基坑微變形控制系統(tǒng)的試驗(yàn)研究*

上海建工集團(tuán)工程研究總院 上海 201114

隨著城市的發(fā)展，基坑規(guī)模和開挖深度不斷增加，基坑的地理位置及所處環(huán)境也越加復(fù)雜，基坑工程常常出現(xiàn)在環(huán)境敏感和復(fù)雜地區(qū)（如運(yùn)營中的地鐵隧道邊等），深基坑施工引起的安全問題成為各方首要考慮的問題。因?yàn)榛娱_挖周圍的土體、建筑物和埋設(shè)物會(huì)對(duì)圍護(hù)體（如連續(xù)墻等）形成擠壓，造成圍護(hù)體的變形；反之，圍護(hù)體的變形，尤其是異常的過大變形會(huì)造成周邊土體及管線建筑物更大的位移變形，嚴(yán)重時(shí)，引起或大或小的事故。所以在基坑的施工過程中要對(duì)基坑的圍護(hù)體進(jìn)行全面監(jiān)控，控制圍護(hù)體及管線建筑物的異常變形，防止大小事故的發(fā)生，保護(hù)周邊環(huán)境及管線建筑物的安全，顯然常規(guī)施工技術(shù)已難以解決敏感地區(qū)深基坑工程施工的苛刻變形控制難題，因此在上海市科委以及上海建工集團(tuán)等各方的支持下，研究開發(fā)敏感地區(qū)深基坑工程微變形控制成套系統(tǒng)及裝備，同時(shí)為了確?；游⒆冃慰刂葡到y(tǒng)及裝備的可靠性，對(duì)其進(jìn)行了全面的試驗(yàn)研究。

1 試驗(yàn)內(nèi)容

主要進(jìn)行以下4 個(gè)方面的試驗(yàn)：

（a）空載運(yùn)行及功能試驗(yàn)。對(duì)基坑微變形控制系統(tǒng)的零部件（包括千斤頂、泵站、現(xiàn)場控制站、監(jiān)控站和操作站等）分別進(jìn)行試驗(yàn)，保證各設(shè)備的正常。

（b）耐壓試驗(yàn)。調(diào)整油壓至35 MPa，運(yùn)行5～10 min，觀察有無泄漏發(fā)生，確保千斤頂工作的穩(wěn)定性。

（d）不間斷監(jiān)控試驗(yàn)。以實(shí)際基坑工程為背景，進(jìn)行不間斷監(jiān)控試驗(yàn)。

其中，前兩個(gè)試驗(yàn)保證了基坑微變形控制系統(tǒng)的各組成部分的可靠性，是后續(xù)試驗(yàn)的前提，這兩個(gè)試驗(yàn)均在工廠中完成；第三個(gè)試驗(yàn)是關(guān)鍵，反映了系統(tǒng)的整體聯(lián)動(dòng)性和穩(wěn)定性；第四個(gè)試驗(yàn)是工程應(yīng)用試驗(yàn)。下面詳細(xì)說明。

2 試驗(yàn)裝置

試驗(yàn)所配備的裝置如下：

（a）液壓設(shè)備。3 套液壓泵站。

（b）電氣設(shè)備。電控箱、所需控制軟件及相應(yīng)連接線等。

（c）試驗(yàn)附件。油缸（12 根）、軟管、連接件及堵頭，油缸對(duì)頂加載保持架、電流計(jì)和秒表等。

其中，耐壓試驗(yàn)在上海寶山液壓油缸有限公司工廠內(nèi)進(jìn)行。

由表2可知，當(dāng)原假設(shè)為“LNCPI_SA不是LNAPI_SA的格蘭杰原因”時(shí)，F(xiàn)的統(tǒng)計(jì)量為0.57153、P值為0.4538，大于0.1，接受原假設(shè)，即CPI不是農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的格蘭杰原因；同理，當(dāng)原假設(shè)為“LNAPI_SA不是LNCPI_SA的格蘭杰原因”時(shí)，F(xiàn)的統(tǒng)計(jì)量為6.82238、P值為0.0123，小于0.1，拒絕原假設(shè)，即農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格是CPI的格蘭杰原因。綜上，CPI不是農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的格蘭杰原因，而農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格則是CPI的格蘭杰原因，說明農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格變動(dòng)早于CPI變動(dòng)。

監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)能力試驗(yàn)裝置由支座結(jié)構(gòu)、監(jiān)控站、操作站、現(xiàn)場控制站、泵站和千斤頂?shù)冉M成，如圖1所示。支座結(jié)構(gòu)由端頭板和拉桿組成，其中端頭板厚85 mm，拉桿Φ80 mm。端頭板采用Q235，拉桿采用調(diào)質(zhì)HB260-290。設(shè)計(jì)千斤頂壓力為3 200 kN。

圖1 監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)能力試驗(yàn)裝置示意

這里通過建立有限元模型，對(duì)試驗(yàn)裝置的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，有限元模型及結(jié)構(gòu)應(yīng)力如圖2所示。結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力205.5 MPa，滿足承載力要求。

3 試驗(yàn)方法[1-3]

3.1 空載運(yùn)行及功能試驗(yàn)

（a）所有電磁閥斷電，確認(rèn)油路連接正確，然后啟動(dòng)電機(jī)，空載運(yùn)行數(shù)分鐘。

圖2 有限元模型及結(jié)構(gòu)應(yīng)力

（b）每套液壓泵站上的DT1～DT8不得電（各電磁換向閥不換向），調(diào)節(jié)比例壓力閥輸入電流信號(hào)，觀察壓力表及壓力傳感器的讀數(shù)，壓力是否可調(diào)；各電磁換向閥依次左右電磁鐵得電，電磁換向閥換向，觀察油路是否正確，換向動(dòng)作是否正常，（在油缸伸出時(shí)，應(yīng)注意泵源液位，及時(shí)補(bǔ)充液壓油）；電磁換向閥換向后，保持換向動(dòng)作狀態(tài)5 min以上，觀察壓力表及壓力傳感器讀數(shù)，保壓應(yīng)穩(wěn)定可靠。

（c）用溢流閥作負(fù)載模擬試驗(yàn)。首先比例溢流閥卸荷（電流給至最小），手動(dòng)旋緊作負(fù)載的溢流閥調(diào)節(jié)桿至全緊狀態(tài)，該回路的電磁閥B端電磁鐵得電，調(diào)高比例溢流閥壓力（電流調(diào)大），當(dāng)壓力達(dá)到30 MPa時(shí)，保持壓力穩(wěn)定，手動(dòng)旋松負(fù)載溢流閥調(diào)節(jié)桿，將壓力調(diào)至28 MPa。當(dāng)壓力變化時(shí)，由電控系統(tǒng)檢測到，并自動(dòng)調(diào)節(jié)比例溢流閥壓力，以達(dá)到壓力平衡；手動(dòng)旋緊負(fù)載溢流閥調(diào)節(jié)桿，將壓力調(diào)至32 MPa、35 MPa，當(dāng)壓力變化時(shí)，由電控系統(tǒng)檢測到，并自動(dòng)調(diào)節(jié)比例溢流閥壓力，以重新達(dá)到壓力平衡。

3.2 耐壓試驗(yàn)

油缸處于伸出狀態(tài)（或溢流閥處于旋緊狀態(tài)），電磁鐵DT1得電，其余所有電磁換向閥斷電，調(diào)整油壓至32 MPa及35 MPa，運(yùn)行3～5 min，觀察有無泄漏發(fā)生。

依次電磁鐵DT2～DT8得電，其余所有電磁換向閥斷電，調(diào)整油壓至32 MPa及35 MPa，各運(yùn)行10～15 min，觀察有無泄漏發(fā)生。試驗(yàn)應(yīng)間隔進(jìn)行，確保泵站有足夠冷卻時(shí)間。試驗(yàn)要求各焊接口及連接面不允許有油液滲出，不應(yīng)有異常振動(dòng)及噪聲。

3.3 監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)能力試驗(yàn)

用油缸對(duì)頂作負(fù)載模擬：將分別連接在2 臺(tái)泵源上的油缸放置在油缸對(duì)頂加載保持架內(nèi)，使兩油缸活塞桿對(duì)頂，調(diào)節(jié)其中一油缸的壓力變化（降低或上升），另一油缸應(yīng)自動(dòng)能進(jìn)行壓力補(bǔ)償。

本試驗(yàn)包括設(shè)定壓力變化后的響應(yīng)能力試驗(yàn)和壓力損失后的自動(dòng)補(bǔ)償能力試驗(yàn)。

（a）設(shè)定壓力變化后的響應(yīng)能力試驗(yàn)。改變?cè)O(shè)定壓力，通過監(jiān)控站或操作站自動(dòng)發(fā)出指令到現(xiàn)場控制站，控制泵站電機(jī)啟動(dòng)，對(duì)系統(tǒng)壓力進(jìn)行調(diào)整使之達(dá)到所需要的工作壓力，用秒表記錄整個(gè)過程系統(tǒng)的響應(yīng)速度。設(shè)計(jì)要求系統(tǒng)響應(yīng)速度≤3 s。

（b）壓力損失后的自動(dòng)補(bǔ)償能力試驗(yàn)。改變?cè)囼?yàn)裝置中的一個(gè)油缸壓力，使系統(tǒng)壓力與設(shè)定壓力差值超出設(shè)定范圍（高于或低于），用秒表記錄自監(jiān)控站或操作站自動(dòng)發(fā)出指令到現(xiàn)場控制站，控制泵站電機(jī)啟動(dòng)，至系統(tǒng)壓力穩(wěn)定這一過程的時(shí)間，并記錄補(bǔ)償后的系統(tǒng)壓力值。設(shè)計(jì)要求整個(gè)過程系統(tǒng)的響應(yīng)速度≤3 s，補(bǔ)償精度≥95％。

監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)能力試驗(yàn)通過2 種方式進(jìn)行操作：操作站操作和監(jiān)控站操作。

3.4 不間斷監(jiān)控試驗(yàn)

以上海某地塊基坑工程為背景，保持基坑微變形控制系統(tǒng)持續(xù)工作，通過其自帶的數(shù)據(jù)處理功能觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

4 試驗(yàn)成果

通過對(duì)基坑微變形控制系統(tǒng)進(jìn)行空載運(yùn)行及功能試驗(yàn)、耐壓試驗(yàn)、監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)試驗(yàn)和不間斷監(jiān)控試驗(yàn)，得出基坑微變形控制系統(tǒng)的技術(shù)參數(shù)。

4.1 空載運(yùn)行及功能試驗(yàn)

各基坑微變形控制系統(tǒng)的零部件（包括千斤頂、泵站、現(xiàn)場控制站、監(jiān)控站和操作站等）運(yùn)行正常。

4.2 耐壓試驗(yàn)

千斤頂耐壓試驗(yàn)共分6 組，設(shè)定壓力值分別為16 MPa、20 MPa、25 MPa、28 MPa、32 MPa和35 MPa，在各組試驗(yàn)中，分別維持壓力5 min、10 min和15 min，試驗(yàn)結(jié)果顯示，千斤頂耐壓性能優(yōu)異，保壓效果明顯且無泄漏，最大壓力達(dá)到35 MPa，且滿足1.1的過載系數(shù)施加壓力15 min后，各試驗(yàn)組測得的壓力仍保持初始設(shè)定值。

4.3 監(jiān)控系統(tǒng)響應(yīng)及穩(wěn)定性試驗(yàn)

（a）設(shè)定壓力變化后的響應(yīng)能力試驗(yàn)。本試驗(yàn)共分 4 組進(jìn)行，設(shè)定壓力值從16 MPa逐漸增加到20 MPa、25 MPa、28 MPa和32 MPa，設(shè)定壓力改變后的響應(yīng)能力設(shè)計(jì)目標(biāo)值為≤3 s，實(shí)際試驗(yàn)平均響應(yīng)速度為0.7 s，最大響應(yīng)時(shí)間為0.9 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

（b）壓力損失后的自動(dòng)補(bǔ)償能力試驗(yàn)。系統(tǒng)壓力損失（或增大）后的自動(dòng)補(bǔ)償速度設(shè)計(jì)目標(biāo)值為≤3 s，試驗(yàn)共進(jìn)行4 組，每組設(shè)定的當(dāng)前壓力值分別為16 MPa、20 MPa、25 MPa、28 MPa和32 MPa，實(shí)際試驗(yàn)補(bǔ)償速度為0.7 s，最大響應(yīng)時(shí)間為1.1 s，滿足設(shè)計(jì)要求。

系統(tǒng)壓力損失（或增大）后的自動(dòng)補(bǔ)償精度共進(jìn)行4 組，當(dāng)前壓力值分別設(shè)定為16 MPa、20 MPa、25 MPa、28 MPa和32 MPa，設(shè)計(jì)補(bǔ)償精度目標(biāo)值為≥95％，實(shí)際試驗(yàn)補(bǔ)償精度為98％，滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 不間斷監(jiān)控試驗(yàn)

不間斷監(jiān)控試驗(yàn)效果可以看出，系統(tǒng)壓力基本保持恒定。

5 結(jié)語

通過調(diào)試試驗(yàn)、模擬實(shí)體試驗(yàn)及工程應(yīng)用，基坑微變形控制系統(tǒng)各項(xiàng)功能和技術(shù)指標(biāo)均滿足設(shè)計(jì)要求：

（a）功能上：能實(shí)現(xiàn)在0～32 MPa范圍內(nèi)設(shè)定壓力，并能設(shè)定軟件將其最大壓力限制在30 MPa，防止誤設(shè)壓力過大，能夠滿足施工壓力補(bǔ)償需要；壓力設(shè)定后，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)補(bǔ)償，包括正補(bǔ)償和負(fù)補(bǔ)償，效果良好，并在持續(xù)時(shí)間內(nèi)進(jìn)行壓力修正；支頂千斤頂及液壓系統(tǒng)機(jī)械鎖與液壓鎖的雙重安保體系安全、可靠，互相間無干擾；總線通信系統(tǒng)安全、可靠；續(xù)電后，自動(dòng)快速恢復(fù)正常通信狀態(tài)，即總線系統(tǒng)具有熱拔插功能，能動(dòng)態(tài)增減新的控制單元；總線通信滿足遠(yuǎn)程控制，最大能超過500 m；移動(dòng)診斷系統(tǒng)具有對(duì)現(xiàn)場控制站和泵站的多對(duì)象控制功能及手動(dòng)和自動(dòng)的雙重控制功能，簡單、直觀、方便、功能強(qiáng)；現(xiàn)場控制站單元、液壓泵站單元等整體快速可移植功能強(qiáng)，可以方便地進(jìn)行相關(guān)硬件設(shè)施的增減，還可以方便在監(jiān)控站或操作站的軟件環(huán)境下增減移植；系統(tǒng)各設(shè)備故障報(bào)警功能完善，不僅現(xiàn)場控制站等硬件設(shè)備上有聲光報(bào)警，而且在監(jiān)控站電腦監(jiān)控畫面及操作站觸摸屏畫面上及時(shí)報(bào)警并提示故障原因及故障內(nèi)容，方便故障的查詢和及時(shí)處理；系統(tǒng)設(shè)計(jì)采用單元模塊式結(jié)構(gòu)，便于設(shè)備系統(tǒng)的移植，現(xiàn)場使用方便、靈活。

（b）技術(shù)指標(biāo)上：在設(shè)定壓力后，系統(tǒng)能在2 s內(nèi)執(zhí)行動(dòng)作，5 s使油壓保持穩(wěn)定，補(bǔ)償完畢；補(bǔ)償完成后的實(shí)際壓力在預(yù)設(shè)壓力（如±5％）范圍內(nèi)波動(dòng)，超出后執(zhí)行相應(yīng)增減補(bǔ)償動(dòng)作，使壓力穩(wěn)定在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)；軸力可變范圍大，單個(gè)鋼支撐能在0～3 000 kN范圍內(nèi)設(shè)定壓力并可靠工作；總線通信系統(tǒng)安全、可靠，通信能力最大能超過500 m。

基坑微變形控制系統(tǒng)的研制是成功的，必將取得十分明顯的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。該項(xiàng)技術(shù)顯示實(shí)時(shí)性好，能夠確切將受撐基坑相關(guān)位置軸力動(dòng)態(tài)呈現(xiàn)，對(duì)于變形控制要求高，傳統(tǒng)技術(shù)無法實(shí)現(xiàn)的工程有重大意義，必將在今后的工程中得到廣泛使用。