基坑钢支撑轴力应力伺服自动补偿系统技术的原理和应用

李慧玉

摘 要：针对上海绿地恒滨置业集团龙华路1960地块项目紧邻地铁深基坑开挖具体情况，运用钢支撑轴力应力伺服系统，减少钢支撑轴力损失。并对基坑临近地铁侧变形最大位置点进行监测，使基坑邻地铁侧围护地下连续墙的变形控制在20mm之内，地铁沉降控制在5mm以内，确保了周边居民建筑的安全和地铁运行安全。

关键词：深基坑；钢支撑；应力伺服系统；围护地下连续墙；变形控制

本工程地下室与7#线共用地下连续墙，为了确保7#线地铁正常运营安全，申通地铁公司对紧邻地铁基坑工程基坑变形提出了更高标准和更严要求，变形控制在20mm之内，工期由5个月改为3个月，施工难度逐渐加大。为确保基坑及地铁安全，基坑施工过程中必须运用有效的控制变形工具、施工工艺及相关控制措施。

本文介绍了钢支撑轴力应力伺服系统的原理和施工应用，并结合基坑、地铁围护变形数据的整理分析，总结应力伺服系统在施工中基坑地铁变形曲线趋势，为钢支撑轴力应力伺服系统应用提供现场依据，从而确保基坑施工与地铁正常运营安全。

1.应力伺服自适应支撑系统介绍

应力伺服自适应支撑系统是结合了现代机电液一体化自动控制技术、计算机信息处理技术以及可视化监控系统等高新技术手段，对支撑轴力进行全天候不间断监测，并根据高精度传感器所测参数值对支撑轴力进行适时的自动或手动补偿来达到控制基坑变形目的的支撑系统。运用自适应支撑系统，实现了对钢支撑轴力的实时监测和控制，解决常规施工方法无法控制的苛刻变形要求和技术难题，使工程始终处于可控和可知的状态，具有良好的社会效益、经济效益和环境保护效益。

2.应力伺服系统施工原理

钢支撑轴力应力伺服系统主要分为4部分：PC人机交流系统，DCS控制系统，油压泵压力系统和钢支撑系统（见图1），其中DCS控制系统为整个系统的控制枢纽，连接其他3大系统。DCS将数据反映至PC系统，显示给监测人员；控制油压泵开启或关闭，增压保压；接收钢支撑端部千斤顶轴力数据，与设计数据进行比较。PC系统将设计数据输入，转换成视觉可操作平面，油压泵提供支撑轴力支持，支撑直接进行压力输出（施予地下连续墙），同时通过传感器将实时轴力数据反馈给DCS控制系统。当反馈数据低于设计轴力数据范围时，DCS控制系统输出信号驱动油压泵系统开启工作，油压泵不断输送给钢支撑千斤顶压力，待传感器传回数据在一段时间（一般5～10min）稳定在设计数据之上时，DCS系统输出信号关闭油压泵，油压泵停止工作；当反馈数据在设计数据范围之内时，一切正常，继续运行；当反馈数据高于设计数据范围最大值，DCS系统发出报警，进行降压处理。

应力伺服系统主要原理如下：

（1）油泵工作压力靠高压比例减压阀自动调定，压力传感器检测，组成闭环控制，保证千斤顶压力的连续可调性及控制精度。

（2）钢支撑轴力保持在设定压力A下（此压力可调），当轴力下降至设定压力B时能自动启动油泵（或蓄能器）补压至A值，当轴力超过设定最大值C时，控制台可自动报警，由工作人员确认是否进行相关操作（保压或减压）。

（3）电气系统由DSC控制器实施自动控制。操作面板上装有彩色触摸屏，可显示和设置工作压力、超载报警和系统工作状况。

（4）PC系统具有输入/输出/显示/操作/修改/存储/打印等功能。

（5）当动力电源断电时，整个电控系统由后备的UPS不间断电源供电，液压动力油源由手动泵提供，确保系统安全。

（6）在千斤顶顶升过程中，随时锁紧机械自锁装置，保证在自控系统突然失效情况下支撑不失效。

整个系统需要整体相互配合才能正常完成工作，由于相关技术限制，尚不能实现DCS系统驱使油压泵自动泄压、全自动控制。

3.应力伺服自适应支撑系统组成

应力伺服自适应支撑系统包括液压动力泵站系统、千斤顶轴力补偿装置和电气控制与监控系统。

3.1液压动力泵站系统

液压动力泵站系统参数如下：

①系统工作压力：28Mpa

②最大工作压力：32Mpa

③系统流量：2.34L/min

④油箱容积：22L；有效容积：15L

⑤电动机功率：1.5KW

⑥工作介质：YB-N46抗磨液压油

液压系统配置包括补偿用液压系统和预撑用普通液压系统。

3.2液压动力泵站系统工作原理

由电机驱动液压泵压出的液压经减压阀减至工作压力后，通过出油口与液压管路连接，为液控阀组的液压缸提供液压驱动力，液压缸的回油泾液压管路回到泵站回油口，经回油过滤器后返回油箱。

3.3液压动力泵站：见图2。

3.4千斤顶轴力补偿装置

千斤顶轴力补偿装置：地下连续墙预埋件支撑中心线钢箱体钢支撑和钢支架平台

（1）底钢板；

（2）侧钢板；

（3）支座钢板；

（4）H型钢；

（5）面板；

（6）牛腿筋板；

（7）侧向牛腿筋板；

（8）加劲板；

（9）螺丝

3.4.1千斤顶轴力补偿装置结构

千斤顶结构是分体式带机械锁保险装置的增压油缸，组成部件包括顶块、锁紧螺母、连接过渡套、螺杆、导向套、机械安全阀组件、缸体、活塞、活塞杆、导向套，其技术参数见表。

3.5电气控制与监控系统

本电气控制系统采用DCS系统，系统由监控站、操作站和现场控制站组成，现场控制站靠近基坑边一字排开，每隔一段间距设置一个，分别控制3个泵站（液压系统），每个泵站可控制4个钢支撑。各个站点通过CAN总线实现数据采集及发送控制指令。

3.5.1监控站

全面监控所有的泵站的实时运行情况，包括各油缸压力、设定压力、泵站状态（包括电机正常、过流跳闸、液位、传感器电气故障、传感器冗余状态、液压阀电气故障等状态信息），油缸压力和设定压力以图形化形式显示；并可运行参数设定（设定压力等）。可实时采集运行数据（主要为压力）并存储计算机硬盘长期保存，并按要求（时间段等）以图形形式显示，以及打印报表，也可将数据导出EXCEL表格。

自适应支撑系统的工作界面，可以显示每个控制站下各泵站所连接的所有油缸情况。多色小方块为各类状态和故障报警（如果存在），何种故障存在则何种颜色的小方块显现出来，无故障时并不显现；紫色长柱状为设定压力，红色长柱状为实际油缸压力，二者可以轻松实现图形化比较。

3.5.2监控站工作图示可以显示和调整：调节压力、泵站状态、泵站故障、设定压力、油缸压力、油缸状态、油缸故障。

监控站数量1套，具体由以下部件系统组成：

①PC，上位机：1套②PC监控软件等：1套③UPS不间断电源：1只④CAN-USB适配器：1只⑤快速重载接插件：2套⑥PC柜柜体：1只⑦低压电气元件：若干

3.5.3操作站

实现现场的各单独泵站的实时运行情况的监控和运行参数设定（设定压力等）；以及实现现场所有的存在故障的泵站的故障集中显示界面。

操作站数量1套，具体由以下部件系统组成：

①HMI工业触摸屏10.4寸：1只②HMI工业触摸屏软件等：1套③控制器PLVC（单层）：1只④控制器软件等：1套⑤总线浪涌抑制器：1只⑥快速重载接插件：3套⑦快速重载接插件：3套⑧控制柜体：1只⑨低压电气元件若干

图3.5.3.1操作站：见图3

3.5.4现场控制站

分别采集12个钢支撑的运行数据（如压力、液位等），并通过CAN总线传送至监控站和操作站；接受监控站和操作站的控制指令，分别控制12个钢支撑的压力调节，伸缩动作、液压泵起停等。分别采集12个钢支撑的运行数据（如压力、液位等），并通过CAN总线传送至监控站和操作站；接受监控站和操作站的控制指令，分别控制12个钢支撑的压力调节，伸缩动作、液压泵起停等。

3.5.4.1现场控制站：见图4。

现场控制站数量共4台，每台具体由以下部件系统组成：

①控制器PLVC（三层）：2只②控制器软件等：1套⑶总线浪涌抑制器：1只④总线分配器：1只⑤快速重载接插件：21套⑥控制柜体（户外型）：1只⑦低压电气元件：①开关电源（24V/40A）：1只②直流电源分配器：4只③断路器：10只④接触器：8只⑤直流浪涌抑制器：1只⑥其他电气元件：

3.5.5钢支撑液压站电气系统

系统的控制对象，其中主要由钢管主体结构，轴力自动补偿装置组成，由现场控制站控制其伸缩动作、设定压力等，并通过检测元件（如压力传感器）将运行信息反馈到现场控制站

每台液压小泵站系统需配置1套电气接线盒装置，每套电气接线盒装置由以下部件系统组成：

①接线盒：1套②快速重载接插件：2套③其他电气元件：若干

3.5.5.1液压站电气系统：见图5

综上，控制系统具有以下特点：

（1）控制系统采用DCS控制技术：DCS是面向整体，面向系统的控制技术，目标是整个系统的最优化控制，包括现场实时控制的最优化和综合信息管理的最优化。

（2）现场总线采用CAN总线：现场总线是当今自动化领域技术发展的热点之一，被誉为自动化领域的计算机局域网。它的出现为分布式控制系统实现各节点之间实时、可靠的数据通信提供了强有力的技术保障。

（3）友好的人机界面：监控站采用PC机，操作站采用HMI，图形化形式全面监控系统所有实时运行情况，包括各油缸实际压力、设定压力、泵站状态（包括电机正常、过流跳闸、液位、传感器电气状态、传感器冗余状态、液压阀的电气故障等状态信息）；运行参数设定（设定压力等）。

（4）操作简单，维护方便：每个现场控制站和钢支撑液压系统型号规格完全一致，具有良好的互换性，采用快速重载接插件方式联接，大大减少现场配线工作量，并可以即插即用，简单方便。

（5）具备完善的电气安全保护措施和实时诊断措施，将故障概率减到最低并将故障的影响隔离到最小，以全面的诊断手段捕捉故障信息并以迅捷的方式递送到监控者。

（6）品质优良，安全可靠：所有电气元器件均采用施耐德、MURR，魏德米勒、菲尼克斯等进口或国内知名品牌，并有良好的生产工艺保障。

3.6自适应支撑系统数据处理功能

3.6.1自适应支撑系统监控站主画面。

3.6.2自适应支撑系统操作站主画面。

3.6.3自适应支撑系统的数据处理包括输出某时间的全部压力（时间点—全部压力）、某油缸在一时间段的压力和某油缸的故障。输出界面包括：

（1） 时间点—全部压力

（2） 时间点—全部压力可以输出实时压力监控成果表。

（3）时间段—某缸压力

时间段—某缸压力可以输出某油缸某天的压力变化曲线。自适应支撑系统可以实现对钢支撑轴力的补偿，也可以对钢支撑进行降压（防止压力过大失稳），同时还具有良好的保压效果，即使在停电情况下也能保持压力稳定。

（4）支撑轴力补偿

（5）降低支撑轴力

（6）停电情况下的保压效果

（7）时间段—某缸故障

可以输出某油缸在一时间段的压力和某油缸的故障。

4.自适应支撑系统安全策略

为了保证基坑施工的安全及施工的顺利进行，采取以下安全策略：