陳振鋒，孟偉玉，敬洋，蔣忠全，彭勇輝

（中鐵隧道集團(tuán)三處有限公司，廣東 深圳 518048）

1 工程概況

深中跨江通道全長(zhǎng)24.03km，北距虎門大橋約30km，南距港珠澳大橋約38km，起于深圳市寶安機(jī)場(chǎng)南，與廣深沿江高速相接，設(shè)機(jī)場(chǎng)樞紐互通立交，終于中山市翠亨新區(qū)馬鞍島，與擬建中開高速及規(guī)劃東部外環(huán)高速相接，設(shè)橫門樞紐互通立交。總體為東隧西橋，設(shè)計(jì)時(shí)速100km/h、雙向八車道。跨海段長(zhǎng)22.390km，陸地段長(zhǎng)1.64km。主線橋梁總長(zhǎng)16985m，隧道長(zhǎng)6870m，海中設(shè)置東、西兩處人工島。標(biāo)段工程由東人工島、島上主線隧道與堰筑段隧道、機(jī)場(chǎng)互通匝道隧道、救援碼頭、島上建筑及島內(nèi)道路、市政、園林綠化和中山馬鞍島營(yíng)地工程等組成，東人工島范圍內(nèi)沿江高速長(zhǎng)約1.2km，橋下凈空約15.18m，共有40跨橋墩承臺(tái)受其填島影響。

在東人工島施工之前，對(duì)沿江高速下的40跨橋墩承臺(tái)進(jìn)行鋼圍堰采用鋼管樁和鋼板樁保護(hù)。施工采用船舶+履帶式汽車吊+靜壓植樁機(jī)機(jī)/機(jī)械手打樁機(jī)，在橋下凈高15.4～18.5m，海上起重吊裝高度受到嚴(yán)重限制，以及施工區(qū)域的局限性，起重作業(yè)人員操作難度相當(dāng)大，對(duì)于吊車大臂頂部與橋面之間的距離憑借肉眼觀察，難以保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，多次出現(xiàn)吊臂碰撞橋面的擦傷。為了使橋樁保護(hù)施工安全可靠的運(yùn)行，特設(shè)計(jì)一種起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置，用于起重吊裝的安全輔助。以聲音或屏幕顯示，直觀地告知操作司機(jī)吊車大臂頂部與橋面之間的距離，解除了操作司機(jī)及起重指揮人員肉眼觀測(cè)吊車大臂頂部與橋面之間距離的誤差，大幅度降低了吊車大臂頂部與橋面接觸的可能性，確保橋樁保護(hù)安全施工。

2 起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置

2.1 起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置設(shè)計(jì)方案

本設(shè)計(jì)主要采用自動(dòng)控制系統(tǒng)和超聲波探測(cè)技術(shù)，履帶式起重機(jī)在進(jìn)行起重吊裝作業(yè)時(shí)，超聲波探頭發(fā)送超聲波，遇到障礙物，產(chǎn)生回波信號(hào)，傳感器接收到回波信號(hào)后經(jīng)控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而計(jì)算出吊車大臂與橋面之間的距離，再由顯示屏和蜂鳴器發(fā)出警示信號(hào)，提醒操作司機(jī)注意吊車大臂與橋面之間的距離，避免吊車大臂與橋面發(fā)生碰撞，見圖1。

2.2 起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置設(shè)計(jì)基本參數(shù)要求（表1）

2.3 起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置技術(shù)參數(shù)

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

表1 設(shè)計(jì)基本參數(shù)要求

額定電壓：直流12V/24V；工作溫度：-30～+70℃；反映時(shí)間：0.05秒/探頭；探測(cè)距離：0~3m；探測(cè)角度：XY=60~80°。

2.4 起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置所需配件

主機(jī)控制盒1個(gè)；顯示器1個(gè)；攝像頭1個(gè)；蜂鳴器1個(gè)；超聲波探頭8個(gè)；24V直流電源1個(gè)；電源線1條；四芯延長(zhǎng)線2條；攝像頭延長(zhǎng)線1條。

3 主機(jī)控制盒的設(shè)計(jì)原理

主機(jī)控制盒是整個(gè)起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置的核心，整個(gè)主機(jī)盒由微處理器、超聲波發(fā)射器、超聲波接收器、顯示電路等組成，微處理器向超聲波發(fā)射器發(fā)出信號(hào)，超聲波發(fā)生器發(fā)出電磁波，超聲波發(fā)出后遇到障礙物反射回來(lái)，被超聲波接收器接受，超聲波接收器將接受到的回波信息反饋到微處理器，微處理器根據(jù)測(cè)距公式對(duì)所接收到的信息進(jìn)行處理，并將測(cè)距數(shù)據(jù)發(fā)送到顯示電路，顯示線路將測(cè)距結(jié)果顯示出來(lái)。

4 起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置的安裝

（1）起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置安裝原理（圖2）。

（2）在起重機(jī)大臂4個(gè)角頂端5～6cm處安裝8個(gè)超聲波探頭（避免因探頭數(shù)量過(guò)少，存在探測(cè)盲區(qū)），安裝超聲波探頭的周圍應(yīng)無(wú)障礙物，超聲波探頭發(fā)射的超聲波能夠順利到達(dá)橋面。探頭、主機(jī)盒安裝位置示意圖如圖3、圖4所示。

圖2 起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置安裝原理

圖3 超聲波探頭、主機(jī)控制盒安裝位置示意圖

圖4 超聲波探頭安裝示意圖

（3）在距離起重機(jī)吊臂頂部5m左右，安裝起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置——主機(jī)控制盒（圖5）。

在沿江高速橋墩保護(hù)施工過(guò)程中，起重機(jī)除了吊裝鋼板樁、鋼管樁之外，還需要吊裝液壓振動(dòng)錘施打鋼板樁和鋼管樁，因此主機(jī)控制盒應(yīng)該裝置在震動(dòng)較小的位置，避免因震動(dòng)對(duì)主機(jī)控制盒造成太大影響，進(jìn)而對(duì)整個(gè)起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置造成影響；另外，主機(jī)控制盒的安裝位置應(yīng)做好防雨淋措施，避免雨水進(jìn)入主機(jī)控制盒，對(duì)主機(jī)控制盒的電路造成影響。

圖5 主機(jī)控制盒安裝示意圖

（4）在起重機(jī)駕駛室的右上方安裝起重吊裝的預(yù)警裝置，本預(yù)警裝置有數(shù)字顯示屏和蜂鳴器組成，數(shù)字顯示屏顯示吊車大臂頂部距橋面的距離，蜂鳴器由主機(jī)控制盒控制，主機(jī)控制盒根據(jù)吊車大臂距離橋面頂部的距離向蜂鳴器發(fā)出不同的控制信號(hào)，控制蜂鳴器的聲響。

（5）整個(gè)起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置所需的電源為直流12V/24V，通過(guò)電源線將起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置與起重機(jī)的電瓶電源相接。

5 起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置的調(diào)試

為了確保起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置靈敏、有效、可靠，在沿江高速橋墩保護(hù)施工過(guò)程中，能夠真的起到自動(dòng)預(yù)警的作用，需對(duì)起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置進(jìn)行調(diào)試，調(diào)試方法為：利用測(cè)量組的專業(yè)測(cè)量?jī)x器——全站儀，對(duì)起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置顯示的數(shù)據(jù)進(jìn)行復(fù)核，通過(guò)對(duì)兩個(gè)數(shù)據(jù)的對(duì)比，分析起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置的可靠性。

測(cè)試過(guò)程：起升汽車起重機(jī)的大臂，當(dāng)顯示屏顯示的數(shù)據(jù)為2.9時(shí)，停止起升；然后，用全站儀測(cè)量吊車大臂頂部距橋面底部的距離，并記錄兩個(gè)數(shù)據(jù)；繼續(xù)起升汽車起重機(jī)的大臂，當(dāng)顯示屏顯示的數(shù)據(jù)為1.9時(shí)，用全站儀測(cè)量吊車大臂頂部距橋面底部的距離，并記錄兩個(gè)數(shù)據(jù)；繼續(xù)起升汽車起重機(jī)的大臂，當(dāng)顯示屏顯示的數(shù)據(jù)為1.1時(shí)，用全站儀測(cè)量吊車大臂頂部距橋面底部的距離，并記錄兩個(gè)數(shù)據(jù)；繼續(xù)起升汽車起重機(jī)的大臂，當(dāng)顯示屏顯示的數(shù)據(jù)為0.9時(shí)，用全站儀測(cè)量吊車大臂頂部距橋面底部的距離，并記錄兩個(gè)數(shù)據(jù)；繼續(xù)起升汽車起重機(jī)的大臂，當(dāng)顯示屏顯示的數(shù)據(jù)為0.28時(shí)，用全站儀測(cè)量吊車大臂頂部距橋面底部的距離，并記錄兩個(gè)數(shù)據(jù)。

測(cè)試數(shù)據(jù)記錄如表2。

表2

測(cè)試數(shù)據(jù)分析：隨著吊車大臂的提升，起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置顯示屏的數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量的數(shù)據(jù)偏差越來(lái)越大，造成的原因是由于超聲波探頭安裝的位置距離吊車大臂頂端相距5cm，假設(shè)超聲波探頭安裝位置的水平方向與吊車大臂之間的夾角為θ，超聲波探頭的位置距吊車大臂頂端的垂直距離為h，則h與θ之間的關(guān)系為：

由h和θ的關(guān)系式可以看出：0°≤θ≤90°之間，h隨之θ的增大而增大。在吊車大臂起升過(guò)程中，θ的角度會(huì)逐漸增大，進(jìn)而導(dǎo)致超聲波探頭的位置距離吊車大臂頂部的距離也相應(yīng)增大，所以：隨著吊車大臂的提升，起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置顯示屏的數(shù)據(jù)與全站儀測(cè)量的數(shù)據(jù)偏差越來(lái)越大。

由上述的理論分析可以得出，顯示屏顯示的數(shù)據(jù)絕對(duì)不能少于0.05，另外，考慮到8個(gè)超聲波探頭安裝的位置距離吊車大臂頂端的距離不可能是絕對(duì)的5cm；海水波動(dòng)導(dǎo)致船舶和履帶式汽車吊的波動(dòng)；吊車大臂起升的速度等多方面原因，要求顯示屏顯示的數(shù)據(jù)低于0.3時(shí)，吊車大臂應(yīng)嚴(yán)禁起升。

6 結(jié)語(yǔ)

深中通道S03標(biāo)沿江高速鋼圍堰施工過(guò)程中，在役橋梁低凈空條件下，進(jìn)行起重吊裝作業(yè)，采用起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置，能夠直觀地顯示履帶式汽車吊大臂頂部與沿江高速橋面之間的距離，避免了傳統(tǒng)人眼觀測(cè)的盲區(qū)和不準(zhǔn)確性，方便操作司機(jī)更安全地進(jìn)行起重吊裝作業(yè)，為沿江高速鋼圍堰施工提供了一定的安全保證。起重吊裝自動(dòng)預(yù)警裝置為以后類似的低凈空條件下進(jìn)行起重吊裝作業(yè)提供了很好的借鑒。