支撑轴力伺服系统在深基坑中的应用

支撑轴力伺服系统在深基坑中的应用

蒋元廷1滕国2

蒋元廷1滕国2

1.上海市建设工程管理有限公司上海市200031

2.中交隧道工程局有限公司北京市100102

摘要：介绍了钢支撑轴力伺服系统在铜川路地铁车站基坑工程中应用成果。该工程位于城市中心地带，周边建（构）物密集，基坑安全等级为一级，环境保护等级为一级，通过应用钢支撑轴力伺服系统，解决了基坑施工时围护结构变形指标苛刻的难题。

关键词：深基坑施工、变形控制、环境监测、支撑轴力伺服系统。

引言：钢支撑在内支撑系统中的由于自重轻、安装和拆卸方便、能有效控制基坑变形等特点，在深基坑工程中已得到大量应用。钢支撑轴力随着温度变化、和塑性变形等因素，会产生应力损失，轴力计量数据不准确，且受限于施工条件难以及时进行轴力复加，导致深基坑围护结构变形控制不力，对周边环境造成不可逆转的影响，采用轴力伺服系统的钢支撑，可有效解决该问题，严格控制基坑变形，便于施工。

一、支撑轴力伺服系统

1.1、支撑轴力伺服系统简介

支撑轴力伺服系统由程控主机、数控泵站、支撑头总成构成。每个施工现场配备一台程控主机，程控主机设置在监控室内，可通过WiFi远程控制数控泵站，控制的数量无限制。每个数控泵站可同时控制8个支撑头总成。每个支撑头总成对应一根钢支撑进行工作。

1.2、支撑体系

支撑头总成与钢支撑采用法兰连接，并安装在基坑围护结构的设计指定位置。它与数控泵站是通过油管、线缆连接进行工作的。支撑头总成内部包含千斤顶（可根据实际工程需要配备相应吨位规格），用以对钢支撑施加轴力。

伺服端采用与千斤顶分离的双机械锁式伺服端头，有以下优点：

（1）支撑头与千斤顶可分离，可独立工作，在千斤顶损坏需更换时，不会引起钢支撑的失压，降低了系统失效的可能性。

（2）双机械锁受力点分散，并加设前端板，使受面积增大，降低基坑围护结构冲切破坏的可能性。

（3）双机械锁提供双重保障，安全性能高。

1.3测控系统

支撑轴力伺服系统的测控体系指的是软件程序与测控方法，由主机来实现。

（1）测控方法

支撑头总成内置压力传感器及超声波位移传感器，用以监测钢支撑的轴力及油缸行程位移；同时激光收敛计测量基坑侧壁的双侧收敛位移值，用以校核水平位移，通过在千斤顶端头加装超声波位移传感器来测量油缸行程的位移变化量；并通过在地连墙两侧加装激光位移传感器，采用“双侧地连墙收敛法”来测量两端地连墙之间的位移变化，通过以上两种方式来测量位移，进行数据相互校验，消除钢支撑变形误差。

（2）测控指标

位移是最重要的测控指标，准确的获取围护结构水平位移至关重要。

系统采用变频控制原理，数控泵站的核心PLC控制器接收到主机的信号后，通过变频器直接控制液压油泵的油压，给出主机指示的轴力值；PLC控制器控制液压阀门动作可实现油缸的加载、持荷与卸载。数控泵站内置位移与压力传感器，精确读取地连墙的变形与轴力并传递给PLC控制器，由PLC控制器反馈主机的加载和持荷，等待指示。并引入PID算法形成了一套精准的闭环控制路径，可以达到理想的变形控制效果。

二、工程实例

2.1工程概况

上海地铁14号线铜川路站位于普陀区中心城区，是14、15号线“T”型换乘站。15号线铜川路站位于大渡河路铜川路路口，基坑紧邻阳光商务大厦、普陀区图书馆、上海市体育宫。蓝心水岸会馆距离基坑约为12m，为条形砖基础砖混结构，施工时需进行保护。Φ2000雨水管、Φ1000煤气管、Φ1300污水管等市政管网主管均在基坑开挖一倍范围内，基坑围护变形须控制在1.4‰H（H为基坑开挖深度）以内。15号线铜川路站为地下三层岛式车站，车站外包总长度193.479m，标准段外包宽度25.74m，车站采用1200mm厚地下连续墙，墙深48m/55m/58m，标准段开挖深度25.16m，东西端头井开挖深度约27m。基坑由北往南共分3个基坑，分别为1C区、2B区、1B区。

2.2支撑设置

基坑第一、五道为混凝土支撑，第二～七道为钢支撑，端头井设第八道钢支撑，所有钢支撑均设轴力伺服系统。第二、三、四道为Φ609钢支撑，设计轴力分别为1800KN、2000KN、2200KN，第六、七（八）道为Φ800钢支撑，设计轴力分别为2300KN、2400KN（2300KN）；

2.3监测数据分析

1、15号线车站1C基坑开挖深度27米，采用全伺服，车站周边环境复杂，车站西侧的蓝心水岸沐浴会馆距离车站约12.27m，在开挖期间采用伺服系统对该建筑物进行保护。

支撑轴力伺服系统的基坑施工分为3个阶段，

（1）第5道混凝土支撑的上一层支撑安装完成时。

（2）第5道混凝土支撑施工完成并开挖到下一层支撑（钢支撑）安装时。

（3）第5道混凝土支撑的下一层支撑安装后直至基坑底板浇筑完成。

3、伺服段围护结构水平位移比较，见表一；

由表一可知：阶段1，支撑位置位移稳定并轻微向坑外移动。整个伺服段基坑围护结构变形均值为11.23mm。阶段2，随着基坑向下开挖，支撑以下土体位移较大，特别是混凝土支撑施工期间，由于开挖施工时间较长，变形增长迅速。此阶段伺服段基坑围护结构变形均值为18.24mm。阶段3，混凝土支撑以下继续使用伺服钢支撑，虽然开挖深度较大，但此阶段变形较小。此阶段伺服段基坑围护结构变形均值仅为14.61mm。

上海地铁14号线铜川路站地铁车站1C区基坑施工中，开挖深度为27米的深基坑，处于普陀区中心城区建筑群内，距基坑最近的建筑为12.27米，采用支撑轴力伺服系统，在基坑施工结束后基坑水平位移变形最大为49.06mm，为1.8‰。，周边建（构）造物均未达到报警值，不仅有效的控制了基坑的形变，提高了基坑的稳定性，更大大减小了对周边环境的影响，避免了矛盾纠纷。同时也为基坑监测人员提供了便利，缩减了投入人员，提高了工作效率和工作准确性。

结论

本文通过上海地铁14号线铜川路站车站利用支撑轴力伺服系统对车站基坑的支护，在基坑工程在施工中有以下优势：

1、有效控制基坑变形，基坑围护变形在1.8‰。

2、精准的控制每一根支撑轴力，保证了每一根支撑的安全稳定性，使整个支护体系无缺力的安全盲区。

3、在基坑开挖最后阶段有效的控制了基坑变形，提高了深基坑开挖的安全性。

参考文献：

[1]李孚昊，徐佳伟，支撑轴力伺服系统在地铁深基坑工程中的应用，路基工程，2018年第3期，157-161；

[2]张德标，费巍等，应力伺服系统在紧邻地铁深基坑钢支撑轴力监测中的应用，施工技术，2011年5月下，第40卷第341期，67-70；

[3]黄亮亮，钢支撑自动伺服系统对周边环境的影响实测与分析，建筑施工，第37卷，第8期，1014-1016；