基坑鋼支撐軸力應(yīng)力伺服自動補(bǔ)償系統(tǒng)技術(shù)的原理和應(yīng)用

李慧玉

摘 要：針對上海綠地恒濱置業(yè)集團(tuán)龍華路1960地塊項目緊鄰地鐵深基坑開挖具體情況，運用鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)，減少鋼支撐軸力損失。并對基坑臨近地鐵側(cè)變形最大位置點進(jìn)行監(jiān)測，使基坑鄰地鐵側(cè)圍護(hù)地下連續(xù)墻的變形控制在20mm之內(nèi)，地鐵沉降控制在5mm以內(nèi)，確保了周邊居民建筑的安全和地鐵運行安全。

關(guān)鍵詞：深基坑；鋼支撐；應(yīng)力伺服系統(tǒng)；圍護(hù)地下連續(xù)墻；變形控制

本工程地下室與7#線共用地下連續(xù)墻，為了確保7#線地鐵正常運營安全，申通地鐵公司對緊鄰地鐵基坑工程基坑變形提出了更高標(biāo)準(zhǔn)和更嚴(yán)要求，變形控制在20mm之內(nèi)，工期由5個月改為3個月，施工難度逐漸加大。為確?；蛹暗罔F安全，基坑施工過程中必須運用有效的控制變形工具、施工工藝及相關(guān)控制措施。

本文介紹了鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)的原理和施工應(yīng)用，并結(jié)合基坑、地鐵圍護(hù)變形數(shù)據(jù)的整理分析，總結(jié)應(yīng)力伺服系統(tǒng)在施工中基坑地鐵變形曲線趨勢，為鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)應(yīng)用提供現(xiàn)場依據(jù)，從而確?；邮┕づc地鐵正常運營安全。

1.應(yīng)力伺服自適應(yīng)支撐系統(tǒng)介紹

應(yīng)力伺服自適應(yīng)支撐系統(tǒng)是結(jié)合了現(xiàn)代機(jī)電液一體化自動控制技術(shù)、計算機(jī)信息處理技術(shù)以及可視化監(jiān)控系統(tǒng)等高新技術(shù)手段，對支撐軸力進(jìn)行全天候不間斷監(jiān)測，并根據(jù)高精度傳感器所測參數(shù)值對支撐軸力進(jìn)行適時的自動或手動補(bǔ)償來達(dá)到控制基坑變形目的的支撐系統(tǒng)。運用自適應(yīng)支撐系統(tǒng)，實現(xiàn)了對鋼支撐軸力的實時監(jiān)測和控制，解決常規(guī)施工方法無法控制的苛刻變形要求和技術(shù)難題，使工程始終處于可控和可知的狀態(tài)，具有良好的社會效益、經(jīng)濟(jì)效益和環(huán)境保護(hù)效益。

2.應(yīng)力伺服系統(tǒng)施工原理

鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)主要分為4部分：PC人機(jī)交流系統(tǒng)，DCS控制系統(tǒng)，油壓泵壓力系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)（見圖1），其中DCS控制系統(tǒng)為整個系統(tǒng)的控制樞紐，連接其他3大系統(tǒng)。DCS將數(shù)據(jù)反映至PC系統(tǒng)，顯示給監(jiān)測人員；控制油壓泵開啟或關(guān)閉，增壓保壓；接收鋼支撐端部千斤頂軸力數(shù)據(jù)，與設(shè)計數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。PC系統(tǒng)將設(shè)計數(shù)據(jù)輸入，轉(zhuǎn)換成視覺可操作平面，油壓泵提供支撐軸力支持，支撐直接進(jìn)行壓力輸出（施予地下連續(xù)墻），同時通過傳感器將實時軸力數(shù)據(jù)反饋給DCS控制系統(tǒng)。當(dāng)反饋數(shù)據(jù)低于設(shè)計軸力數(shù)據(jù)范圍時，DCS控制系統(tǒng)輸出信號驅(qū)動油壓泵系統(tǒng)開啟工作，油壓泵不斷輸送給鋼支撐千斤頂壓力，待傳感器傳回數(shù)據(jù)在一段時間（一般5～10min）穩(wěn)定在設(shè)計數(shù)據(jù)之上時，DCS系統(tǒng)輸出信號關(guān)閉油壓泵，油壓泵停止工作；當(dāng)反饋數(shù)據(jù)在設(shè)計數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)時，一切正常，繼續(xù)運行；當(dāng)反饋數(shù)據(jù)高于設(shè)計數(shù)據(jù)范圍最大值，DCS系統(tǒng)發(fā)出報警，進(jìn)行降壓處理。

應(yīng)力伺服系統(tǒng)主要原理如下：

（1）油泵工作壓力靠高壓比例減壓閥自動調(diào)定，壓力傳感器檢測，組成閉環(huán)控制，保證千斤頂壓力的連續(xù)可調(diào)性及控制精度。

（2）鋼支撐軸力保持在設(shè)定壓力A下（此壓力可調(diào)），當(dāng)軸力下降至設(shè)定壓力B時能自動啟動油泵（或蓄能器）補(bǔ)壓至A值，當(dāng)軸力超過設(shè)定最大值C時，控制臺可自動報警，由工作人員確認(rèn)是否進(jìn)行相關(guān)操作（保壓或減壓）。

（3）電氣系統(tǒng)由DSC控制器實施自動控制。操作面板上裝有彩色觸摸屏，可顯示和設(shè)置工作壓力、超載報警和系統(tǒng)工作狀況。

（4）PC系統(tǒng)具有輸入/輸出/顯示/操作/修改/存儲/打印等功能。

（5）當(dāng)動力電源斷電時，整個電控系統(tǒng)由后備的UPS不間斷電源供電，液壓動力油源由手動泵提供，確保系統(tǒng)安全。

（6）在千斤頂頂升過程中，隨時鎖緊機(jī)械自鎖裝置，保證在自控系統(tǒng)突然失效情況下支撐不失效。

整個系統(tǒng)需要整體相互配合才能正常完成工作，由于相關(guān)技術(shù)限制，尚不能實現(xiàn)DCS系統(tǒng)驅(qū)使油壓泵自動泄壓、全自動控制。

3.應(yīng)力伺服自適應(yīng)支撐系統(tǒng)組成

應(yīng)力伺服自適應(yīng)支撐系統(tǒng)包括液壓動力泵站系統(tǒng)、千斤頂軸力補(bǔ)償裝置和電氣控制與監(jiān)控系統(tǒng)。

3.1液壓動力泵站系統(tǒng)

液壓動力泵站系統(tǒng)參數(shù)如下：

①系統(tǒng)工作壓力：28Mpa

②最大工作壓力：32Mpa

③系統(tǒng)流量：2.34L/min

④油箱容積：22L；有效容積：15L

⑤電動機(jī)功率：1.5KW

⑥工作介質(zhì)：YB-N46抗磨液壓油

液壓系統(tǒng)配置包括補(bǔ)償用液壓系統(tǒng)和預(yù)撐用普通液壓系統(tǒng)。

3.2液壓動力泵站系統(tǒng)工作原理

由電機(jī)驅(qū)動液壓泵壓出的液壓經(jīng)減壓閥減至工作壓力后，通過出油口與液壓管路連接，為液控閥組的液壓缸提供液壓驅(qū)動力，液壓缸的回油涇液壓管路回到泵站回油口，經(jīng)回油過濾器后返回油箱。

3.3液壓動力泵站：見圖2。

3.4千斤頂軸力補(bǔ)償裝置

千斤頂軸力補(bǔ)償裝置：地下連續(xù)墻預(yù)埋件支撐中心線鋼箱體鋼支撐和鋼支架平臺

（1）底鋼板；

（2）側(cè)鋼板；

（3）支座鋼板；

（4）H型鋼；

（5）面板；

（6）牛腿筋板；

（7）側(cè)向牛腿筋板；

（8）加勁板；

（9）螺絲

3.4.1千斤頂軸力補(bǔ)償裝置結(jié)構(gòu)

千斤頂結(jié)構(gòu)是分體式帶機(jī)械鎖保險裝置的增壓油缸，組成部件包括頂塊、鎖緊螺母、連接過渡套、螺桿、導(dǎo)向套、機(jī)械安全閥組件、缸體、活塞、活塞桿、導(dǎo)向套，其技術(shù)參數(shù)見表。

3.5電氣控制與監(jiān)控系統(tǒng)

本電氣控制系統(tǒng)采用DCS系統(tǒng)，系統(tǒng)由監(jiān)控站、操作站和現(xiàn)場控制站組成，現(xiàn)場控制站靠近基坑邊一字排開，每隔一段間距設(shè)置一個，分別控制3個泵站（液壓系統(tǒng)），每個泵站可控制4個鋼支撐。各個站點通過CAN總線實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集及發(fā)送控制指令。

3.5.1監(jiān)控站

全面監(jiān)控所有的泵站的實時運行情況，包括各油缸壓力、設(shè)定壓力、泵站狀態(tài)（包括電機(jī)正常、過流跳閘、液位、傳感器電氣故障、傳感器冗余狀態(tài)、液壓閥電氣故障等狀態(tài)信息），油缸壓力和設(shè)定壓力以圖形化形式顯示；并可運行參數(shù)設(shè)定（設(shè)定壓力等）?？蓪崟r采集運行數(shù)據(jù)（主要為壓力）并存儲計算機(jī)硬盤長期保存，并按要求（時間段等）以圖形形式顯示，以及打印報表，也可將數(shù)據(jù)導(dǎo)出EXCEL表格。

自適應(yīng)支撐系統(tǒng)的工作界面，可以顯示每個控制站下各泵站所連接的所有油缸情況。多色小方塊為各類狀態(tài)和故障報警（如果存在），何種故障存在則何種顏色的小方塊顯現(xiàn)出來，無故障時并不顯現(xiàn)；紫色長柱狀為設(shè)定壓力，紅色長柱狀為實際油缸壓力，二者可以輕松實現(xiàn)圖形化比較。

3.5.2監(jiān)控站工作圖示可以顯示和調(diào)整：調(diào)節(jié)壓力、泵站狀態(tài)、泵站故障、設(shè)定壓力、油缸壓力、油缸狀態(tài)、油缸故障。

監(jiān)控站數(shù)量1套，具體由以下部件系統(tǒng)組成：

①PC，上位機(jī)：1套②PC監(jiān)控軟件等：1套③UPS不間斷電源：1只④CAN-USB適配器：1只⑤快速重載接插件：2套⑥PC柜柜體：1只⑦低壓電氣元件：若干

3.5.3操作站

實現(xiàn)現(xiàn)場的各單獨泵站的實時運行情況的監(jiān)控和運行參數(shù)設(shè)定（設(shè)定壓力等）；以及實現(xiàn)現(xiàn)場所有的存在故障的泵站的故障集中顯示界面。

操作站數(shù)量1套，具體由以下部件系統(tǒng)組成：

①HMI工業(yè)觸摸屏10.4寸：1只②HMI工業(yè)觸摸屏軟件等：1套③控制器PLVC（單層）：1只④控制器軟件等：1套⑤總線浪涌抑制器：1只⑥快速重載接插件：3套⑦快速重載接插件：3套⑧控制柜體：1只⑨低壓電氣元件若干

圖3.5.3.1操作站：見圖3

3.5.4現(xiàn)場控制站

分別采集12個鋼支撐的運行數(shù)據(jù)（如壓力、液位等），并通過CAN總線傳送至監(jiān)控站和操作站；接受監(jiān)控站和操作站的控制指令，分別控制12個鋼支撐的壓力調(diào)節(jié)，伸縮動作、液壓泵起停等。分別采集12個鋼支撐的運行數(shù)據(jù)（如壓力、液位等），并通過CAN總線傳送至監(jiān)控站和操作站；接受監(jiān)控站和操作站的控制指令，分別控制12個鋼支撐的壓力調(diào)節(jié)，伸縮動作、液壓泵起停等。

3.5.4.1現(xiàn)場控制站：見圖4。

現(xiàn)場控制站數(shù)量共4臺，每臺具體由以下部件系統(tǒng)組成：

①控制器PLVC（三層）：2只②控制器軟件等：1套⑶總線浪涌抑制器：1只④總線分配器：1只⑤快速重載接插件：21套⑥控制柜體（戶外型）：1只⑦低壓電氣元件：①開關(guān)電源（24V/40A）：1只②直流電源分配器：4只③斷路器：10只④接觸器：8只⑤直流浪涌抑制器：1只⑥其他電氣元件：

3.5.5鋼支撐液壓站電氣系統(tǒng)

系統(tǒng)的控制對象，其中主要由鋼管主體結(jié)構(gòu)，軸力自動補(bǔ)償裝置組成，由現(xiàn)場控制站控制其伸縮動作、設(shè)定壓力等，并通過檢測元件（如壓力傳感器）將運行信息反饋到現(xiàn)場控制站

每臺液壓小泵站系統(tǒng)需配置1套電氣接線盒裝置，每套電氣接線盒裝置由以下部件系統(tǒng)組成：

①接線盒：1套②快速重載接插件：2套③其他電氣元件：若干

3.5.5.1液壓站電氣系統(tǒng)：見圖5

綜上，控制系統(tǒng)具有以下特點：

（1）控制系統(tǒng)采用DCS控制技術(shù)：DCS是面向整體，面向系統(tǒng)的控制技術(shù)，目標(biāo)是整個系統(tǒng)的最優(yōu)化控制，包括現(xiàn)場實時控制的最優(yōu)化和綜合信息管理的最優(yōu)化。

（2）現(xiàn)場總線采用CAN總線：現(xiàn)場總線是當(dāng)今自動化領(lǐng)域技術(shù)發(fā)展的熱點之一，被譽(yù)為自動化領(lǐng)域的計算機(jī)局域網(wǎng)。它的出現(xiàn)為分布式控制系統(tǒng)實現(xiàn)各節(jié)點之間實時、可靠的數(shù)據(jù)通信提供了強(qiáng)有力的技術(shù)保障。

（3）友好的人機(jī)界面：監(jiān)控站采用PC機(jī)，操作站采用HMI，圖形化形式全面監(jiān)控系統(tǒng)所有實時運行情況，包括各油缸實際壓力、設(shè)定壓力、泵站狀態(tài)（包括電機(jī)正常、過流跳閘、液位、傳感器電氣狀態(tài)、傳感器冗余狀態(tài)、液壓閥的電氣故障等狀態(tài)信息）；運行參數(shù)設(shè)定（設(shè)定壓力等）。

（4）操作簡單，維護(hù)方便：每個現(xiàn)場控制站和鋼支撐液壓系統(tǒng)型號規(guī)格完全一致，具有良好的互換性，采用快速重載接插件方式聯(lián)接，大大減少現(xiàn)場配線工作量，并可以即插即用，簡單方便。

（5）具備完善的電氣安全保護(hù)措施和實時診斷措施，將故障概率減到最低并將故障的影響隔離到最小，以全面的診斷手段捕捉故障信息并以迅捷的方式遞送到監(jiān)控者。

（6）品質(zhì)優(yōu)良，安全可靠：所有電氣元器件均采用施耐德、MURR，魏德米勒、菲尼克斯等進(jìn)口或國內(nèi)知名品牌，并有良好的生產(chǎn)工藝保障。

3.6自適應(yīng)支撐系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理功能

3.6.1自適應(yīng)支撐系統(tǒng)監(jiān)控站主畫面。

3.6.2自適應(yīng)支撐系統(tǒng)操作站主畫面。

3.6.3自適應(yīng)支撐系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理包括輸出某時間的全部壓力（時間點—全部壓力）、某油缸在一時間段的壓力和某油缸的故障。輸出界面包括：

（1） 時間點—全部壓力

（2） 時間點—全部壓力可以輸出實時壓力監(jiān)控成果表。

（3）時間段—某缸壓力

時間段—某缸壓力可以輸出某油缸某天的壓力變化曲線。自適應(yīng)支撐系統(tǒng)可以實現(xiàn)對鋼支撐軸力的補(bǔ)償，也可以對鋼支撐進(jìn)行降壓（防止壓力過大失穩(wěn)），同時還具有良好的保壓效果，即使在停電情況下也能保持壓力穩(wěn)定。

（4）支撐軸力補(bǔ)償

（5）降低支撐軸力

（6）停電情況下的保壓效果

（7）時間段—某缸故障

可以輸出某油缸在一時間段的壓力和某油缸的故障。

4.自適應(yīng)支撐系統(tǒng)安全策略

為了保證基坑施工的安全及施工的順利進(jìn)行，采取以下安全策略：