多参数实时监测系统在大体积冻结工程中的应用

黄宝龙 温汉宏 韩玉福张 松杨志刚魏可东

(1.天地科技股份有限公司,北京 100013;2.北京中煤矿山工程有限公司,北京 100013)

人工冻结技术现已广泛应用于矿井建设、市政工程建设[1-5],其优点是可以同时加固地层并隔绝地下水。但其对冻结系统监测水平要求很高[6,7],大体积冻结工程尤其苛刻。目前,大体积冻结工程的监测经验仍然较少[8,9],针对这一现状,笔者依托广州地铁11号线云台花园站—大金钟站区间(下称:云大区间)隧道的大体积冻结工程,介绍了多参数实时监测系统在该工程的成功应用。

1 工程概况

广州地铁云大区间隧道的暗挖部分主要由1#、2#横通道、配线延长段及道岔渡线段、车站暗挖段组成,累计长度约265 m。区间隧道的暗挖部分位于高尔夫球场下方(平面位置见图1),1#与2#竖井已施工完成。由于竖井附近地层涌水量较大、土层含沙量大、自稳差,并且不具备明挖条件,故云大区间1#、2#横通道采用冻结法加固+矿山法暗挖的方案,预计1#、2#横通道的冻结体积分别为8 405.76 m3和6 346.76 m3。

图1 云台花园—大金钟站区间暗挖隧道平面位置示意

2 冻结系统

2.1 冻结设备

1#、2#横通道冻结工程冷冻站装机台总数为28台,附属设备共包括:6 台盐水泵、10台清水泵、8台冷却水塔、盐水箱4个、清水箱2个。

2.2 盐水循环系统

根据设计及工程实际情况,整个盐水循环系统划分为4个循环系统:①内循环:1#盐水箱高温区→1#高温盐水泵→28台盐水机组→2#盐水箱低温区。②外循环:2#盐水箱低温区→4#低温盐水泵→2#横通道工作面→1#盐水箱高温区。③内循环:2#盐水箱高温区→3#高温盐水泵→28 台盐水机组→4#盐水箱低温区。④外循环:2#盐水箱低温区→6#低温盐水泵→1#横通道工作面→3#盐水箱高温区。此外,2#、5#盐水泵分别为1#、3#盐水泵与4#、6#盐水泵的备用泵。

2.3 清水循环系统

清水冷却系统分为8个,每台清水泵和每台冷却水塔为4台盐水机组提供冷却水。清水循环系统为:清水箱→清水泵→4台盐水机组→冷却水塔→清水箱。

2.4 冻结器分组情况

根据设计图纸,1#横通道冻结器共分42组;2#横通道冻结器共分41组。

3 多参数实时冻结监测系统

3.1 监测目的及监测项目

水平孔冻结暗挖隧道施工及与其相关的环境影响均为动态过程。因此,在施工中必须对隧道及周边环境进行三维空间全方位、全过程的监测,从而有助于快速反馈施工信息,以便及时发现问题并采用最优的工程对策。

根据设计要求,结合本工程特点,1#、2#横通道冻结加固工程施工过程中,冻结系统监测项目主要包括:冻结壁温度监测,盐水流量、压力监测,冷冻机组参数监测,水位监测等。

3.2 监测内容

为了能够实时了解冻结壁发展状况及冻结站运行状态,保障施工安全,采用信息化施工技术对冻结壁及冻结站三大系统参数进行实时监测,主要监测内容有:温度监测、管路与冻结器流量监测、管路压力监测、冷冻机组参数监测、盐水箱水位监测等。

3.2.1 温度监测

采用基于组态软件的一线总线式测温系统对系统的各个参数进行监测,具体监测内容如下:

(1)对1#横通道42组盐水回水温度和2#横通道41组盐水回水温度进行监测,判断冻结器运行是否正常;

(2)对2组盐水干管进、回水温度进行监测,计算冷冻站实时制冷量;

(3)对28台冷冻机冷却水出、入水口温度进行监测,判断冷却水系统是否正常;

(4)对28台冷冻机盐水进、出水口温度进行监测,判断冷冻机组制冷能量;

(5)根据设计图纸,1#横通道有测温孔17个,2#横通道有测温孔16 个,单个测温孔每隔2.5 m 设置1个温度测点,实时监测冻结壁发展情况,根据监测结果指导现场开机与冻结施工调整。

温度监测系统所需设备、材料清单见表1,测温模块见图2。

图2 测温模块

表1 温度检测系统设备材料

3.2.2 流量监测

(1)在2组盐水干管上安装流量计,对2组盐水干管流量进行监测,保证盐水流量满足设计要求;

(2)在28台盐水机组的冷却水出口及盐水出口都安装流量计,便于观察冷却水及盐水分配情况;

(4)利用流量计分别对1#横通道42 组冻结器组流量和2#横通道41 组冻结器组流量进行监测,确定单孔流量是否满足设计要求。

流量监测系统所需设备清单见表2。

表2 流量监测设备

冷冻机盐水管流量计与工作面分组流量计现场安装照片分别见图3、图4。

图3 冷冻机盐水管流量计

图4 工作面盐水分组流量计

3.2.3 压力监测

(1)在2组盐水干管上安装压力表,对2组盐水干管压力进行监测,保证盐水压力满足设计要求;

(2)在28台冷冻机盐水管、清水管上安装压力表,对管路压力进行监测,保证供给单台冷冻机组的盐水和冷却水满足设计要求;

(3)分别对1#、2#横通道42、41组冻结器组压力进行监测,确定单孔压力是否满足设计要求。

压力监测系统需压力表80个。

3.2.4 冷冻机组参数监测

对冷冻机电流、油温、吸气压力、排气压力等参数进行监测(见图5),及时发现问题并预警,保障现场施工安全。

图5 冷冻机参数监测

3.2.5 盐水水位监测

本工程整个盐水系统所使用的盐水体积约275 m3,即使盐水箱发生微小下降,整个管路系统的泄漏量却很大,所以,必须对盐水箱水位进行精准监测,当发生盐水泄漏时,能及时发现并报警。液位监测系统所需设备清单见表3,现场照片见图6。

图6 盐水箱水位监测[7]

表3 液位监测设备

4 现场应用效果

1#、2#横通道冻结监测系统于2019-12-30安装完成并调试正常,1#横通道于2020-01-03开始积极冻结,2020-11-27 结构完成;2#横通道于2020-01-10开始积极冻结,2020-12-23结构完成。多参数实时监测系统为本工程的安全顺利完成提供了可靠的支撑。

5 结 论

笔者利用计算机技术、传感器技术等信息技术所构建的多参数实时监测系统,为大断面长距离通道冻结工程的施工安全风险实时控制提供了科学可靠的手段,能够将施工中的安全信息与技术信息综合分析判断,及时有效地发现异常信息,提升了冻结工程的施工安全管理信息采集水平,具有重要的工程应用价值。