新型鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)在鄰地鐵深基坑中的應(yīng)用

金 勇 張友杰 顏峻生 郭志鑫 周 想 曹 鵬 欽偉軒

中國建筑第八工程局有限公司總承包公司 上海 201204

隨著城市的快速發(fā)展，深大基坑開挖項(xiàng)目日益增多，其中不乏鄰近地鐵或重要建（構(gòu)）筑物，對基坑本身的圍護(hù)變形及周邊環(huán)境變形都有很高的要求。常規(guī)采用的鋼支撐軸力補(bǔ)償系統(tǒng)，在使用過程中不可避免地會出現(xiàn)漏油、應(yīng)力松弛、現(xiàn)場斷電等帶來的軸力損失，需有專業(yè)人員每日到工地巡視查看鋼支撐軸力變形情況，耗時又費(fèi)力。新型軸力補(bǔ)償系統(tǒng)無需液壓泵站與之有線連接，可實(shí)時監(jiān)測及自動控制，并能進(jìn)行遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢及監(jiān)控，實(shí)現(xiàn)報(bào)表自動生成及打印，應(yīng)用起來更為便捷，給現(xiàn)場鋼支撐施工帶來極大的便利[1-4]。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于上海市青浦區(qū)諸光路與崧澤大道交叉口，基坑安全等級為一級；環(huán)境保護(hù)等級鄰地鐵側(cè)為一級，其余側(cè)為二級。本工程鄰地鐵側(cè)基坑支護(hù)采用1道混凝土支撐及4道鋼支撐，全部采用應(yīng)力伺服系統(tǒng)。A2-2、A3、A4區(qū)第2～3道預(yù)加軸力400 kN，第4～5道預(yù)加軸力1 500 kN，A1-1區(qū)第2～3道預(yù)加軸力1 200 kN，第4～5道預(yù)加軸力2 000 kN。鋼支撐材質(zhì)為Q235。

本項(xiàng)目基坑距離地鐵17號線諸光路站僅有24 m，該站臺為全玻璃頂棚，對基坑變形要求極高，鄰地鐵側(cè)測斜報(bào)警設(shè)計(jì)值僅為25 mm，給深基坑施工帶來巨大的挑戰(zhàn)。

2 傳統(tǒng)應(yīng)力伺服系統(tǒng)不足

傳統(tǒng)鋼支撐軸力伺服系統(tǒng)主要分為三大部分：總控制柜、液壓泵站、補(bǔ)償節(jié)。總控制柜位于監(jiān)控室內(nèi)，液壓泵站放置在基坑邊，補(bǔ)償節(jié)與鋼支撐連接安裝于設(shè)計(jì)指定位置。總控制柜與液壓泵站通過無線通信方式進(jìn)行數(shù)據(jù)傳輸，液壓泵站與各個補(bǔ)償節(jié)通過有線方式連接，補(bǔ)償節(jié)內(nèi)置的千斤頂與液壓泵站內(nèi)置的油缸用油管連接。

對于鄰地鐵深基坑，一般至少布置3道以上鋼支撐，每道有數(shù)十根，由于每個液壓泵站可控制8個補(bǔ)償節(jié)，因此一般需布置10個以上的液壓泵站。對于場地狹小、用地紅線離基坑邊很近的項(xiàng)目，基坑邊無過多的場地可以布置液壓泵站，不僅泵站布置起來較為困難，且影響施工人員通行。泵站與補(bǔ)償節(jié)用有線方式連接，線管繁多，鋪設(shè)在基坑邊顯得極為凌亂，一旦有損壞則維修極為困難。此外，在鋼支撐使用過程中，還會出現(xiàn)油管漏油、油壓不足、斷電等導(dǎo)致的伺服系統(tǒng)無法正常運(yùn)作、應(yīng)力不足的危害，嚴(yán)重影響深基坑施工的安全，給項(xiàng)目造成極大的損失。

3 新型鋼支撐伺服系統(tǒng)介紹

3.1 智能伺服系統(tǒng)組成

1）現(xiàn)場總控制柜（圖1）：現(xiàn)場總控制柜采用全天候戶外設(shè)計(jì)，且能實(shí)時監(jiān)測及自動/手動控制，可滿足工程要求。

圖1 總控制柜

2）智能伺服系統(tǒng)（圖2）：智能伺服系統(tǒng)采用雙自鎖全快速接頭式設(shè)計(jì)。伺服系統(tǒng)的最大設(shè)計(jì)加載力為3 500 kN，有效伸縮行程為200 mm。

圖2 智能伺服系統(tǒng)

3）無線智能監(jiān)控主機(jī)（圖3）：無線智能監(jiān)控主機(jī)采用自供電+外部電源，可現(xiàn)場操控及設(shè)置鋼支撐軸力，單臺最大監(jiān)控?cái)?shù)量可達(dá)500根，實(shí)現(xiàn)無線數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳及雙向控制，操作便捷。

圖3 無線智能監(jiān)控主機(jī)

3.2 主要性能參數(shù)

智能伺服系統(tǒng)最大軸力3 500 kN，伺服位移200 mm，有效通信距離可達(dá)500 m，內(nèi)置電池可持續(xù)工作時間6個月以上，具體見表1。

表1 智能伺服系統(tǒng)主要性能參數(shù)

3.3 系統(tǒng)主要特點(diǎn)及功能

1）智能伺服系統(tǒng)主要特點(diǎn)如下：一體化全集成設(shè)計(jì)；現(xiàn)場無線無管無電源；支撐數(shù)量靈活無限制；遠(yuǎn)程電腦手機(jī)實(shí)時監(jiān)控；液壓機(jī)械雙自鎖；支撐軸力位移雙監(jiān)控；風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及報(bào)警推送；施工便捷，全防水設(shè)計(jì)；全方位應(yīng)急保障體系。

2）智能伺服系統(tǒng)主要功能如下：鋼支撐軸力及位移的實(shí)時自動監(jiān)測與控制；支撐軸力及位移歷時及實(shí)時動態(tài)曲線展示；支撐軸力及位移實(shí)時監(jiān)測數(shù)據(jù)查詢及導(dǎo)出；鋼支撐軸力及位移實(shí)時報(bào)表自動生成及打印；軸力及位移超限風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警及短信報(bào)警推送；遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)查詢及監(jiān)控。

4 鋼支撐施工

4.1 鋼支撐拼接

按基坑設(shè)計(jì)及支撐實(shí)測長度并根據(jù)鋼管支撐的構(gòu)件模數(shù)，在地面鋼支撐拼裝場地進(jìn)行鋼支撐拼接，整根鋼支撐主要由固定端+若干標(biāo)準(zhǔn)鋼管節(jié)+智能伺服系統(tǒng)三部分拼接而成。

1）對鋼支撐對應(yīng)安裝基坑開挖實(shí)際長度進(jìn)行測量。

2）根據(jù)所需鋼支撐拼接長度，從鋼支撐堆放場地進(jìn)行鋼支撐關(guān)節(jié)選型。

3）在吊車的配合下，從鋼支撐固定端開始，通過法蘭螺栓連接逐段拼接鋼支撐。

4）拼接支撐智能伺服系統(tǒng)，拼接前應(yīng)對智能伺服系統(tǒng)相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行檢查，確保智能伺服系統(tǒng)處于完全縮回的初始狀態(tài)并打開電源開關(guān)。

5）對拼裝好的鋼支撐進(jìn)行長度復(fù)測，進(jìn)行螺栓及相關(guān)檢查。

4.2 鋼支撐安裝方法

4.2.1 施工流程

鋼支撐地面拼裝→鋼支撐吊放到位→智能伺服系統(tǒng)搜索添加→鋼支撐分級施加預(yù)應(yīng)力→止退機(jī)構(gòu)隨動自鎖→開啟軸力自補(bǔ)償模式（圖4）

圖4 支撐安裝拼接示意

4.2.2 具體流程

1）當(dāng)坑內(nèi)土方向下分層分區(qū)開挖至鋼支撐設(shè)計(jì)底標(biāo)高時，測量確定支撐中心標(biāo)高，然后焊接鋼支撐牛腿托架。

2）將地面拼接好的支撐吊放至設(shè)計(jì)位置。通過智能伺服系統(tǒng)筒身上預(yù)留的電源開關(guān)連接無線進(jìn)行自動加壓。

3）當(dāng)支撐需要安裝施加預(yù)應(yīng)力時，通過事先放置在地面的現(xiàn)場控制柜對智能伺服系統(tǒng)按照設(shè)計(jì)值進(jìn)行有權(quán)限的加載。

4）當(dāng)支撐軸力或位移達(dá)到設(shè)計(jì)值后，停止智能伺服系統(tǒng)加載，機(jī)械、液壓鎖自鎖，確認(rèn)鋼支撐軸力處于設(shè)計(jì)值允許范圍內(nèi)。

5）在智能伺服系統(tǒng)伸出的同時，止退機(jī)構(gòu)隨動自鎖。

6）設(shè)定好支撐軸力的上下限值，開啟“軸力自動監(jiān)測及補(bǔ)償模式”，即完成鋼支撐加載操作。

7）檢查各節(jié)點(diǎn)情況并組織驗(yàn)收，通過后交下道工序挖土。

4.2.3 智能伺服系統(tǒng)預(yù)應(yīng)力的施加

1）地下連續(xù)墻達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，方可施加預(yù)應(yīng)力。

2）預(yù)應(yīng)力施加流程為：施加應(yīng)力按500 kN為一級分級施加。先施加500 kN軸力，再檢查擰緊螺帽，每級停頓3～5 min（應(yīng)力損失），直至設(shè)計(jì)值。

4.2.4 智能伺服系統(tǒng)軸力的過程調(diào)節(jié)

智能伺服系統(tǒng)具備支撐軸力實(shí)時監(jiān)控、報(bào)警和自動補(bǔ)償功能，系統(tǒng)可根據(jù)事先設(shè)定好的每根鋼支撐的軸力設(shè)定值及上、下限值，進(jìn)行相應(yīng)的軸力動態(tài)調(diào)整。當(dāng)支撐的實(shí)測軸力低于設(shè)定的下限時，系統(tǒng)會自動啟動，將目標(biāo)支撐的軸力加載到設(shè)定值，反之亦然。系統(tǒng)也可根據(jù)現(xiàn)場具體實(shí)際要求，進(jìn)行軸力的手動增大或減小操作（圖5）。

圖5 智能伺服系統(tǒng)實(shí)時監(jiān)控頁面示意

4.2.5 智能伺服系統(tǒng)數(shù)據(jù)范圍及精度

1）智能伺服系統(tǒng)支撐設(shè)定軸力的范圍為0 ～3 500 kN，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)際需求，鋼支撐軸力可在授有權(quán)限的前提下任意設(shè)定。

2）軸力下限值也可根據(jù)具體工程實(shí)際需求，在設(shè)定軸力值以下任意設(shè)定。

3）智能伺服系統(tǒng)軸力可監(jiān)測及控制的精度（誤差）為1 kN，伺服系統(tǒng)位移的監(jiān)測和控制精度（誤差）為0.1 mm。

4）智能伺服系統(tǒng)采用全自動軸力及位移實(shí)時監(jiān)測，數(shù)據(jù)采集最高頻率為1 s/次（采集頻率可調(diào)整）。

5 數(shù)據(jù)分析

根據(jù)自動報(bào)表，鋼支撐軸力與位移數(shù)據(jù)極為穩(wěn)定，不會出現(xiàn)應(yīng)力損失等情況，在土方開挖過程中，測斜日變形量極小，累計(jì)變形量未超過設(shè)計(jì)報(bào)警值，為深基坑施工安全帶來重要保障。

6 結(jié)語

通過智能伺服支撐系統(tǒng)，避免了傳統(tǒng)伺服系統(tǒng)占地大、受基坑工程施工影響大、易漏油、應(yīng)力不穩(wěn)定等缺陷，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場遠(yuǎn)程電腦/手機(jī)實(shí)時監(jiān)控，使工程施工始終處于可控和可知的狀態(tài)，確保了深基坑工程的施工安全，對保護(hù)鄰近地鐵具有重要意義，可供類似工程參考。