duì)氣囊氣壓進(jìn)行調(diào)整，從而降低氣囊爆裂等安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 系統(tǒng)框圖和系統(tǒng)配置

氣囊氣壓無線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)由無線壓力感應(yīng)器、通訊系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)三部分組成，無線壓力傳感器實(shí)時(shí)發(fā)射數(shù)據(jù)，無線網(wǎng)關(guān)實(shí)時(shí)接收數(shù)據(jù)，計(jì)算機(jī)軟件實(shí)時(shí)采集數(shù)據(jù)分析，實(shí)現(xiàn)氣囊氣壓實(shí)時(shí)監(jiān)控記錄、超壓報(bào)警等功能，見圖1。

圖1 氣囊氣壓無線監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)

無線壓力傳感器核心部件電阻應(yīng)變片是一種將被測(cè)件上的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)換成為一種電信號(hào)的敏感器件，它是傳感器的主要組成部分之一。壓力感應(yīng)器數(shù)據(jù)傳輸采用無線數(shù)字信號(hào)傳輸方式，內(nèi)置天線及鋰電池，其結(jié)構(gòu)緊湊，體積小巧，便于安裝，具有極高的測(cè)量精度和抗干擾能力，測(cè)壓范圍0～25 MPa，電池使用壽命一個(gè)月，電池耗盡可進(jìn)行更換。感應(yīng)器每1分鐘發(fā)送一包數(shù)據(jù)，有效通訊距離500 m，可穿透5堵承重墻或5層樓板。

圖2 無線壓力傳感器

無線網(wǎng)關(guān)選用可支持多個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)同時(shí)接收數(shù)據(jù)的網(wǎng)關(guān)。網(wǎng)關(guān)軟件配置完成后，可對(duì)連接的所有節(jié)點(diǎn)進(jìn)行控制。

無線網(wǎng)關(guān)與電腦主機(jī)通訊采用 RS-485接口，具有良好的抗噪聲干擾性。電腦終端軟件委托無線網(wǎng)關(guān)廠家進(jìn)行開發(fā)，主要包括三個(gè)軟件：調(diào)試軟件、組態(tài)軟件和數(shù)據(jù)記錄軟件。調(diào)試軟件用來配置網(wǎng)關(guān)參數(shù)和節(jié)點(diǎn)，并測(cè)試節(jié)點(diǎn)狀態(tài)電量等信息。組態(tài)開發(fā)軟件用于將節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行整合，實(shí)現(xiàn)超壓發(fā)聲報(bào)警，并生成相應(yīng)的功圖報(bào)表來進(jìn)行后期數(shù)據(jù)處理分析。數(shù)據(jù)記錄軟件用于記錄監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)并生成所需要的表格和圖形。

3 壓力感應(yīng)器安裝

壓力感應(yīng)器安裝于氣囊頭部，其核心部件電阻應(yīng)變片與氣囊內(nèi)部連通，整個(gè)結(jié)構(gòu)密封不透氣。壓力感應(yīng)器安裝后，氣囊頭部結(jié)構(gòu)與氣囊本身連接，并與連通處設(shè)置密封措施。為防止壓力感應(yīng)器在氣囊搬運(yùn)過程中損壞及感應(yīng)器被氣壓沖出傷人，設(shè)計(jì)了壓力感應(yīng)器氣囊頭部專用接頭，見圖 3、圖 4，該接頭獨(dú)特之處在于實(shí)現(xiàn)無線壓力感應(yīng)器與氣囊連接問題，使壓力實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)成為可能，并且可防止氣囊在搬運(yùn)過程中損壞壓力感應(yīng)器、感應(yīng)器飛出傷人等不良情況出現(xiàn)，安全可靠。

圖3 氣囊接頭設(shè)計(jì)

圖4 接頭組裝

4 系統(tǒng)調(diào)試

在首次系統(tǒng)應(yīng)用前對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了調(diào)試，在氣囊上布置壓力感應(yīng)器，設(shè)置監(jiān)控臺(tái)，用電腦收集氣囊氣壓信息，設(shè)置超壓值實(shí)現(xiàn)超壓報(bào)警。對(duì)壓力感應(yīng)器監(jiān)測(cè)精準(zhǔn)度及報(bào)警功能進(jìn)行測(cè)試。在同一條氣囊兩端分別設(shè)置無線壓力感應(yīng)器、物理氣壓表，對(duì)氣囊沖氣后壓力感應(yīng)器返回壓力值與物理氣壓表讀取數(shù)值進(jìn)行對(duì)比，在多條氣囊上采用不同壓力狀態(tài)下經(jīng)多次測(cè)試感應(yīng)器返回?cái)?shù)值與氣壓表數(shù)值相等，經(jīng)試驗(yàn)證明壓力感應(yīng)器精準(zhǔn)度、靈敏度可滿足施工監(jiān)測(cè)要求。同時(shí)對(duì)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)超壓報(bào)警功能進(jìn)行測(cè)試，設(shè)置系統(tǒng)超壓值為0.1 MPa，在物理氣壓表顯示氣壓達(dá)到0.1 MPa時(shí)，監(jiān)控系統(tǒng)終端電腦按原設(shè)想彈窗提示并發(fā)出報(bào)警聲響。

5 氣壓監(jiān)測(cè)

系統(tǒng)經(jīng)調(diào)試成功后，進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)應(yīng)用，在沉箱移運(yùn)過程中使用的氣囊上分別設(shè)置壓力感應(yīng)器，某次出運(yùn)過程氣壓觀測(cè)曲線見圖5。由圖5可知，沉箱在移運(yùn)過程中，氣囊壓力處于安全受控狀態(tài)。

圖5 氣囊壓力監(jiān)測(cè)曲線

6 結(jié) 語

通過工程實(shí)踐，氣囊氣壓無線監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)具有易安裝、測(cè)量精度高、連續(xù)性強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，避免了作業(yè)人員在氣囊頭部長時(shí)間作業(yè)，從根本較少了安全事故的發(fā)生。此項(xiàng)技術(shù)全程自動(dòng)監(jiān)控大型沉箱出運(yùn)氣囊壓力的動(dòng)態(tài)變化，可以提供動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性分析和動(dòng)態(tài)預(yù)警，極大地減少了沉箱出運(yùn)施工的人力成本，有利于推進(jìn)沉箱出運(yùn)過程中的信息化施工，施工過程安全可控。

泉州港石湖作業(yè)區(qū)5號(hào)、6號(hào)泊位工程成功應(yīng)用了氣囊氣壓無線監(jiān)測(cè)報(bào)警技術(shù)，有效加強(qiáng)氣囊移運(yùn)沉箱過程中的氣囊壓力安全控制，降低了氣囊超壓爆裂傷人事故風(fēng)險(xiǎn)，可為后續(xù)類似項(xiàng)目施工提供借鑒和參考。