城市综合管廊施工环境监测与智能控制技术

文｜孙劲松 姜家昌 郭瑞生

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随着社会和经济的发展，世界城市现代化建设速度进一步加快，我国城镇化趋势飞跃发展，城市人口数量的急剧提升，开挖路面、架空线网密集、管线事故频发等“城市病”状况日益凸显。解决城市地下问题，需要开发地下空间，大力发展综合管廊建设是最好的办法。

由于城市地下综合管廊是半封闭区域、空间狭长、潮湿、自然通风不良，在施工过程中特别是机电安装阶段，焊接烟气量多、粉尘多、湿度大，施工作业环境恶劣。中建一局集团安装工程有限公司秉承人文关怀、绿色施工、智慧施工的理念，为持续推动综合管廊领域技术进步和科技创新，不断探索城市综合管廊施工技术的研究与应用，成功研制“综合管廊环境智能控制装置”，为密闭空间的安全施工操作和职工人身安全提供了保障，填补了国内空白。

管廊施工环境监测技术

1、 管廊施工主要环境监测参数

地下综合管廊，一般每200米作为一个区间，每个区间内有一仓或多仓布置，空间相对封闭，施工环境恶劣，需要对施工环境进行监测并控制。

粉尘是地下综合管廊施工过程的产物，是指悬浮于作业场所空气中的固体微粒。粉尘危害巨大，粉尘肺病患者人数日趋增加，粉尘监测控制是改善综合管廊施工环境的首要工作。

国家相关部门对密闭空间作业有要求：需要监测氧气含量，正常时氧含量应为18%～22%，缺氧时必须采取机械通风，还需要测有毒有害气体，主要是一氧化碳、挥发性有机化合物（VOC），如果含量高于相关要求，必须采取机械通风措施和个人防护措施。

此外，温湿度也是影响劳动者进行施工作业的重要环境因素。由此可以确定管廊施工的主要环境参数：焊接粉尘、氧气含量、一氧化碳含量、挥发性有机化合物（VOC）、温湿度。

2、粉尘监测技术

粉尘监测的技术主要有“粉尘浓度质量法监测技术”、“光散射法粉尘浓度监测”和“电荷感应法粉尘浓度监测技术”。电荷感应法是通过让尘埃粒子经过一个固定探头，尘埃粒子与探头感应产生静电荷，通过测量静电荷感应量，进行信号放大并传送进监测控制系统。静电荷的大小与尘埃粒子的流量成正比。通过电荷量与粉尘浓度的关系计算出粉尘浓度的监测数值。

3、温湿度监测技术

湿度监测技术，已经是很成熟的技术。根据管廊施工现场实际需要，选用低成本的数模一体输出温湿度变送器即可获得环境温湿度的监测数据。

4、气体监测技术

施工现场常用的气体监测方法是定电位电解式方法，即电化学传感器监测。

其中氧气监测可采用长寿命的进口电化学工业氧气专用传感器监测，在电路设计上采用了智能微控制技术，器件采用SMD技术及工艺。适用于各种恶劣的工业环境场合。

挥发性有机化合物（VOC）监测方法主要有：气相色谱法、分光光度法、质谱法和可燃气体传感器等，其中可燃气体传感器适用于管廊施工现场。

一氧化碳监测采用电化学模组监测，具有经济、稳定、寿命长、监测范围广、分辨精度高，适用温度范围大，数字转换便捷等优点。

图1 监测系统结构示意图

图2 装置操作面板

图3 装置效果图

5、施工环境综合监测技术

地下综合管廊施工过程中，各种环境因素影响是综合交叉的。对施工环境进行综合监控非常必要。综合监测系统应满足监测功能丰富、移动便捷、量程广、适用恶劣施工条件、小型化等要求。

综合监测系统，可以用电荷感应法监测粉尘、利用定电化学传感器来监测气体、利用温湿度变送器监测温湿度，并结合成熟的电子技术和网络通讯技术研制、开发出成套装置。仪器体积要小，以便于移动式监测。利用成套综合监测系统就可以同时监测各种管廊环境参数，自动采样、自动分析，测量浓度可直接在显示屏上显示。

管廊施工环境监测与智能控制系统

1、装置构造

管廊施工环境监测与智能控制系统（简称“综合监控系统”）主要包括直流电源、探测器模块、可编程逻辑控制器以及探测板。探测板上设有吸气扇和多个监测传感器，探测器模块用于数据处理及报警输出功能；可编程逻辑控制器用于监测电源状态及探测器的报警输出状态；环境监测传感器用于对空气进行监测，获取环境参数；吸气扇用于对环境空气进行主动吸气。

空气监测传感器包括了粉尘传感器、氧气传感器、CO传感器、VOC传感器和温湿度传感器；集成在探测板上。

2、工作原理

综合监控系统由直流电源、多合一探测器、可编程逻辑控制器、电气控制回路和动力回路、指示操作面板、箱体组成。

直流电源分别与多合一探测器和可编程逻辑控制器、继电器电气连接，用于这些部件的供电。多合一探测器包括显示屏、主控板和传感器模块。显示屏组态软件实时显示6 种参数指标和报警状态情况。可编程逻辑控制器用于监测电源状态和探测器的报警输出状态，同时是装置的逻辑控制核心器件，通过逻辑程序判断和控制回路电气连接，完成整个装置的监测报警和排风扇的联动。指示操作面板包括按钮、指示灯、转换开关、蜂鸣器等部件，用户通过以上部件对装置进行相应的监视和操作。

排风机可分两种控制方式，直接控制方式和间接控制方式；直接控制方式是空气质量监测系统的动力回路内置于环境智能控制装置，与城市综合管廊的排风机电气连接，直接控制风机启停；间接控制方式是空气质量监测系统用于将控制信号传至MCC控制柜，MCC控制柜与排风机电气连接，并由MCC控制柜控制排风机启停；本装置根据监测结果，进行逻辑判断后，由城市综合管廊环境智能控制直接启停风机；或城市综合管廊环境智能控制装置与MCC控制柜连接，将启停信号传至MCC控制柜，并由MCC控制排风机启停。空气质量监测系统分别与中央控制室集中监控系统和作业面入口处大屏幕进行连接；上述设置用于将空气质量监测系统的监控信息进行远程传输；当任一物质或物理量严重超限，即使启动排风机也无法达标，中央控制室和大屏幕显示屏将会提示该区域危险请施工人员尽快离开。

3、实现功能

该系统及装置的空气质量监测参数全面，将多个传感探测功能整合到装置内；空气质量探测参数主要有：氧气浓度监测、一氧化碳浓度监测、挥发性有机物含量监测、粉尘浓度监测、温度监测和湿度监测等。集成度高，将探测与控制集于一体，以实现安全防护的目的。

该监测系统通过以可编程逻辑控制器为控制核心的控制系统设计，具有可靠性更高，编程容易，组态灵活的特点。通过触摸屏实时显示上述六种监测参数的实时数据，可进行低报警、高报警、报警回差、通讯等参数设置，也可以实现远程通信。监测系统内设有通讯模块，可以实现监测数据的上传，便于管理人员远程的施工现场空气质量监测数据的获知。

该装置为便携式箱体结构，便于施工人员携带并随时在施工现场应用。装置内设有吸气扇，可以实现主动吸气式的空气质量探测，不会存在因为监测装置在通风口的上游，或者风向不对而影响空气质量的监测。

图4 装置电气接线示意图

图5 排风机直接控制方式

图6 排风机间接控制方式

在城市地下管廊管道施工中，利用此技术，能够实时监测管廊作业环境，确定了地下管廊施工环境各项危险因素的指标，对超标因素提前做出预判报警，提示施工人员及时疏散，并联动管廊施工设置的排风换气设备，解决了现有管廊工程施工中空气存在安全隐患无法监控的问题，提高对作业人员的安全保障。