自动反馈调节系统在基坑降水-回灌精细化控制的应用

周望，张雷，常来，刘永强，李志力

（南京市公共工程建设中心，南京200093）

1 引言

随着数字化、信息化、智能化的发展以及物联网技术的日趋成熟，对降水运行的各个环节进行实时监控和控制成为可能。监控测量技术及可视化技术的应用，能够将现场降水运行数据直观地展示到计算机或手机终端上，利用邮件或APP 软件推送，在监测值超过阈值的情况下及时向相关单位人员进行报警，有效对基坑降水运行风险进行控制，确保基坑开挖安全。

目前，许多降水单位对基坑降水自动化控制进行研究，取得了一定成果。但目前对于降水监测与控制的集成化不足，大多仅利用某个单一监测量对降水运行进行自动控制，尚少见利用多监测量综合分析进行降水智能控制的案例。实际上，降水工程是一个系统性、整体性的工程[1]，受整体多因素共同影响制约，仅仅针对其中某一局部或某一因素的自动控制无法达到降水运行协调有序进行的目的，降水过程中依然离不开大量人员参与控制。

因此，建立一套能够将自动监测系统收集到的坑内坑外降水井、观测井、回灌井水量、水位数据以及周边沉降数据结合现场开挖工况、天气条件等多因素进行逻辑运算，从而自动调节降水设备功率或回灌流量的自动反馈调节系统十分必要。

2 工程实践

在南京和燕路过江隧道工程实践中，研发出一套自动反馈调节系统，这套自反馈调节系统由信息采集系统、信息处理系统和控制系统三部分组成。

信息采集系统将水量、水位以及周边沉降等数据进行实时采集、分类存储，传输至信息处理系统[2]。信息处理系统将数据进行分析，根据预先设定的控制量（如降水水位深度、沉降速率、水位下降速率等）对控制系统发出指令。控制系统根据信息处理系统的指令通过调整水泵功率、阀门大小等手段对出水量、水位、沉降进行控制，并由信息采集系统将控制后的数据反馈给信息处理系统，信息处理系统自动根据控制结果调节控制指令，从而起到自动反馈调节的作用。

该工作现场的信息采集系统由自动监测水位计、电磁流量计组成。为了及时了解现场情况，同时避免重要信息被过多数据淹没，采样频率设置为每分钟一次。获取的数据可以实时显示在网站和移动APP 上，如图1 所示。通过对某些水位敏感区域进行分析后，当这些区域的水位异常时（如超过设定的某个阈值或阶段变化值），云平台会将报警信息发送至用户手机短信或微信上，现场管理人员及相关技术人员收到报警信息后可及时对现场进行处理。

图1 远程自动监测

现场信息控制系统由计算机工作站组成，可实时显示采集的数据并进行分析，存储监测点的历史水位变化曲线，并能将某个时间段的水位数据导出到Excel 中。通过预设的程序进行逻辑运算，对现场控制系统下发指令。

现场控制系统主要控制水位和出水量。水位的控制采用遥感浮球阀控制[3]，如图2 所示。井内水位低于浮球位置，浮球给遥感阀门压力信号，遥感浮球打开阀门排水口开始排水，井内水位高于浮球位置，浮球给遥感阀门压力信号，遥感浮球关闭阀门排水口停止排水。出水量控制采用高精密可控变频控制箱控制，通过调节输出电流大小及功率，对工程涉及的降水井统一进行协调控制，保证各区域降水满足工程需要。

图2 遥感阀门回灌控制

除此之外，由于场地临近长江，渗透系数大，水量补给快，水位恢复非常快，1 分钟水位恢复超过10%，因此，一旦停电水泵停止运行，坑内水位大幅上升，淹没基坑内施工机械和人员造成的后果无法估量，影响基坑的安全。因此，需要保证一路工业用电停电后另一路工业用电能及时使用，保证停电1分钟内能将确保降水井的电源得到更换，确保在基坑开挖过程中降水不得长时间中断。

针对这一难题，本工程采用电源智能切换系统，市电电源和备用电源均连接至“TU-MG”中央智能控制器上，中央智能控制器控制“TGM-E”全自动转换开关在市电电源停电时立即切换至备用电源。考虑到所有水泵一次性瞬间启动电流较大会对供电网络产生冲击，设计时将支路开关设置延时启动，分路分时启动各支路接触器，这样在无人值班的状态下，能保证水泵的正常启动运行。

3 结论

整个工程共涉及114 口降水井、57 口观测井以及217 口坑外回灌井，井数量多，各井启动时间不一，各工程段需要控制的水位深度不一，控制内容复杂。自动反馈调节系统在本工程中的应用，充分体现了施工精细化管理控制理念。利用最新的物联网技术和智能处理计算，不仅能够让施工各方有效协调，保证了项目的顺利实施。同时，也节约了人力成本和能源消耗，控制了基坑外侧地面沉降变形，取得了良好的环境效益和社会效益。