气囊气压无线监测报警技术在沉箱出运中的应用

林明臻，潘 华，魏长德

（1.福建省交通建设质量安全中心，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.泉州太平洋集装箱码头有限公司，福建 泉州 362700）

引 言

沉箱出运安装为重力式码头施工重要工序，是工程施工管理的重要环节。气囊移运沉箱是沉箱陆上移运的一种主要施工工艺，该工艺系采用气囊顶升沉箱后，用卷扬机配合牵引移运沉箱。气囊移运具有场地适应性强，投入成本低，承载能力强，可移动大型构建等优点。气囊移运沉箱在重力式码头建设项目中应用越来越广泛。

气囊移运沉箱工艺主要缺点为存在气囊爆裂的安全风险。在气囊移运沉箱的过程当中，需要对气囊气压进行实时监测，以防止气囊爆裂造成人员伤亡。目前对气囊沉箱移运过程气压监测主要采用人工观测气压表方式，该方法存在观测不连续、观测工人长期在气囊头部作业风险高、气压表在施工操作过程中易损坏和无法同时检测多个气囊等缺点。因此，改进气囊气压监测技术，是降低气囊在移运沉箱过程中爆裂风险的一项重要措施。

1 工程概况

泉州港石湖作业区5号、6号泊位工程为建设2个10万t级集装箱专用泊位，采用重力式沉箱结构，沉箱共43件，尺寸为19.77 m×15.80 m×18.1 m（长×宽×高），单件重量2 773 t。该项目沉箱出运采用气囊移运沉箱的施工工艺，施工中使用超高压气囊，气囊出厂检验压力为0.6 MPa，而使用时需要控制在0.4 MPa以下。施工时在需要移运的沉箱下面放置8条无气的圆柱形气囊，沉箱移运时气囊充气后将使得沉箱顶升，经受力计算气囊充气压力理论值为0.2 MPa。气囊顶升后，卷扬机牵引沉箱，当施加的牵引力克服气囊对地的摩擦力时，气囊滚动使沉箱发生水平移动，待沉箱水平移动一定距离后将沉箱移动方向后方滚出的气囊放气后搬（移）到沉箱移动方向前方，再次充气后进行循环使用，直至使沉箱移到预定位置。到达预定位置后，在沉箱下方支垫枕木，沉箱下面所有气囊同时放气后使得沉箱坐落在枕木上，完成沉箱出运施工。

本工程在沉箱移运过程中应用了气囊气压无线监测报警技术。该技术在气囊头部上布置压力感应器，使得气囊内部充气后可利用无线压力传感器采集沉箱移运过程中气囊内部气压数据，无线网关实时接受多个无线压力传感器发射的无线信号，并将其传输至电脑终端，由终端软件对数据进行分析和记录，在电脑上实时显示并由软件处理收集到的压力数据生成图表，发现气压超过超压报警值（超压报警值设置为0.25 MPa），由电脑终端发出报警，及时分析找出气压偏差过大报警原因并对气囊气压进行调整，从而降低气囊爆裂等安全风险。

2 系统框图和系统配置

气囊气压无线监测报警系统由无线压力感应器、通讯系统、软件系统三部分组成，无线压力传感器实时发射数据，无线网关实时接收数据，计算机软件实时采集数据分析，实现气囊气压实时监控记录、超压报警等功能，见图1。

图1 气囊气压无线监测报警系统

无线压力传感器核心部件电阻应变片是一种将被测件上的应变变化转换成为一种电信号的敏感器件，它是传感器的主要组成部分之一。压力感应器数据传输采用无线数字信号传输方式，内置天线及锂电池，其结构紧凑，体积小巧，便于安装，具有极高的测量精度和抗干扰能力，测压范围0～25 MPa，电池使用寿命一个月，电池耗尽可进行更换。感应器每1分钟发送一包数据，有效通讯距离500 m，可穿透5堵承重墙或5层楼板。

图2 无线压力传感器

无线网关选用可支持多个传感器节点同时接收数据的网关。网关软件配置完成后，可对连接的所有节点进行控制。

无线网关与电脑主机通讯采用 RS-485接口，具有良好的抗噪声干扰性。电脑终端软件委托无线网关厂家进行开发，主要包括三个软件：调试软件、组态软件和数据记录软件。调试软件用来配置网关参数和节点，并测试节点状态电量等信息。组态开发软件用于将节点数据进行整合，实现超压发声报警，并生成相应的功图报表来进行后期数据处理分析。数据记录软件用于记录监测数据并生成所需要的表格和图形。

3 压力感应器安装

压力感应器安装于气囊头部，其核心部件电阻应变片与气囊内部连通，整个结构密封不透气。压力感应器安装后，气囊头部结构与气囊本身连接，并与连通处设置密封措施。为防止压力感应器在气囊搬运过程中损坏及感应器被气压冲出伤人，设计了压力感应器气囊头部专用接头，见图 3、图 4，该接头独特之处在于实现无线压力感应器与气囊连接问题，使压力实时监测成为可能，并且可防止气囊在搬运过程中损坏压力感应器、感应器飞出伤人等不良情况出现，安全可靠。

图3 气囊接头设计

图4 接头组装

4 系统调试

在首次系统应用前对系统进行了调试，在气囊上布置压力感应器，设置监控台，用电脑收集气囊气压信息，设置超压值实现超压报警。对压力感应器监测精准度及报警功能进行测试。在同一条气囊两端分别设置无线压力感应器、物理气压表，对气囊冲气后压力感应器返回压力值与物理气压表读取数值进行对比，在多条气囊上采用不同压力状态下经多次测试感应器返回数值与气压表数值相等，经试验证明压力感应器精准度、灵敏度可满足施工监测要求。同时对监测系统超压报警功能进行测试，设置系统超压值为0.1 MPa，在物理气压表显示气压达到0.1 MPa时，监控系统终端电脑按原设想弹窗提示并发出报警声响。

5 气压监测

系统经调试成功后，进行现场实测应用，在沉箱移运过程中使用的气囊上分别设置压力感应器，某次出运过程气压观测曲线见图5。由图5可知，沉箱在移运过程中，气囊压力处于安全受控状态。

图5 气囊压力监测曲线

6 结 语

通过工程实践，气囊气压无线监测报警技术具有易安装、测量精度高、连续性强的优点，避免了作业人员在气囊头部长时间作业，从根本较少了安全事故的发生。此项技术全程自动监控大型沉箱出运气囊压力的动态变化，可以提供动态稳定性分析和动态预警，极大地减少了沉箱出运施工的人力成本，有利于推进沉箱出运过程中的信息化施工，施工过程安全可控。

泉州港石湖作业区5号、6号泊位工程成功应用了气囊气压无线监测报警技术，有效加强气囊移运沉箱过程中的气囊压力安全控制，降低了气囊超压爆裂伤人事故风险，可为后续类似项目施工提供借鉴和参考。