深基坑微變形智能安全控制系統研究

吳聯定，顧國明，潘 曦，尹婷婷

(1.上海建工集團股份有限公司，上海 200080；2.上海高大結構建造工藝與裝備工程技術研究中心，上海 201114)

1 前 言

在進行巖土施工時，特別是在深基坑開挖的過程中，為了保護基坑自身和周邊建（構）筑物結構的安全，一般需要采用一些支護結構對深基坑進行支護，例如鋼筋砼支撐、鋼支撐等。鋼支撐具有安裝方便、可重復利用、成本低廉等優點，被越來越多地用于深基坑支護。在一些對基坑變形控制要求極其嚴格的場合，如保護古建筑周邊的深基坑工程、營運地鐵邊的軟土深基坑工程等，為了保護周圍敏感目標，往往采用具備軸力補償系統的鋼支撐系統。如我司發明的深基坑液壓伺服鋼支撐系統，當鋼支撐的軸力變化超過設定值后會進行報警并自動加壓至設定值，施工人員也可以就地或遠程對鋼支撐的軸力進行控制調整，實現了對深大基坑的微變形控制。

2 深基坑液壓伺服鋼支撐系統

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

圖1 鋼支撐軸力補償執行系統

圖2 千斤頂

就地或遠程軸力控制調整時，特別是當油缸進行“伸”工作時，活塞桿前進帶動螺桿前進。此時，由于鎖緊螺母與螺桿螺紋連接，鎖緊螺母跟隨螺桿前進，從而會在鎖緊螺母與防護罩之間產生相應的間隙。為了防止消除鎖緊螺母與防護罩之間的間隙，現場的操作人員必須下到深基坑支撐補償油缸位置，手動旋轉鎖緊螺母，使其與防護罩靠緊，從而鎖定油缸工作位置。一旦液壓鎖裝置由于內泄漏精度降低或油管爆裂等異常情況發生時，油缸中油的壓力會突然降低，螺桿就會快速回退，由于鎖緊螺母緊靠防護罩，可以阻止螺桿回退，從而避免了鋼支撐對圍護結構的支撐失效，保證了深基坑的施工安全。

然而在施工過程中，基坑每時每刻都會發生一些微小變形，為了避免基坑變形過大，需要人工頻繁旋動鎖緊螺母,及時調整油缸活塞桿的伸出量。通常，一個大型深基坑需要幾十根甚至數百根鋼支撐，人工操作過程中難免會遺漏某根鋼支撐或者某次鎖緊螺母旋動工作，從而給基坑施工帶來一些不安全因素；此外，深基坑施工環境比較惡劣，易發生安全事故，基坑施工中后期很難靠人力去實現鎖緊螺母的鎖緊。

3 液壓伺服鋼支撐安全裝置的優化設計

目前，液壓伺服鋼支撐系統中的人工操作部分，關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，擬在現有的自適應軸力補償裝置的基礎上，通過運用自動機械自鎖裝置來代替手動自鎖螺母。一方面，能夠實時鎖定油缸的工作狀態，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航；另一方面，執行機構可以全自動地解鎖/鎖定油缸的工作狀態，操作工人無需下到深基坑手動操作，不僅減輕了工人的勞動強度，保證了工人的人身安全，而且避免了因為工人疏忽而產生的安全隱患，進一步保障了基坑工程的施工安全。

3.1 外置齒輪式自動自鎖裝置

外置齒輪式自動自鎖裝置（圖3）主要由增壓油缸、防護罩、頂塊、螺桿、鎖緊螺母、驅動齒輪、液壓馬達、限位開關、端蓋等組成。其主要工作原理是：當軸力達到設定軸力預警下限值時，增壓油缸中的壓力傳感器將軸力下限預警信號反饋給PLC控制單元，PLC控制單元隨即發出給增壓油缸注入液壓油指令，增壓油缸中活塞桿帶動螺桿在液壓油的推動下伸出，壓力傳感器實時監測液壓油的壓力，當壓力達到設計要求值時，PLC控制單元發出停止注油信號，系統停止給增壓油缸注油；同時，鎖緊螺母跟隨螺桿頂出，限位開關檢測出鎖緊螺母與防護罩之間有間隙，PLC控制單元發出信號使液壓馬達動作帶動驅動齒輪旋轉，驅動齒輪通過鎖緊螺母外側齒輪驅動鎖緊螺母沿螺桿旋轉，通過螺紋相對運動使鎖緊螺母沿軸向靠緊防護罩，完成增壓油缸自鎖。反之如要解鎖，當限位開關檢測出鎖緊螺母與防護罩之間無間隙時，PLC控制單元發出信號使液壓馬達動作帶動驅動齒輪逆向旋轉，驅動齒輪通過鎖緊螺母外側齒輪驅動鎖緊螺母沿螺桿逆向旋轉，通過螺紋相對運動使鎖緊螺母沿軸向遠離防護罩，完成增壓油缸解鎖。

圖3 外置齒輪式自動自鎖裝置

3.2 內置行星輪式自動自鎖裝置

內置行星輪式自動自鎖裝置（圖4）主要由增壓油缸、防護罩、頂塊、螺桿、鎖緊螺母、液壓馬達、驅動齒輪、行星輪等組成。其主要工作原理是：當軸力達到設定軸力預警下限值時，增壓油缸中的壓力傳感器將軸力下限預警信號反饋給PLC控制單元，PLC控制單元隨即發出給增壓油缸注入液壓油指令，增壓油缸中活塞桿帶動螺桿在液壓油的推動下伸出，壓力傳感器實時監測液壓油的壓力，當壓力達到設計要求值時，PLC控制單元發出停止注油信號，系統停止給增壓油缸注油；同時，鎖緊螺母跟隨螺桿頂出，限位開關檢測出鎖緊螺母與防護罩之間有間隙，PLC控制單元發出信號使液壓馬達動作帶動驅動齒輪旋轉，驅動齒輪通過行星輪驅動鎖緊螺母內側齒輪使其沿螺桿旋轉，通過螺紋相對運動使鎖緊螺母沿軸向靠緊防護罩，完成增壓油缸自鎖。反之如要解鎖，當限位開關檢測出鎖緊螺母與防護罩之間無間隙時，PLC控制單元發出信號使液壓馬達動作帶動驅動齒輪逆向旋轉，驅動齒輪通過行星輪驅動鎖緊螺母內側齒輪使其沿螺桿逆向旋轉，通過螺紋相對運動使鎖緊螺母沿軸向遠離防護罩，完成增壓油缸解鎖。

圖4 內置行星式自動自鎖裝置

3.3 齒條鎖定式自動自鎖裝置

齒條鎖定式自動自鎖裝置（圖5）主要由增壓油缸、防護罩、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齒之間齒條的嚙合受力來達到鎖定的效果。當軸力達到設定軸力預警下限值時，增壓油缸中的壓力傳感器將軸力下限預警信號反饋給PLC控制單元，PLC控制單元隨即發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螺桿在液壓油的推動下伸出，壓力傳感器和位移傳感器分別實時監測液壓油的壓力和活塞桿的位移值，當壓力達到設計要求值且位移為卡槽節距整數倍時，PLC控制單元發出停止注油信號，系統停止給增壓油缸注油；接著PLC控制單元發出信號使解鎖油缸伸出，鎖緊塊通過彈簧的彈力自動與螺桿鎖緊，從而完成增壓油缸自鎖。

3.4 特點分析

以上3種方案各有優缺點：外置齒輪式自動自鎖裝置結構簡單、工作可靠，可以利用現有的設備方便改造，投入成本較低，但結構外置易碰擦損壞；內置行星輪式自動自鎖裝置鎖緊裝置在防護罩內，結構緊湊但較復雜，但利用現有設備改造投入成本較高；齒條鎖定式自動自鎖裝置相對結構較復雜，設備改造投入較多，對增壓油缸每次動作還有行程要求，適用性較差。

圖5 齒條鎖定式自動自鎖裝置

4 結 語

深基坑液壓伺服系統機械鎖安全裝置的精度、可靠性和可操作性不僅關系到工程的施工效率，更關系到深基坑工程變形控制的質量和安全，在深基坑微變形控制的施工中至關重要。本文提出了3種不同設計方案，可大大降低工人勞動強度，提高液壓伺服鋼支撐機械鎖安全裝置的自動化水平，從而提高了深基坑微變形鋼支撐體系的綜合性能，具有一定的推廣應用價值。