基坑鋼支撐軸力應力伺服自動補償系統技術的原理和應用

李慧玉

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

關鍵詞：深基坑；鋼支撐；應力伺服系統；圍護地下連續墻；變形控制

本工程地下室與7#線共用地下連續墻，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準和更嚴要求，變形控制在20mm之內，工期由5個月改為3個月，施工難度逐漸加大。為確保基坑及地鐵安全，基坑施工過程中必須運用有效的控制變形工具、施工工藝及相關控制措施。

本文介紹了鋼支撐軸力應力伺服系統的原理和施工應用，并結合基坑、地鐵圍護變形數據的整理分析，總結應力伺服系統在施工中基坑地鐵變形曲線趨勢，為鋼支撐軸力應力伺服系統應用提供現場依據，從而確保基坑施工與地鐵正常運營安全。

1.應力伺服自適應支撐系統介紹

應力伺服自適應支撐系統是結合了現代機電液一體化自動控制技術、計算機信息處理技術以及可視化監控系統等高新技術手段，對支撐軸力進行全天候不間斷監測，并根據高精度傳感器所測參數值對支撐軸力進行適時的自動或手動補償來達到控制基坑變形目的的支撐系統。運用自適應支撐系統，實現了對鋼支撐軸力的實時監測和控制，解決常規施工方法無法控制的苛刻變形要求和技術難題，使工程始終處于可控和可知的狀態，具有良好的社會效益、經濟效益和環境保護效益。

2.應力伺服系統施工原理

鋼支撐軸力應力伺服系統主要分為4部分：PC人機交流系統，DCS控制系統，油壓泵壓力系統和鋼支撐系統（見圖1），其中DCS控制系統為整個系統的控制樞紐，連接其他3大系統。DCS將數據反映至PC系統，顯示給監測人員；控制油壓泵開啟或關閉，增壓保壓；接收鋼支撐端部千斤頂軸力數據，與設計數據進行比較。PC系統將設計數據輸入，轉換成視覺可操作平面，油壓泵提供支撐軸力支持，支撐直接進行壓力輸出（施予地下連續墻），同時通過傳感器將實時軸力數據反饋給DCS控制系統。當反饋數據低于設計軸力數據范圍時，DCS控制系統輸出信號驅動油壓泵系統開啟工作，油壓泵不斷輸送給鋼支撐千斤頂壓力，待傳感器傳回數據在一段時間（一般5～10min）穩定在設計數據之上時，DCS系統輸出信號關閉油壓泵，油壓泵停止工作；當反饋數據在設計數據范圍之內時，一切正常，繼續運行；當反饋數據高于設計數據范圍最大值，DCS系統發出報警，進行降壓處理。

應力伺服系統主要原理如下：

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

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

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

（4）PC系統具有輸入/輸出/顯示/操作/修改/存儲/打印等功能。

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

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

整個系統需要整體相互配合才能正常完成工作，由于相關技術限制，尚不能實現DCS系統驅使油壓泵自動泄壓、全自動控制。

3.應力伺服自適應支撐系統組成

應力伺服自適應支撐系統包括液壓動力泵站系統、千斤頂軸力補償裝置和電氣控制與監控系統。

3.1液壓動力泵站系統

液壓動力泵站系統參數如下：

①系統工作壓力：28Mpa

②最大工作壓力：32Mpa

③系統流量：2.34L/min

④油箱容積：22L；有效容積：15L

⑤電動機功率：1.5KW

⑥工作介質：YB-N46抗磨液壓油

液壓系統配置包括補償用液壓系統和預撐用普通液壓系統。

3.2液壓動力泵站系統工作原理

由電機驅動液壓泵壓出的液壓經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動力，液壓缸的回油涇液壓管路回到泵站回油口，經回油過濾器后返回油箱。

3.3液壓動力泵站：見圖2。

3.4千斤頂軸力補償裝置

千斤頂軸力補償裝置：地下連續墻預埋件支撐中心線鋼箱體鋼支撐和鋼支架平臺

（1）底鋼板；

（2）側鋼板；

（3）支座鋼板；

（4）H型鋼；

（5）面板；

（6）牛腿筋板；

（7）側向牛腿筋板；

（8）加勁板；

（9）螺絲

3.4.1千斤頂軸力補償裝置結構

千斤頂結構是分體式帶機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、導向套、機械安全閥組件、缸體、活塞、活塞桿、導向套，其技術參數見表。

3.5電氣控制與監控系統

本電氣控制系統采用DCS系統，系統由監控站、操作站和現場控制站組成，現場控制站靠近基坑邊一字排開，每隔一段間距設置一個，分別控制3個泵站（液壓系統），每個泵站可控制4個鋼支撐。各個站點通過CAN總線實現數據采集及發送控制指令。

3.5.1監控站

全面監控所有的泵站的實時運行情況，包括各油缸壓力、設定壓力、泵站狀態（包括電機正常、過流跳閘、液位、傳感器電氣故障、傳感器冗余狀態、液壓閥電氣故障等狀態信息），油缸壓力和設定壓力以圖形化形式顯示；并可運行參數設定（設定壓力等）。可實時采集運行數據（主要為壓力）并存儲計算機硬盤長期保存，并按要求（時間段等）以圖形形式顯示，以及打印報表，也可將數據導出EXCEL表格。

自適應支撐系統的工作界面，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出來，無故障時并不顯現；紫色長柱狀為設定壓力，紅色長柱狀為實際油缸壓力，二者可以輕松實現圖形化比較。

3.5.2監控站工作圖示可以顯示和調整：調節壓力、泵站狀態、泵站故障、設定壓力、油缸壓力、油缸狀態、油缸故障。

監控站數量1套，具體由以下部件系統組成：

①PC，上位機：1套②PC監控軟件等：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

實現現場的各單獨泵站的實時運行情況的監控和運行參數設定（設定壓力等）；以及實現現場所有的存在故障的泵站的故障集中顯示界面。

操作站數量1套，具體由以下部件系統組成：

①HMI工業觸摸屏10.4寸：1只②HMI工業觸摸屏軟件等：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現場控制站

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

3.5.4.1現場控制站：見圖4。

現場控制站數量共4臺，每臺具體由以下部件系統組成：

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

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

每臺液壓小泵站系統需配置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：見圖5

綜上，控制系統具有以下特點：

（1）控制系統采用DCS控制技術：DCS是面向整體，面向系統的控制技術，目標是整個系統的最優化控制，包括現場實時控制的最優化和綜合信息管理的最優化。

（2）現場總線采用CAN總線：現場總線是當今自動化領域技術發展的熱點之一，被譽為自動化領域的計算機局域網。它的出現為分布式控制系統實現各節點之間實時、可靠的數據通信提供了強有力的技術保障。

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

（4）操作簡單，維護方便：每個現場控制站和鋼支撐液壓系統型號規格完全一致，具有良好的互換性，采用快速重載接插件方式聯接，大大減少現場配線工作量，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控者。

（6）品質優良，安全可靠：所有電氣元器件均采用施耐德、MURR，魏德米勒、菲尼克斯等進口或國內知名品牌，并有良好的生產工藝保障。

3.6自適應支撐系統數據處理功能

3.6.1自適應支撐系統監控站主畫面。

3.6.2自適應支撐系統操作站主畫面。

3.6.3自適應支撐系統的數據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。自適應支撐系統可以實現對鋼支撐軸力的補償，也可以對鋼支撐進行降壓（防止壓力過大失穩），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定。

（4）支撐軸力補償

（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.自適應支撐系統安全策略

為了保證基坑施工的安全及施工的順利進行，采取以下安全策略：