深基坑微變形智能安全控制系統(tǒng)研究

吳聯(lián)定，顧國(guó)明，潘 曦，尹婷婷

(1.上海建工集團(tuán)股份有限公司，上海 200080；2.上海高大結(jié)構(gòu)建造工藝與裝備工程技術(shù)研究中心，上海 201114)

1 前 言

在進(jìn)行巖土施工時(shí)，特別是在深基坑開挖的過程中，為了保護(hù)基坑自身和周邊建（構(gòu)）筑物結(jié)構(gòu)的安全，一般需要采用一些支護(hù)結(jié)構(gòu)對(duì)深基坑進(jìn)行支護(hù)，例如鋼筋砼支撐、鋼支撐等。鋼支撐具有安裝方便、可重復(fù)利用、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，被越來(lái)越多地用于深基坑支護(hù)。在一些對(duì)基坑變形控制要求極其嚴(yán)格的場(chǎng)合，如保護(hù)古建筑周邊的深基坑工程、營(yíng)運(yùn)地鐵邊的軟土深基坑工程等，為了保護(hù)周圍敏感目標(biāo)，往往采用具備軸力補(bǔ)償系統(tǒng)的鋼支撐系統(tǒng)。如我司發(fā)明的深基坑液壓伺服鋼支撐系統(tǒng)，當(dāng)鋼支撐的軸力變化超過設(shè)定值后會(huì)進(jìn)行報(bào)警并自動(dòng)加壓至設(shè)定值，施工人員也可以就地或遠(yuǎn)程對(duì)鋼支撐的軸力進(jìn)行控制調(diào)整，實(shí)現(xiàn)了對(duì)深大基坑的微變形控制。

2 深基坑液壓伺服鋼支撐系統(tǒng)

深基坑液壓伺服鋼支撐系統(tǒng)主要由液壓伺服控制系統(tǒng)、鋼支撐軸力補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)、電氣與監(jiān)控系統(tǒng)組成。其中鋼支撐軸力補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)（圖1），主要由鋼支架平臺(tái)、千斤頂和鋼箱體組成。千斤頂（圖2）采用自調(diào)平增壓油缸并有分體式機(jī)械鎖，主要由頂塊、螺桿、鎖緊螺母、防護(hù)罩、增壓油缸組成。除了液壓伺服控制系統(tǒng)的液壓鎖裝置外，鎖緊螺母起到機(jī)械鎖作用，兩道鎖裝置共同作用，提高了支撐系統(tǒng)的安全性。

圖1 鋼支撐軸力補(bǔ)償執(zhí)行系統(tǒng)

圖2 千斤頂

就地或遠(yuǎn)程軸力控制調(diào)整時(shí)，特別是當(dāng)油缸進(jìn)行“伸”工作時(shí)，活塞桿前進(jìn)帶動(dòng)螺桿前進(jìn)。此時(shí)，由于鎖緊螺母與螺桿螺紋連接，鎖緊螺母跟隨螺桿前進(jìn)，從而會(huì)在鎖緊螺母與防護(hù)罩之間產(chǎn)生相應(yīng)的間隙。為了防止消除鎖緊螺母與防護(hù)罩之間的間隙，現(xiàn)場(chǎng)的操作人員必須下到深基坑支撐補(bǔ)償油缸位置，手動(dòng)旋轉(zhuǎn)鎖緊螺母，使其與防護(hù)罩靠緊，從而鎖定油缸工作位置。一旦液壓鎖裝置由于內(nèi)泄漏精度降低或油管爆裂等異常情況發(fā)生時(shí)，油缸中油的壓力會(huì)突然降低，螺桿就會(huì)快速回退，由于鎖緊螺母緊靠防護(hù)罩，可以阻止螺桿回退，從而避免了鋼支撐對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的支撐失效，保證了深基坑的施工安全。

然而在施工過程中，基坑每時(shí)每刻都會(huì)發(fā)生一些微小變形，為了避免基坑變形過大，需要人工頻繁旋動(dòng)鎖緊螺母,及時(shí)調(diào)整油缸活塞桿的伸出量。通常，一個(gè)大型深基坑需要幾十根甚至數(shù)百根鋼支撐，人工操作過程中難免會(huì)遺漏某根鋼支撐或者某次鎖緊螺母旋動(dòng)工作，從而給基坑施工帶來(lái)一些不安全因素；此外，深基坑施工環(huán)境比較惡劣，易發(fā)生安全事故，基坑施工中后期很難靠人力去實(shí)現(xiàn)鎖緊螺母的鎖緊。

3 液壓伺服鋼支撐安全裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

目前，液壓伺服鋼支撐系統(tǒng)中的人工操作部分，關(guān)系到基坑工程和操作人員的安全，為避免可能造成的安全隱患，擬在現(xiàn)有的自適應(yīng)軸力補(bǔ)償裝置的基礎(chǔ)上，通過運(yùn)用自動(dòng)機(jī)械自鎖裝置來(lái)代替手動(dòng)自鎖螺母。一方面，能夠?qū)崟r(shí)鎖定油缸的工作狀態(tài)，保證鋼支撐安全、有效地支撐住深基坑，為基坑工程安全施工保駕護(hù)航；另一方面，執(zhí)行機(jī)構(gòu)可以全自動(dòng)地解鎖/鎖定油缸的工作狀態(tài)，操作工人無(wú)需下到深基坑手動(dòng)操作，不僅減輕了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，保證了工人的人身安全，而且避免了因?yàn)楣と耸韬龆a(chǎn)生的安全隱患，進(jìn)一步保障了基坑工程的施工安全。

3.1 外置齒輪式自動(dòng)自鎖裝置

外置齒輪式自動(dòng)自鎖裝置（圖3）主要由增壓油缸、防護(hù)罩、頂塊、螺桿、鎖緊螺母、驅(qū)動(dòng)齒輪、液壓馬達(dá)、限位開關(guān)、端蓋等組成。其主要工作原理是：當(dāng)軸力達(dá)到設(shè)定軸力預(yù)警下限值時(shí)，增壓油缸中的壓力傳感器將軸力下限預(yù)警信號(hào)反饋給PLC控制單元，PLC控制單元隨即發(fā)出給增壓油缸注入液壓油指令，增壓油缸中活塞桿帶動(dòng)螺桿在液壓油的推動(dòng)下伸出，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓油的壓力，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求值時(shí)，PLC控制單元發(fā)出停止注油信號(hào)，系統(tǒng)停止給增壓油缸注油；同時(shí)，鎖緊螺母跟隨螺桿頂出，限位開關(guān)檢測(cè)出鎖緊螺母與防護(hù)罩之間有間隙，PLC控制單元發(fā)出信號(hào)使液壓馬達(dá)動(dòng)作帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)齒輪通過鎖緊螺母外側(cè)齒輪驅(qū)動(dòng)鎖緊螺母沿螺桿旋轉(zhuǎn)，通過螺紋相對(duì)運(yùn)動(dòng)使鎖緊螺母沿軸向靠緊防護(hù)罩，完成增壓油缸自鎖。反之如要解鎖，當(dāng)限位開關(guān)檢測(cè)出鎖緊螺母與防護(hù)罩之間無(wú)間隙時(shí)，PLC控制單元發(fā)出信號(hào)使液壓馬達(dá)動(dòng)作帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪逆向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)齒輪通過鎖緊螺母外側(cè)齒輪驅(qū)動(dòng)鎖緊螺母沿螺桿逆向旋轉(zhuǎn)，通過螺紋相對(duì)運(yùn)動(dòng)使鎖緊螺母沿軸向遠(yuǎn)離防護(hù)罩，完成增壓油缸解鎖。

圖3 外置齒輪式自動(dòng)自鎖裝置

3.2 內(nèi)置行星輪式自動(dòng)自鎖裝置

內(nèi)置行星輪式自動(dòng)自鎖裝置（圖4）主要由增壓油缸、防護(hù)罩、頂塊、螺桿、鎖緊螺母、液壓馬達(dá)、驅(qū)動(dòng)齒輪、行星輪等組成。其主要工作原理是：當(dāng)軸力達(dá)到設(shè)定軸力預(yù)警下限值時(shí)，增壓油缸中的壓力傳感器將軸力下限預(yù)警信號(hào)反饋給PLC控制單元，PLC控制單元隨即發(fā)出給增壓油缸注入液壓油指令，增壓油缸中活塞桿帶動(dòng)螺桿在液壓油的推動(dòng)下伸出，壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓油的壓力，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求值時(shí)，PLC控制單元發(fā)出停止注油信號(hào)，系統(tǒng)停止給增壓油缸注油；同時(shí)，鎖緊螺母跟隨螺桿頂出，限位開關(guān)檢測(cè)出鎖緊螺母與防護(hù)罩之間有間隙，PLC控制單元發(fā)出信號(hào)使液壓馬達(dá)動(dòng)作帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)齒輪通過行星輪驅(qū)動(dòng)鎖緊螺母內(nèi)側(cè)齒輪使其沿螺桿旋轉(zhuǎn)，通過螺紋相對(duì)運(yùn)動(dòng)使鎖緊螺母沿軸向靠緊防護(hù)罩，完成增壓油缸自鎖。反之如要解鎖，當(dāng)限位開關(guān)檢測(cè)出鎖緊螺母與防護(hù)罩之間無(wú)間隙時(shí)，PLC控制單元發(fā)出信號(hào)使液壓馬達(dá)動(dòng)作帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)齒輪逆向旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)齒輪通過行星輪驅(qū)動(dòng)鎖緊螺母內(nèi)側(cè)齒輪使其沿螺桿逆向旋轉(zhuǎn)，通過螺紋相對(duì)運(yùn)動(dòng)使鎖緊螺母沿軸向遠(yuǎn)離防護(hù)罩，完成增壓油缸解鎖。

圖4 內(nèi)置行星式自動(dòng)自鎖裝置

3.3 齒條鎖定式自動(dòng)自鎖裝置

齒條鎖定式自動(dòng)自鎖裝置（圖5）主要由增壓油缸、防護(hù)罩、頂塊、螺桿、鎖緊塊、壓縮彈簧、支撐架、解鎖油缸等組成。其主要工作原理是：利用螺桿外齒與鎖緊塊內(nèi)齒之間齒條的嚙合受力來(lái)達(dá)到鎖定的效果。當(dāng)軸力達(dá)到設(shè)定軸力預(yù)警下限值時(shí)，增壓油缸中的壓力傳感器將軸力下限預(yù)警信號(hào)反饋給PLC控制單元，PLC控制單元隨即發(fā)出給解鎖油缸注入液壓油指令，使其克服壓縮彈簧的彈力，從而使鎖緊塊與螺桿分離而達(dá)到解鎖；隨后給增壓油缸注入液壓油，增壓油缸中活塞桿帶動(dòng)螺桿在液壓油的推動(dòng)下伸出，壓力傳感器和位移傳感器分別實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)液壓油的壓力和活塞桿的位移值，當(dāng)壓力達(dá)到設(shè)計(jì)要求值且位移為卡槽節(jié)距整數(shù)倍時(shí)，PLC控制單元發(fā)出停止注油信號(hào)，系統(tǒng)停止給增壓油缸注油；接著PLC控制單元發(fā)出信號(hào)使解鎖油缸伸出，鎖緊塊通過彈簧的彈力自動(dòng)與螺桿鎖緊，從而完成增壓油缸自鎖。

3.4 特點(diǎn)分析

以上3種方案各有優(yōu)缺點(diǎn)：外置齒輪式自動(dòng)自鎖裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠，可以利用現(xiàn)有的設(shè)備方便改造，投入成本較低，但結(jié)構(gòu)外置易碰擦損壞；內(nèi)置行星輪式自動(dòng)自鎖裝置鎖緊裝置在防護(hù)罩內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊但較復(fù)雜，但利用現(xiàn)有設(shè)備改造投入成本較高；齒條鎖定式自動(dòng)自鎖裝置相對(duì)結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，設(shè)備改造投入較多，對(duì)增壓油缸每次動(dòng)作還有行程要求，適用性較差。

圖5 齒條鎖定式自動(dòng)自鎖裝置

4 結(jié) 語(yǔ)

深基坑液壓伺服系統(tǒng)機(jī)械鎖安全裝置的精度、可靠性和可操作性不僅關(guān)系到工程的施工效率，更關(guān)系到深基坑工程變形控制的質(zhì)量和安全，在深基坑微變形控制的施工中至關(guān)重要。本文提出了3種不同設(shè)計(jì)方案，可大大降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高液壓伺服鋼支撐機(jī)械鎖安全裝置的自動(dòng)化水平，從而提高了深基坑微變形鋼支撐體系的綜合性能，具有一定的推廣應(yīng)用價(jià)值。