盾構施工中紅外線感應防撞門的應用

0 引言

隨著城市化進程的快速推進，盾構施工技術作為地鐵、隧道等基礎設施建設的關鍵技術，其重要性日益凸顯[1-2]。然而，盾構施工環境復雜多變，特別是在大縱坡水平運輸條件下，施工設備和人員的安全面臨著嚴峻挑戰，常面臨速度控制難、上坡動力不足、下坡易失控等問題，導致電瓶車與盾構機發生碰撞，嚴重威脅施工設備和人員的安全[3-4]。為了應對這一挑戰，本文以深圳市16號線共建管廊項目為背景，創新性地應用了紅外線感應自動化控制防撞門技術。該技術通過紅外線感應設備與自動化控制系統的有機結合，實現了對電瓶車與盾構機之間相對位置的精準監測和防撞門的自動化控制，為盾構施工提供了一道堅實的安全屏障。

1工程概況

深圳16號線共建管廊項目綜合井2至接收井1的管廊盾構區間，坡長 740m 、落差 16m 、坡度 48‰ 。在此大縱坡下，65t電瓶車大編組運輸受重力影響，存在速度控制難、上坡動力不足、下坡易失控等問題。這些問題可能導致電瓶車速度失控而無法在規定位置停車。停車后還會因重力出現溜車情況，溜車風險顯著增加，易與盾構機發生碰撞，威脅施工設備和人員安全。

2 防撞門的功用

在盾構施工中，區間大縱坡水平運輸存在諸多安全風險，如電瓶車溜車，紅外線感應防撞門做為第一道安全防撞屏障，發揮關鍵作用。該防撞門主體由控制系統、防撞門主體兩部分組成，整體安裝于盾構機最后一節臺車尾部，通過上下限位互鎖、紅外線感應互鎖等機制保障運行安全。紅外線感應設備通過檢測遠端20m和近端5m來判定電瓶車與臺車位置關系，為防撞門控制提供動作信號。當電瓶車臨近臺車 20m 時，電鈴響起，人工按下按鈕升門，直至限位位置停止；當電瓶車離開臺車5m時，防撞門自動下降至限位位置。

3控制電路設計

3.1控制電路原理

電路由400VAC電源供電，并通過熔斷器實現短路保護。電路包含控制按鈕（JAT、SB1、SB2、SB3）、繼電器（K1、K2）、接觸器（KM1、KM2）、限位開關（上、下限位）及執行部件（電鈴、電機）。各電氣元件通過導線連接形成完整回路，實現對防撞門升降的控制。紅外線感應自動化控制防撞門電氣控制電路圖如圖1所示。

圖1紅外線感應自動化控制防撞門電氣控制電路

3.2控制電路的邏輯流程

防撞門系統由400VAC電源供電，電流經熔斷器后，依次通過緊急停止按鈕JAT常閉觸點和停止按鈕SB1常閉觸點進入待機狀態待機。其工作邏輯如下：

3.2.1 升門控制

當電瓶車接近臺車尾部20m時，觸發紅外感應K1，電鈴發出警示，操作人員按下啟動按鈕SB2后，接觸器KM1得電，電機正轉升門，升至上限位自動停止。

3.2.2 降門控制

當電瓶車離開臺車5m時，觸發紅外感應K2，接觸器KM2得電，電機反轉降門，降至下限位自動停止。

3.2.3 緊急操作

按下緊急停止按鈕JAT，可立即切斷電路使系統停止運行；緊急啟動按鈕SB3可手動降門。系統通過上下限位互鎖和紅外線感應互鎖雙重保護機制，配合電磁制動電機，實現斷電快速制動和鎖死，確保設備運行安全穩定。

3.3紅外線感應裝置工作機理

紅外線感應裝置作為本工程電氣控制系統的前端關鍵檢測部分，通過遠端（ 20m ）和近端（5m）雙距離檢測模塊，實現精準監測電瓶車與臺車的位置關系，并為防撞門控制提供關鍵觸發信號。

其工作原理如下：發射端持續發射特定頻率紅外線，當無反射信號時，電路維持初始狀態；當有反射信號時，觸發控制電路執行對應動作，實現防撞門根據電瓶車位置關系控制防撞門自動升降。該裝置輸出信號與其他控制元件協同配合，進一步保障系統安全、準確運行。

4系統組成及工作原理

4.1 防撞門組成及功能

本系統是集工程機械與電氣控制于一體的安全防護裝置，由防撞門、門體滑動軌道、執行升降電機、限位開關、紅外線感應裝置及控制電路組成，通過紅外線感應技術與限位開關協同實現門體自動化升降控制。本項目防撞門基于6m隧道盾構機臺車制作，框架面板由3.6m×3.0m×0.3m 的Q345鋼材“H300型鋼”焊接而成。臺車頂部門洞支架由型鋼焊接而成，為防撞門提升提供支撐力。框架面板焊接節點處懸掛4個直徑 50cm 、厚度30cm 的橡膠輪胎，作為第一道碰撞緩沖接觸面。當受外力撞擊時，撞擊物的動能一部分被橡膠輪胎轉化為彈性

勢能儲存，另一部分傳遞給H型鋼框架結構，這種能量分散機制減輕門體沖擊力，保護面板最脆弱的焊接節點。防撞門主體結構圖如圖2所示。

圖2防撞門主體結構

4.2紅外線感應裝置組成及工作流程

4.2.1紅外線感應裝置組成

紅外線感應裝置結構如圖3所示。由圖3可知，紅外線感應1持續發射特定頻率的紅外線，作為電瓶車臨近時的遠端（20m）檢測裝置，安裝在臺車左立柱上；紅外線感應2作為電瓶車遠離的近端（5m）檢測裝置，安裝在臺車右立柱上；紅外感應反射板分別貼在電瓶車尾土箱兩側。

圖3紅外線感應裝置結構

4.2.2紅外感應工作流程

紅外線感應工作流程如圖4所示。由圖4可知，當電瓶車進入臨近臺車20m時，紅外發射器發射的紅外線被反射板反射回來，紅外感應器通過檢測發射信號和接收信號之間的相位差來計算距離，判斷電瓶車臨近。此時K1觸發，電鈴響起，提醒操作人員按下SB2門升按鈕，防撞門上升至上限位時自動停止，準許電瓶車進入臺車。此門提升到停止過程時間為10s。當電瓶車完全離開臺車后5m時，紅外接收器接收到的反射信號會發生變化。紅外感應器判斷電瓶車處于近端遠離狀態時，K2觸發，接觸器KM2得電，使防撞門自動下降，下降至下限位時控制門停止并保持常閉。

4.2.3安全保護機制

防撞門具備完善安全保護機制。一是緊急操作方面，按下JAT可切斷控制電路電源使電機停轉，SB3用于緊急時手動控制門。二是上下限位互鎖通過將上下限位開關常閉觸點分別串入對應接觸器線圈回路，防止門在上升或下降時同時執行相反動作。三是紅外線感應互鎖讓K1、K2控制回路獨立且常開觸點串聯，避免因紅外線誤觸發導致門體錯誤升降，從而全方位保障盾構施工安全。

5安全性驗證

在盾構施工大縱坡水平運輸環境中，一旦發生溜車情況，防撞門需承受電瓶車在不同速度和載重條件下的初始撞擊。此時，門體必須保持結構完整性，避免斷裂瞬間解體。為確保防撞門設計的合理性，以下進行撞擊過程中的受力計算分析。已知坡長 740m. 、落差35.5m、坡度 48‰ ，電瓶車質量為 300t 。

5.1溜車速度計算

利用能量守恒定律（忽略摩擦），計算從最高點到最低點時電瓶車溜車速度。首先計算電瓶車在最高點相對于最低點的重力勢能，重力勢能公式為：

E_P=mgh=1.0437×10⁸J

式中： m 為電瓶車質量，值為 3×10⁵kg ： g 為重力加速度，值為 9.8m/s² . h 為落差，值為 35.5m 。

在最低點時，重力勢能全部轉化為動能 E_K ，由E_K=E_P 可得溜車速度 v 為：

5.2碰撞后共同速度計算

已知電瓶車溜車速度 V=26.4m/s 沖向防撞門，電瓶車質量 m=30 萬 kg（300t ，此處質量為假設值，用于計算示例），撞擊時可近似視為完全非彈性碰撞[5-6]。根據動量守恒定律，可得碰撞后共同速度為：

式中： M 為防撞門質量，取 8500kg 。

5.3撞擊產生的動能計算

再根據動能定理計算撞擊產生的動能，其計算公式為：

5.4實際沖擊力計算

假設防撞門在撞擊過程中的變形距離 d=0.2m （根據實際結構彈性變形范圍估算），根據能量守恒定律 E_K=Fd ，可計算出在該假設條件下，防撞門承受的實際沖擊力為：

5.5所承受的最大外力計算

通過查詢資料得出，Q345鋼材的“H300型鋼”動態屈服強度約為為 755MPa ，假設防撞門主要受力部件的有效截面積為 1.2m²"。根據材料屈服強度公式可得該部件能承受的屈服力 F 1

F=σA=9.066×10⁸N

5.6安全系數計算

通過驗算可知，在假設的撞擊情況下，防撞門承受的實際沖擊力 5.1×10⁸N 小于防撞面板為H型鋼焊接框架式結構材料能承受的最大外力 9.066×10⁸8N ，則安全系數計算如下：

這表明在這種假設條件下（忽略滑動摩擦力、彎道等因素），防撞門理論上有能力抵御此次撞擊而不發生瞬間脆性破壞解體。

6 應用效果

6.1安全保障方面

在大縱坡水平運輸這類高風險施工作業環境中，防撞門的重要性不言而喻。當遭遇溜車狀況時，其成為阻擋電瓶車沖擊的第一道堅固屏障，可有效防止盾構設備遭受嚴重損毀。此外，防撞門還為作業人員筑牢了安全防線，降低潛在威脅，提升安全感，有力強化了整體施工環境的安全性。

6.2經濟性方面

當發生溜車時，防撞門能有效降低設備損壞程度，從而減少高昂的維修費用。同時，其保障了施工連續性，提高了效率，縮短了工期，減少綜合成本，并延長設備使用壽命，極大減輕了項目經濟負擔，為項目帶來了顯著經濟效益。

7結束語

在本項目盾構施工中應用紅外線感應控制防撞門，滿足了大縱坡水平運輸環境的特殊需求。在發生溜車事故時，該防撞門能有效減輕對盾構機設備的損害，并確保臺車內作業人員的安全，展現出顯著的實際應用價值。盡管防撞面板結構已通過驗算，確認在撞擊下不會發生瞬間斷裂破壞解體，但在實際應用中，仍需綜合考慮撞擊角度和材料性能波動等因素。建議通過增強設計（如增加橡膠輪胎緩沖、加筋框架結構）來提升其可靠性，以更好地應對實際撞擊情況。

參考文獻

[1]張旭彪，王忠，安晏鵬.大直徑盾構施工安全風險及控制措施研究[J].鑿巖機械氣動工具，2025，51（1）：119-121.

[2]鐘日亮.淺談盾構施工區間大縱坡水平運輸安全技術措施[J].中國工程技術，2022（3）：191-195.

[3]張小平.電氣自動控制系統的功能及應用分析[J].電氣技術與自動化，2023（5）：102-106.

[4]李文方.淺析建筑電氣設備自動控制系統設計探索[J].工程抗震與加固改造，2024，46（6）：191.

[5]尚新春，張慶明.材料動力學[M].北京：科學出版社，2019：120-125.

[6]劉靖，王庫.紅外線感應技術原理及應用[M].電子工業出版社，2018：45-60.