基坑钢支撑轴力应力伺服自动补偿系统技术的原理和应用
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摘要：针对上海绿地恒滨置业集团龙华路1960地块项目紧邻地铁深基坑开挖具体情况，运用钢支撑轴力应力伺服系统，减少钢支撑轴力损失。并对基坑临近地铁侧变形最大位置点进行监测，使基坑邻地铁侧围护地下连续墙的变形控制在20mm之内，地铁沉降控制在5mm以内，确保了周边居民建筑的安全和地铁运行安全。
关键词：深基坑；钢支撑；应力伺服系统；围护地下连续墙；变形控制
Pit steel support axial force stress servo automatic compensation system technology theory and applications
Li Hui-yu
（Shanghai Construction Division Engineering Consulting Co.， Ltd.， Shanghai 200032）
Abstract： Shanghai Heng Bin Green Property Group Lot 1960 Longhua Road， adjacent to metro deep excavation specific circumstances， the use of steel support axial force stress servo system to reduce steel support shaft power losses. Pit near the subway and the point where the maximum lateral deformation monitoring， so that the side containment pit adjacent subway underground continuous wall deformation control in 20mm， and the underground settlement control of 5mm or less， to ensure the safety of the surrounding residential buildings and subway safety.
Keywords： deep pit； steel support； stresses servo system； envelope underground continuous wall； deformation control
本工程地下室与7#线共用地下连续墙，为了确保7#线地铁正常运营安全，申通地铁公司对紧邻地铁基坑工程基坑变形提出了更高标准和更严要求，变形控制在20mm之内，工期由5个月改为3个月，施工难度逐渐加大。为确保基坑及地铁安全，基坑施工过程中必须运用有效的控制变形工具、施工工艺及相关控制措施。
本文介绍了钢支撑轴力应力伺服系统的原理和施工应用，并结合基坑、地铁围护变形数据的整理分析，总结应力伺服系统在施工中基坑地铁变形曲线趋势，为钢支撑轴力应力伺服系统应用提供现场依据，从而确保基坑施工与地铁正常运营安全。
1.应力伺服自适应支撑系统介绍
应力伺服自适应支撑系统是结合了现代机电液一体化自动控制技术、计算机信息处理技术以及可视化监控系统等高新技术手段，对支撑轴力进行全天候不间断监测，并根据高精度传感器所测参数值对支撑轴力进行适时的自动或手动补偿来达到控制基坑变形目的的支撑系统。运用自适应支撑系统，实现了对钢支撑轴力的实时监测和控制，解决常规施工方法无法控制的苛刻变形要求和技术难题，使工程始终处于可控和可知的状态，具有良好的社会效益、经济效益和环境保护效益。
2.应力伺服系统施工原理
钢支撑轴力应力伺服系统主要分为4部分：PC人机交流系统，DCS控制系统，油压泵压力系统和钢支撑系统（见图1），其中DCS控制系统为整个系统的控制枢纽，连接其他3大系统。DCS将数据反映至PC系统，显示给监测人员；控制油压泵开启或关闭，增压保压；接收钢支撑端部千斤顶轴力数据，与设计数据进行比较。PC系统将设计数据输入，转换成视觉可操作平面，油压泵提供支撑轴力支持，支撑直接进行压力输出（施予地下连续墙），同时通过传感器将实时轴力数据反馈给DCS控制系统。当反馈数据低于设计轴力数据范围时，DCS控制系统输出信号驱动油压泵系统开启工作，油压泵不断输送给钢支撑千斤顶压力，待传感器传回数据在一段时间（一般5～10min）稳定在设计数据之上时，DCS系统输出信号关闭油压泵，油压泵停止工作；当反馈数据在设计数据范围之内时，一切正常，继续运行；当反馈数据高于设计数据范围最大值，DCS系统发出报警，进行降压处理。
应力伺服系统主要原理如下：
（1）油泵工作压力靠高压比例减压阀自动调定，压力传感器检测，组成闭环控制，保证千斤顶压力的连续可调性及控制精度。
（2）钢支撑轴力保持在设定压力A下（此压力可调），当轴力下降至设定压力B时能自动启动油泵（或蓄能器）补压至A值，当轴力超过设定最大值C时，控制台可自动报警，由工作人员确认是否进行相关操作（保压或减压）。
（3）电气系统由DSC控制器实施自动控制。操作面板上装有彩色触摸屏，可显示和设置工作压力、超载报警和系统工作状况。
（4）PC系统具有输入/输出/显示/操作/修改/存储/打印等功能。
（5）当动力电源断电时，整个电控系统由后备的UPS不间断电源供电，液压动力油源由手动泵提供，确保系统安全。
（6）在千斤顶顶升过程中，随时锁紧机械自锁装置，保证在自控系统突然失效情况下支撑不失效。
整个系统需要整体相互配合才能正常完成工作，由于相关技术限制，尚不能实现DCS系统驱使油压泵自动泄压、全自动控制。
3.应力伺服自适应支撑系统组成
应力伺服自适应支撑系统包括液压动力泵站系统、千斤顶轴力补偿装置和电气控制与监控系统。
3.1液压动力泵站系统
液压动力泵站系统参数如下：
①系统工作压力：28Mpa
②最大工作压力：32Mpa
③系统流量：2.34L/min
④油箱容积：22L；有效容积：15L
⑤电动机功率：1.5KW
⑥工作介质：YB-N46抗磨液压油
液压系统配置包括补偿用液压系统和预撑用普通液压系统。
3.2液压动力泵站系统工作原理
由电机驱动液压泵压出的液压经减压阀减至工作压力后，通过出油口与液压管路连接，为液控阀组的液压缸提供液压驱动力，液压缸的回油泾液压管路回到泵站回油口，经回油过滤器后返回油箱。
3.3液压动力泵站：见图2。
图2 液压动力泵站
3.4千斤顶轴力补偿装置
千斤顶轴力补偿装置：地下连续墙预埋件支撑中心线钢箱体钢支撑和钢支架平台
（1）底钢板；
（2）侧钢板；
（3）支座钢板；
（4）H型钢；
（5）面板；
（6）牛腿筋板；
（7）侧向牛腿筋板；
（8）加劲板；
（9）螺丝
3.4.1千斤顶轴力补偿装置结构
千斤顶结构是分体式带机械锁保险装置的增压油缸，组成部件包括顶块、锁紧螺母、连接过渡套、螺杆、导向套、机械安全阀组件、缸体、活塞、活塞杆、导向套，其技术参数见表。
表3.4.1 千斤顶结构技术参数
序号 项目 单位 参数
1 顶力 t 300
2 工作行程 mm 150
3 最低高度 mm 796～800
4 油缸内径 mm 300
5 活塞杆直径 mm 280
6 油缸外径 mm 395
7 工作压力 MPa 31.5
3.5电气控制与监控系统
本电气控制系统采用DCS系统，系统由监控站、操作站和现场控制站组成，现场控制站靠近基坑边一字排开，每隔一段间距设置一个，分别控制3个泵站（液压系统），每个泵站可控制4个钢支撑。各个站点通过CAN总线实现数据采集及发送控制指令。
3.5.1监控站
全面监控所有的泵站的实时运行情况，包括各油缸压力、设定压力、泵站状态（包括电机正常、过流跳闸、液位、传感器电气故障、传感器冗余状态、液压阀电气故障等状态信息），油缸压力和设定压力以图形化形式显示；并可运行参数设定（设定压力等）。可实时采集运行数据（主要为压力）并存储计算机硬盘长期保存，并按要求（时间段等）以图形形式显示，以及打印报表，也可将数据导出EXCEL表格。
自适应支撑系统的工作界面，可以显示每个控制站下各泵站所连接的所有油缸情况。多色小方块为各类状态和故障报警（如果存在），何种故障存在则何种颜色的小方块显现出来，无故障时并不显现；紫色长柱状为设定压力，红色长柱状为实际油缸压力，二者可以轻松实现图形化比较。
3.5.2监控站工作图示可以显示和调整：调节压力、泵站状态、泵站故障、设定压力、油缸压力、油缸状态、油缸故障。
监控站数量1套，具体由以下部件系统组成：
①PC，上位机：1套②PC监控软件等：1套③UPS不间断电源：1只④CAN-USB适配器：1只⑤快速重载接插件：2套⑥PC柜柜体：1只⑦低压电气元件：若干
3.5.3操作站
实现现场的各单独泵站的实时运行情况的监控和运行参数设定（设定压力等）；以及实现现场所有的存在故障的泵站的故障集中显示界面。
操作站数量1套，具体由以下部件系统组成：
①HMI工业触摸屏10.4寸：1只②HMI工业触摸屏软件等：1套③控制器PLVC（单层）：1只④控制器软件等：1套⑤总线浪涌抑制器：1只⑥快速重载接插件：3套⑦快速重载接插件：3套⑧控制柜体：1只⑨低压电气元件若干
图3.5.3.1操作站：见图3
图3 操作站
3.5.4现场控制站
分别采集12个钢支撑的运行数据（如压力、液位等），并通过CAN总线传送至监控站和操作站；接受监控站和操作站的控制指令，分别控制12个钢支撑的压力调节，伸缩动作、液压泵起停等。分别采集12个钢支撑的运行数据（如压力、液位等），并通过CAN总线传送至监控站和操作站；接受监控站和操作站的控制指令，分别控制12个钢支撑的压力调节，伸缩动作、液压泵起停等。
3.5.4.1现场控制站：见图4。
图4 现场控制站
现场控制站数量共4台，每台具体由以下部件系统组成：
①控制器PLVC（三层）：2只②控制器软件等：1套⑶总线浪涌抑制器：1只④总线分配器：1只⑤快速重载接插件：21套⑥控制柜体（户外型）：1只⑦低压电气元件：①开关电源（24V/40A）：1只②直流电源分配器：4只③断路器：10只④接触器：8只⑤直流浪涌抑制器：1只⑥其他电气元件：
3.5.5钢支撑液压站电气系统
系统的控制对象，其中主要由钢管主体结构，轴力自动补偿装置组成，由现场控制站控制其伸缩动作、设定压力等，并通过检测元件（如压力传感器）将运行信息反馈到现场控制站
每台液压小泵站系统需配置1套电气接线盒装置，每套电气接线盒装置由以下部件系统组成：
①接线盒：1套②快速重载接插件：2套③其他电气元件：若干
3.5.5.1液压站电气系统：见图5
图5 液压站电气系统
综上，控制系统具有以下特点：
（1）控制系统采用DCS控制技术：DCS是面向整体，面向系统的控制技术，目标是整个系统的最优化控制，包括现场实时控制的最优化和综合信息管理的最优化。
（2）现场总线采用CAN总线：现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术保障。
（3）友好的人机界面：监控站采用PC机，操作站采用HMI，图形化形式全面监控系统所有实时运行情况，包括各油缸实际压力、设定压力、泵站状态（包括电机正常、过流跳闸、液位、传感器电气状态、传感器冗余状态、液压阀的电气故障等状态信息）；运行参数设定（设定压力等）。
（4）操作简单，维护方便：每个现场控制站和钢支撑液压系统型号规格完全一致，具有良好的互换性，采用快速重载接插件方式联接，大大减少现场配线工作量，并可以即插即用，简单方便。
（5）具备完善的电气安全保护措施和实时诊断措施，将故障概率减到最低并将故障的影响隔离到最小，以全面的诊断手段捕捉故障信息并以迅捷的方式递送到监控者。
（6）品质优良，安全可靠：所有电气元器件均采用施耐德、MURR，魏德米勒、菲尼克斯等进口或国内知名品牌，并有良好的生产工艺保障。
3.6自适应支撑系统数据处理功能
3.6.1自适应支撑系统监控站主画面。
3.6.2自适应支撑系统操作站主画面。
3.6.3自适应支撑系统的数据处理包括输出某时间的全部压力（时间点―全部压力）、某油缸在一时间段的压力和某油缸的故障。输出界面包括：
（1） 时间点―全部压力
（2） 时间点―全部压力可以输出实时压力监控成果表。
（3）时间段―某缸压力
时间段―某缸压力可以输出某油缸某天的压力变化曲线。自适应支撑系统可以实现对钢支撑轴力的补偿，也可以对钢支撑进行降压（防止压力过大失稳），同时还具有良好的保压效果，即使在停电情况下也能保持压力稳定。
（4）支撑轴力补偿
（5）降低支撑轴力
（6）停电情况下的保压效果
（7）时间段―某缸故障
可以输出某油缸在一时间段的压力和某油缸的故障。
4.自适应支撑系统安全策略
为了保证基坑施工的安全及施工的顺利进行，采取以下安全策略：
（1）支撑安全策略――双保险安全策略
①机械锁
②油压锁定（零泄漏）
（2）自适应系统执行机构安全策略
①油缸ISO9001专业厂制造，并经严格试验、验收。
②支座前端锲块锁紧置换油缸策略
（3）总线等系统安全策略
①总线+硬质钢管护套=现场安全布线
②移动诊断箱（触摸屏式），或称移动故障诊断器，也称应急故障诊断系统。
（4）系统设备野外作业安全可靠性策略
①液压动力泵站系统，防护等级IP65以上；
②控制站，防护等级IP65以上；
③操作站和监控站，置于室内防护；
④电缆接插件等防护等级IP65以上，确保密封防水。
（5）系统冗余设计
系统设计增加足够的冗余能力，以增加系统的安全性和宽范的使用功能，譬如：油缸0～300t很宽范。
5.1项目概况
本工程位于斜土街道107街坊龙华路1960号，周边四条道路，东靠东安路，西靠阳光路，南临规划路，北临龙华路。其中东安路和龙华路为原有道路，其余两条道路为新建道路，根据围护设计要求，钢支撑基坑共划分为4-1区、4-2区、5-1区、5-2区、6-1区、6-2区、7-1区和7-2区共8个区域先后施工，基坑临近地铁7号线船厂路站，基坑呈狭长形，普遍开挖深度15.7m，对基坑施工变形控制要求严格。
考虑到基坑周边环境特点和开挖深度，内支撑采用“对撑为主+局部角撑”的布置形式，临近地铁7号的4-1区、4-2区、5-1区、5-2区、6-1区、6-2区、7-1区和7-2区基坑设置四道内支撑，第一道支撑为钢筋混凝土支撑，第二、三、四道支撑为钢支撑，钢支撑采用∅；609X16钢管，钢材均采用Q235b钢，为了控制基坑施工的基坑变形，确保地铁的运行安全，对4-1区、4-2区、5-1区、5-2区、6-1区、6-2区、7-1区和7-2区基坑施工的钢支撑系统采用自适应液压伺服基坑位移变形控制系统，以始终保持轴力在设计值和控制围护结构变形，保证地铁的运行安全。每根钢支撑设置一个带回锁功能压力量程达3000kN的油压缸并根据设计要求分步加载到设计值。
4-1区、4-2区、5-1区、5-2区、6-1区、6-2区、7-1区和7-2区基坑共设置了三道钢支撑，每道有15（4-1区）+11（4-2区）+9（5-1区）+13（5-2区）+10（6-1区）+18（6-2区）+13（7-1区）+10（7-2区）=99根钢支撑，共计297根钢支撑需采用液压自动轴力补偿。
5.2钢支撑轴力自适应支撑系统示意图如图六。
5.3设备的现场配置
本系统的现场控制站靠近基坑边一字排开，每隔一段间距设置一个，分别控制3个泵站（液压系统），每个泵站可控制4个钢支撑。各个站点通过CAN总线实现数据采集及发送控制指令。在施工4-1区、4-2区、5-1区、5-2区、6-1区、6-2区、7-1区和7-2区基坑时，由于分区域开挖，故需配置297个油缸、50台液压伺服泵站、17个现场控制站、3个监控站、3台加油泵站、2套移动诊断系统以及若干总线和连接转换装置组成。
综上，该工程将对4-1区、4-2区、5-1区、5-2区、6-1区、6-2区、7-1区和7-2区基坑297道钢支撑实施轴力自动补偿控制。
5.4供电系统配置
供电系统共配置6台配电箱以及若干电缆及组件等组成。
5.5现场安装调试
包括程序调试、设备安装调试、系统压力设定和自动补偿装置启动、千斤顶钢支座套箱、液压管路系统等结构安装。
5.6设计轴力及加载
本工程共有297道钢支撑需要安装轴力补偿装置，每根钢支撑设置一个带回锁功能压力量程达3000kN的油压缸。可按设计要求对第二道、第三道、第四道钢支撑施加轴力，每道钢支撑分步施加到设计轴力值。
5.7我们选取4-1区二、三、四层钢支撑采用传统钢支撑和自适应液压伺服钢支撑系统进行分析比较；根据监测报告，选取中部某点深度9.0m处进行分析，自10月6日起的变形监测结果列表如下。
表5.7.1 QX10孔位深度为9.0m处的变形值
时间 10/6 10/7 10/8 10/9 10/10 10/11 10/12 10/13 10/14 10/15 10/16 10/17
变形值（mm） -2.4 -2.61 -2.96 -3.37 -3.72 -4.08 -5.72 -6.61 -7.58 -8.42 -9.23 -9.88
时间 10/18 11/19 11/20 10/21 10/22 10/23 10/24 10/25 10/26 10/27 10/28 10/29
变形值（mm） -10.45 -11.02 -11.89 -12.31 -12.81 -13.72 -14.25 -14.73 -15.23 -15.62 -15.96 -16.26
时间 10/30 10/31 11/1 11/2 11/3 11/4 11/5 11/6 11/7 11/8 11/9 11/10
变形值（mm） -16.47 -16.66 -16.99 -17.36 -17.66 -17.87 -17.99 -18.15 -18.26 -18.46 -18.52 -18.64
表5.7.2 QX10孔位深度为9.0m处的变化速率值
时间 10/6 10/7 10/8 10/9 10/10 10/11 10/12 10/13 10/14 10/15 10/16 10/17
变形值（mm） -0.26 -0.21 -0.35 -0.41 -0.35 -0.36 -1.64 -0.89 -0.97 -0.84 -0.81 -0.65
时间 10/18 11/19 11/20 10/21 10/22 10/23 10/24 10/25 10/26 10/27 10/28 10/29
变形值（mm） -0.57 -0.57 -0.87 -0.42 -0.5 -0.91 -0.53 -0.48 -0.5 -0.39 -0.34 -0.3
时间 10/30 10/31 11/1 11/2 11/3 11/4 11/5 11/6 11/7 11/8 11/9 11/10
变形值（mm） -0.21 -0.29 -0.26 -0.34 -0.3 -0.21 -0.12 -0.16 -0.11 -0.2 -0.06 -0.12
图6 钢支撑轴力自适应支撑系统意
为了更直观的反映地连墙的变形规律，将该点最大变形值及最大变化速率随时间的变化情况绘制成图，如图5.7.3～5.7.4。
图5.7.3 变形-时间图
图5.7.4 变化速率-时间图
由图5.7.3～5.7.4可以看出，在开挖第二层土体时，由于采用传统钢支撑工艺，地连墙变形最大变化速率达到-1.64mm/d，超过了设定的报警值，且随后若干天内的最大变化速率均保持在-0.8mm/d左右，变形发展迅速。自10月20日第三层的第3、4号支撑开启轴力补偿装置，地连墙的变形发展得到了有效控制，从之前的-0.87mm/d降低至-0.42mm/d。随后10月23日安装第四层第3、4号支撑的轴力补偿装置，效果同样十分显著，最大变化速率从之前的-0.91mm/d降低至-0.53mm/d，且在随后的三天内，最大变化速率基本控制在-0.4mm/d以内。最终，地连墙最大变形值为18.64mm。
通过以上分析，可以得出如下结论：
（1）自适应支撑系统可以有效控制地连墙的最大变形，完全能够保证地连墙最大累计变形值在20.0mm以下；
（2）截止11月10日地连墙累计最大变形为18.64mm，而在自适应支撑系统安装之前地连墙变形已经达到11.89mm，占累计最大变形的64%，也就是说，自适应支撑系统安装调试完毕后地连墙所发生的变形只有6.75mm；
（3）与传统钢支撑相比，自适应支撑系统可以明显降低地连墙的最大变化速率；
（4）自适应支撑系统安装完毕后3天左右，地连墙的变形基本趋于稳定，最大变化速率控制在-0.4mm/d以内。
5.8应用结果
在整个施工过程中，液压伺服轴力补偿系统对基坑变形发挥了重要作用，基坑变形8.6mm，地铁沉降变形1.3mm，远小于设计及地铁公司等的变形控制要求，自适应支撑系统对基坑地连墙及地铁的位移变形控制起到了很好的作用，确保了深基坑开挖施工的安全与质量。
6.结束语
通过创新研制的自适应支撑系统，将传统支撑技术与液压动力控制系统、可视化监控系统等结合起来，实现了对钢支撑轴力的监测和控制24h不间断数据传输，解决常规施工方法无法控制的苛刻变形要求和技术难题，使工程始终处于可控和可知的状态，对保护邻近地铁具有重要意义。
通过分析，可以得出如下结论：
（1）自适应支撑系统具有精度高、安全、可靠、性能稳定、操作方便、维护方便等特点。
（2）与传统钢支撑相比，自适应支撑系统可以有效控制地连墙的最大变形及最大变化速率，完全能够保证地连墙最大累计变形值在20.0mm以内；自适应支撑系统可以有效控制邻 近地铁等重要建（构）筑物的变形。
（3）基坑使用自适应系统的道数越多，控制基坑地连墙水平位移变形的能力越强，控制变形的效果越佳。
（4）可以有效防止和杜绝深基坑施工由于支撑等各种因素引起的施工事故，确保施工安全。
（5）施工中，做到随挖、随撑和随补，可以极大提高控制效果，减少位移变形。
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_____________________
【文章编号】1627-6868（2013）07-0001-07
【作者简介】李慧玉（1972-），男，上海人，高级工程师，主要研究方向：深基坑基础工程。