地铁车站钢支撑轴力自动补偿施工工艺工法

1、地铁车站钢支撑轴力自动补偿施工工艺工法(QB/ZTYJGYGF-DT-0307-2014)广州分公司王小孟1前言1.1 工艺工法概况钢支撑自动轴力补偿系统，是结合了现代机电液压一体化自动控制技术、计算机 信息处理技术、总线通信技术以及可视化监控技术等高新技术手段，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补偿 来达到控制基坑变形目的支撑系统。钢支撑自动轴力补偿系统将传统支撑技术与现代高科技控制技术等有机结合起 来，对钢支撑轴力实时补偿与监控，实现对钢支撑轴力24小时不间断的监测和控制， 使支撑系统始终处于可控和可知的状态。与传统钢支撑体系相比，自动轴

2、力补偿系统 能明显降低基坑围护结构的最大变化速率，控制基坑的变形，减小对邻近运营线路、 建筑等周边环境的影响，有效解决常规施工方法无法控制的苛刻变形要求和技术难题。目前在上海地区邻近地铁运营线的基坑应用较多，在深圳地铁11号线前海湾站首次应用。1.2 工艺原理钢支撑是基坑内支撑体系的一种常用型式。每根钢支撑有多个标准节钢管拼接而 成，通过法兰盘进行连接。钢支撑两端为固定端、活动端端头，活动端通过活络头调 节长度。常规做法是通过活动端的活络头用千斤顶对钢支撑按照设计要求预施加一定 轴力，并安装轴力计监控钢支撑的轴力，以便掌握基坑结构变形引起的应力变化情况。 钢支撑自动轴力补偿系统，是采用钢支座套

3、箱端头替代活动端，钢支座套箱端头内安 装千斤顶(设计轴力决定其吨位)，通过液压转换为支撑轴力，与基坑外侧土压力保 持平衡，从而使基坑处于安全的状态。地面通过监控站、操作站、现场控制站、液压 伺服泵站等成套系统即时控制钢支撑端部千斤顶压力，通过持续“保压”，使钢支撑恒定轴力，起到自动控制、监测钢支撑轴力作用。1.2.1 系统组成系统设计采用了 树状即插分布式模块，结构、多重安保体系”的总体工艺技术路 线，将机电液压自动控制技术、PLC电气自动控制技术、总线通信技术以及现代 HMI 人机界面智能技术和计算机数据处理技术等多项现代高科技技术有机集成起来，自动轴力补偿系统主要有以下部件组成：监控站、操

4、作站、现场控制站、液压伺服泵站系统、总线系统、配电系统、通信 系统、移动诊断系统、组合增压千斤顶、液压站接线盒装置等组成。1自动轴力补偿系统总体工艺设计采用树状结构，更贴近、更适合地铁边长条形 基坑的结构特点，便于现场布置和使用。2自动轴力补偿系统总体工艺设计采用模块结构，便于现场维护和使用，控制精 度局03自动轴力补偿系统总体工艺设计采用即插分布式结构， 也便于现场维护和使用， 也更适合基坑边设备的布设和移动。4自动轴力补偿系统总体工艺设计采用了多重安保体系，大大提高了系统运行的 可靠性、安全性，确保深基坑开挖施工所引起的基坑变形控制效果，从而确保邻近地 铁运营线、周边建（构）筑物的安全。5

5、由于自动轴力补偿系统设计采用了冗余设计，所以系统的工作能力强，适应能 力强，可以应用在各种轴力范围、各种深度大小和各种支撑数量并要求钢支撑轴力需 要实时补偿的深基坑工程中。6自动轴力补偿系统对钢支撑轴力实时补偿的能力强、精度高、速度快，响应精 度达95犯上，响应时间缩短至 2秒。7系统设计并配置了基于移动诊断技术的多功能移动诊断控制箱，在中央监控系 统（监控站）或操作站或现场控制站等模块通信失效的情况下能实现故障单元的轴力 自动补偿和故障诊断；在控制模块硬件故障情况下能实现故障单元的轴力手动补偿， 提高了系统的应急处理能力，从而大大增加了系统的安全性和可靠性。8现场控制站、多功能移动诊断控制箱

6、等都采用了HMI人机界面智能控制技术，使简单，使用十分方便。9自动轴力补偿系统采用CAN总线来实现数据采集和控制指令发送，站与站之间采用方便的接插件技术并赋以新型可靠的稳定技术，包括如高性能的总线拓朴结构技术；方便实用的现场接线技术；高可靠性的触点连接技术；总线传输波特率 的计算并优化技术；完善的诊断和错误恢复技术；终端电阻的灵活接入或关闭技 术；总线成员自由增减技术，从而确保数据传输可靠、安全，同时满足了工地现场 的方便使用。10自动轴力补偿系统采用独特的钢支撑轴力支顶结构设计，千斤顶设计采用体积小重量轻便于现场安装的增压结构，设计了自动调平机构，具有自动调平功能，头部 系统结构上还独特设计

7、了机械锁+液压锁的双重安全装置，确保安全。1.2.2 主要技术参数主要技术参数见表1。表1自动轴力补偿系统主要技术参数序号项目单位参数1供电电压V380、 220、 242响应精度%953响应速度S24系统工作压力Mpa285最大工作压力Mpa356千斤顶最大推力（个）t3007伺服泵站系统流量（个）L/min2.348伺服泵站系统电动机功率（个）KW1.5图1钢支撑自动轴力补偿系统三维示意图2工艺工法特点2.1 取代了传统钢支撑人工预加轴力，实现了自动化“保压、加压”，并做到“可 视、可控、可调”。2.2 加强了深基坑钢支撑施工过程中控制和管理，对施工过程中的轴力监测数据等进行动态监管，有效

8、控制了施工风险。2.3 将动态信息与移动设备绑定，实现远程终端控制、离场操作，实现信息化管理。2.4 通过监测数据分析不同地层基坑变形规律，验证设计理论计算变形值，可预 先设置轴力值大小主动控制基坑变形，实现施工指导设计。3适用范围适用于各类软弱复杂地质条件下的深基坑围护结构钢支撑体系，尤其是邻近运营线或重要建（构）筑物的深基坑。4主要引用标准地铁设计规范（GB50157-2013建筑基坑支护技术规程（JGJ120-2012）地下铁道工程施工及验收规范（GB50299-1999）（2003版）建筑桩基技术规范（JGJ94-2008）建筑工程施工现场供用电安全规范（GB50194-2014建筑地

9、基基础设计规范（GB50007-2011建筑钢结构焊结技术规程（JGJ81-2002）5施工方法钢支撑自动轴力补偿系统施工与钢支撑架设密不可分，自动轴力补偿系统需提前3个月加工、组装，提前15d现场布置设备和线路供电系统。根据基坑形状及开挖方 案，将自动轴力补偿系统的现场控制站及泵站沿基坑边缘一字排开。现场控制站及泵 站的布置位置坚持线路最短原则，即现场控制站与泵站间的线路最短、泵站与千斤顶 间的油管最短，并完成设备安装、单系统、总系统程序调试。钢支座套箱端头与钢支 撑预先拼装，根据基坑开挖进度，架设钢支撑，并安装千斤顶，在监控站（或操作站） 上按照设计轴力设定系统压力控制值（精度控制偏差 %

10、,完成设计预加轴力的逐级 施加。同时，采集各种监测数据初始值，进行同步监测。自动轴力补偿系统开始运作， 形成持续 保压”状态，开始自动控制、监测钢支撑轴力。在基坑开挖的前3050m长度范围，竖向每道支撑选取 1015根的钢支撑轴力 监测数据，通过对施工监测、自动化监测数据分析变形规律，与设计理论计算变形值 进行对比，以便调整钢支撑预加轴力，达到施工指导设计目的，动态指导现场施工， 更好的控制变形。现场监测期间，如基坑或邻近运营线或重要建（构）筑物变形突然 增大时，现场值班人员在监控站（或操作站）快速调大钢支撑设计控制轴力，实现 增 压”增大支撑轴力，达到即时有效控制变形。6.工艺流程及操作要点

11、6.1 工艺流程工艺流程见图2。监控站加工组装操作站加工组装现场控制站加工组装液压伺服泵站加工液压站接线盒装置加工组合增压千斤顶加工钢支座套箱加工总线系统组装调试配电系统组装调试通信系统组装调试移动诊断系统组装调试总系统调试现 场 安 装基坑开挖基坑监测钢围樽安装钢支撑、钢支座套箱 端头拼装逐级施加预应力吊装钢支撑、安装千斤顶设定系统压力控制值自动控制和监测钢支撑轴力图2钢支撑自动轴力补偿系统施工工艺流程6.2 操作要点6.2.1 系统现场布置合理，线路最短控制根据现场基坑形状、区段划分、开挖顺序及现场环境等综合因素，根据钢支撑设 计轴力，进行钢支撑轴力自动补偿系统的负荷设计、合理性设计。现场

12、布置设备、供电系统线路及网络系统线路，现场控制站及泵站沿基坑边缘一 字排开。现场布置控制站及泵站位置坚持线路最短原则，即现场控制站与泵站间的线 路最短、泵站与千斤顶间的油管最短。6.2.2 钢支撑及千斤顶安装钢支撑与钢支座套箱提前在地面进行拼装，随基坑开挖及时架设，将千斤顶吊装 至钢支座套箱内，就位居中，与泵站的液压油管连接，按设计施加预加轴力。6.2.3 实时监控监控站安排专人进行全天值班，监控系统24小时开机，对钢支撑轴力进行实时 监控并整理日报。必要时根据基坑施工监测、邻近运营线或重要建构筑物的自动化监 测数据重新调整钢支撑轴力，达到快速控制变形目的。6.2.4 设备校核及标定根据基坑开

13、挖及钢支撑倒用周期，千斤顶标定不超过6个月一次；液压伺服泵站、 现场控制站、操作站按每移动一次进行一次调试，监控站按 3个月检查一次；加强日 常巡检，对网络线路、用电线路、液压油管等破损及时更换，确保系统运行期间完好。7劳动力组织劳动力组织见表2。表2劳动力组织表序号工种人数备注1年3人负责现场施工组织、技术2钢支撑拼装、架拆15人负责现场拼装架拆，配合系统安装、拆除3钢围楝、钢支座套箱 加工、安装20人负责现场加工、安装4自动轴力补偿6人负责现场系统组装、调试，实时轴力监控，日常 维护保养、部件更换5普工10人配合日常系统设备移动6监测人员8人现场施工监测，与自动轴力补偿配合8主要机具设备主

14、要机具设备见表3表3主要机具设备配置表序号作业名称机具设备型号规格型号单位数量1安装钢支撑PC120挖掘机台12膨胀螺栓打眼电钻把23钢围楝、钢支座套箱加工电焊机BS-300台64切割机JG-400台65配电箱自制个26汽车吊25t辆17场内运输自卸吊10t辆18钢支撑自动轴力补偿系统（1套）监控站、操作站套19监控站、操作站（备用）套110现场监控站套411现场监控站（备用）套112液压伺服泵站套1213液压伺服泵站（备用）套114液压站接线盒装置15组合增压千斤顶300t个7216组合增压千斤顶（备用）300t个317钢支座套箱个7218液压油管19网线20电缆9质量控制9.1 易出现的质

15、量问题9.1.1 钢支撑、围楝加工质量不达标，影响系统使用。9.1.2 钢支撑拼装不平直，钢围楝背后回填不密实，影响自动轴力补偿系统保压9.1.3 车站盖挖逆作工况下，钢支撑安装和自动轴力补偿系统千斤顶安拆存在难 度，需要机械配合。9.1.4 现场施工监测主要靠人工量测、整理数据，需要一定时间；而自动轴力补 偿系统快速调取钢支撑“即时轴力值”。施工监测与自动轴力补偿系统监测的钢支撑 轴力难以同步，不易实现“实时”控制基坑及邻近运营线或重要建（构）筑物的变形9.2 保证措施9.2.1 钢支撑拼装不平直，误差较大：加强钢支撑加工质量控制，进场验收必须 严格，进行焊接探伤、壁厚等指标检验检测，不合格

16、的必须退场。钢围楝连接部位焊接不牢固，特别是阴阳角部位焊接质量不达标现象较多，加强现场管制作、安装、焊 接过程管理和检查验收。9.2.2 钢支撑提前试拼检查，连接时必须对称上高强螺栓，按顺序紧固，拼装成 型的支撑是否平直，检查轴线偏差W 3cm,不平直（或存在变形）的要禁止使用。现 场安装时，两端安装标高0 3cmi加强现场控制钢围楝背后回填，确保碎密实，严禁 喷碎的干拌料、回填料，不得回填其他杂物。9.2.3 盖挖逆作板下进行钢支撑和自动轴力补偿系统千斤顶的安装、拆除，操作 空间受限，无法采用单根整体吊装，需要在板下分段拼装，根据跨度、高度提前做好 分段试拼；钢支撑和千斤顶安装选用合适的挖掘

17、机进行，拆除采用叉车。9.2.4 钢支撑自动轴力补偿系统不仅实现 “保压”，根据基坑及邻近建筑物变形来 快速增加轴力，达到控制变形的作用。现场条件受限仅邻近运营线或重要建（构）筑 物采用自动化监测，基坑施工测斜等监测主要靠人工，监测数据不及时，应根据邻近 运营线或重要建（构）筑物自动化监测数据，快速“调压”增大轴力，有效控制基坑 及邻近运营线或重要建（构）筑物的变形。10安全措施10.1 主要安全风险分析10.1.1 钢支撑架设不及时，导致基坑围护结构严重变形甚至失稳，危及邻近运营线或重要建（构）筑物的变形。10.1.2 安装不牢固，造成支撑脱落。10.1.3 基坑施工监测数据不及时，基坑施工

18、监测、邻近运营线或重要建（构） 筑物自动化监测信息不畅通，对基坑安全状态及钢支撑轴力掌握不及时。10.1.4 钢支撑拼装、千斤顶安装作业不规范，容易造成物体打击事故。10.2 保证措施10.2.1 加强现场管理与协调，配合盖挖土方开挖，及时架撑、按照千斤顶，保 证钢围楝背后回填质量。10.2.2 对施工人员加强安全施工的教育，定期进行专业安全检查，进入施工现 场人员一律戴安全帽10.2.3 钢支撑加工前由负责加工的工长对加工机械的安全操作规程及注意事项 进行交底，并由机械工程师对所有机械性能进行检查，合格后方可使用。10.2.4 钢支撑在运输过程中要注意交通安全，运输车尾应设置警示灯等安全设

19、备。10.2.5 在安装牛腿支架、钢围楝时一定要注意在基坑顶部设防护栏，并同时安 排专人将边坡上部将杂物清理干净，防止坠物伤人。10.2.6 支撑、千斤顶吊装时其吊车下方及支撑回转半径内严禁站人，高空作业 要系安全带。由于钢支撑跨度较大，活荷载对其影响较大，易使支撑因震动而失稳， 所以严禁在其上放置各种物体及人员攀登和行走。10.2.7 土方开挖时避免挖掘机碰撞已经架设的钢支撑，钢支撑采用钢丝绳防坠 落，钢围楝采用角钢托架防坠落。10.2.8 控制钢支撑安装过程中的轴线、标高安装偏差，千斤顶安放居中，钢围 楝侧面垂直。10.2.9 加强与基坑施工监测、邻近运营线或重要建（构）筑物自动化监测信息

20、 之间的联系，及时根据监测数据，“调压”增大轴力，控制变形。11环保措施11.1 钢支撑及自动轴力补偿系统作业对环境造成不良影响的因素钢支撑、钢围楝、钢支座套箱加工，钢支撑运输、拼装、吊装和自动轴力补偿系 统运输、安装、调试、投入使用等，对周边环境照成了一定的影响，影响因素主要为：11.1.1 钢支撑、钢围楝、钢支座套箱加工造成的光污染。11.1.2 钢支撑、千斤顶架设时造成的噪音污染。11.1.3 液压泵站、千斤顶、液压油管破损造成的漏油水污染。11.2 采取措施11.2.1 起重吊装作业尽量减少噪音，可以安装消音装置。拼装过程，轻吊轻放, 减少噪音。11.2.2 电焊作业必须配备齐全的劳保

21、用品。1切割焊接等作业，施工完成后，每天做到工完料清，及时打扫焊渣并清理。2严禁在晚上进行焊接作业，如确有必要时吗，必须搭建遮光棚，防止造成光污染。3对余料、废料同意堆放管理，增强节能减排意识。4加工的成品半成品应分类堆放整齐。采用标识标牌进行标识。5现场做好文明施工和安全用电。12应用实例12.1 工程简介深圳地铁11号线为机场快线，接驳深圳宝安机场 T3新航站楼。采用BT模式， 前海湾站位于与香港隔海相望的深圳前海深港合作区，原始地貌为滨海滩涂，现状为 填海区，该区域存在为普遍分布不规则的填石和较厚的流塑状、软塑状淤泥等软弱不 良地层。前海湾站与已建1、5号线及后建的前海综合交通枢纽工程穗

22、莞深城际线、 深港西部快线将形成 三条地铁+两条轻轨”的平行大换乘。车站为地下三层两柱三跨 岛式车站，长830m标准宽25.7m,深18.1m,建筑面积7.8万平米，工程造价11.79 亿元，规模相当于三四个标准地铁车站，是国内最长的在建地铁车站。由于车站所 处填海区地层复杂，东侧且距已运营5号线地铁车站平行最小净距仅有 9.1m,故主要 采用盖挖逆作法，仅南端110m采用明挖顺作法。车站东侧围护桩设计为 小12001300+ 900三管旋喷桩止水及帷幕，西侧围护桩 设计为小15001600+ 900三管旋喷桩止水及帷幕，底板下方沿车站纵向设置四排抗 拔桩。车站南端110m采用明挖顺筑法进行施工，共设置 4道支撑体系，其中第一道 为钢筋混凝土支撑，第二四道为小600钢支撑，在施工结构底板时需进行一次换撑， 支撑间距平均为3m北端720m采用盖挖逆筑法进行施工，在车站第二道钢支撑（负 一层板上方1n）、第二道钢支撑（负二层底板上方 2m带自动轴力补偿系统，共354 根钢支撑。12.2 施工情况前海湾车站盖挖段长720m根据设计支撑数量和工期安排，共加工3套自动轴力 补偿系统（一套系统控制72根钢支撑），系统调试完毕，运至现场车站顶板上方，将 现场控制站及泵站沿基坑边缘一字排开布置，板上采用集装箱设两个监控站，24小时