钢支撑轴力应力伺服系统在地铁深基坑中的应用

钢支撑轴力应力伺服系统在地铁深基坑中的应用

为了确保地铁运营安全，市政地铁公司对已建铁路附近桥梁的设计变形提出了更高的要求，从3cm降至1.5cm。施工时间从半年改为三个月，施工难度逐渐增加。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施工应用，并结合基坑、地铁隧道变形数据的整理分析，总结应力伺服系统的施工难点对策及基坑地铁变形曲线趋势，以期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运营安全。1地下地铁主要基坑分布上海协和城世界广场位于上海市静安区002-E号街坊，东、西、北3面部分被20世纪20—40年代的2～3层砖木结构房屋(优秀历史保护建筑)环绕;地下有已建成运行的地铁2号线穿过，地铁将工地分为东侧的北Ⅰ地块与西侧的北Ⅱ地块，基坑与地铁交汇区长达300m。基坑分布如图1所示。考虑深基坑对地铁隧道的影响，每个基坑分成主基坑(远离地铁侧)与副基坑(邻地铁侧)。主基坑先行施工，施工至0.00m开始进行邻地铁副基坑施工。邻地铁侧副基坑宽6～10m，开挖深度13.75m，采用4道支撑，第1道为混凝土支撑，第2～4道采用ue788609mm钢管撑，其中第3,4道支撑采用应力伺服系统。2应力系统及控制部分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，PLC控制系统，油压泵压力系统和钢支撑系统(见图2)，其中PLC控制系统为整个系统的控制枢纽，连接其他3大系统。PLC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PLC控制系统。当反馈数据低于设计轴力数据范围时，PLC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，PLC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，PLC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PLC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PLC系统驱使油压泵自动泄压、全自动控制。3钢管撑的吊装与安装邻地铁深基坑钢支撑轴力应力伺服系统应用的主要难点在于安装调试。主要包括:(1)钢支撑吊装难度大由于增加了应力伺服系统，钢支撑端头部分额外增加一个箱座，箱座内部装设油压千斤顶;由于基坑较窄，ue788609mm钢管撑与端头箱座必须在基坑外先安装成整体，配合机械一次吊装安装到位;而端头箱座较重，与钢管撑组合起来吊装不易找到重心位置，需不断尝试;吊装过程中由于支撑设置较密集，易发生碰撞，需高度重视。(2)轴力加压易偏移钢支撑轴力是通过油压泵千斤顶施加，由于围护地下连续墙不平整，安装过程中存在偏差，导致加压过程中千斤顶与钢支撑轴心不在一条直线上，发生偏移，严重可使钢支撑活络头断裂;故在加压开始前，必须在ue788609mm钢管撑端头与箱座间设置槽钢(H型钢或工字钢)，尽量减小钢支撑“顶偏”的可能。(3)初次调试难钢支撑轴力应力伺服系统由4部分组成，各自需要调试，同时相互连接后整体调试。调试需专业的系统控制人员与油压泵管理人员共同完成，时间较长。4原始数据分析邻地铁深基坑变形控制的一个难点在于作用于围护墙(桩)上支撑体系的轴力控制，支撑体系的轴力易损失，不能时刻保证在设计控制要求范围内，需不断重复监测、加压。以下为应用应力伺服系统轴力的数据分析。1)应力伺服系统PC实时显示数据应力伺服系统对钢支撑(如图3中103,106号支撑)加压是通过将液体原油输送到千斤顶中，驱动千斤顶伸缩，从油压泵至千斤顶用油管输送，本工程使用最长油管为100m。由于油管长度较长，原油受气温影响较大，1d内钢支撑轴力会随气温不断变化，本地昼夜温差约10℃，钢支撑轴力在原油热胀冷缩效应下，最大值与最少值最大差值在100kN以上，数据曲线如图3所示。2)原始人工应变计监测数据对于应力伺服系统自身的监测数据，原始人工应变计监测数据只是对其的补充，检验钢支撑轴力与钢支撑前端箱座内的千斤顶轴力间的差距(理论上应该不存在差距)，从而提高钢支撑施工水平。理论上，钢支撑与前端箱座内的千斤顶同心，轴线重合，相互作用，千斤顶的轴力与钢支撑的轴力应相同。而实际上，安装过程中，钢支撑与千斤顶轴线可能不重合，工作过程中存在偏心等，这些因素均可导致钢支撑轴力与千斤顶轴力存在差距。通过人工监测数据与千斤顶数据相比，确定现场施工造成轴力损失比例，一方面可以为提高施工质量做准备，另一方面可以为应力伺服系统设置轴力控制输出值提供一个标准，由于有损失，可以调节轴力控制输出值，从而使钢支撑轴力值更接近设计规定值，进而更好地控制基坑变形。图4为人工监测的钢支撑轴力曲线，上述共5根钢支撑监测点曲线，平均轴力在1400kN，与上述应力伺服系统的监测数据170t存在30t左右的差距，损失率达18%。5基坑开挖对变形的影响取邻地铁侧基坑变形最大位置点CX41,CX76数据。根据基坑开挖时间制作图5所示曲线。由图5可以看出，CX41,CX76数据曲线在大坑开挖过程中变化很小，小坑开挖过程中才开始出现倾斜。由于主坑开挖阶段，CX41,CX76所在的永久地下连续墙不在开挖范围，两侧土体基本保持平衡，故数据很小;副坑开挖阶段，地下连续墙开始出现倾斜，故曲线呈上升趋势，随开挖深度曲线不断攀升，最终变形分别在8,15mm。其中CX76所在点为北Ⅱ-3区，该基坑窄且长，设计支撑数量较大，不利于挖土机取土。根据实际工作需要，必须超挖才能保证小挖土机有工作空间，且取土与支撑施工较慢，故基坑变形较大，地下连续墙测斜数据最大值达15mm。鉴于此，对于形状不规则的超长超窄基坑，设计时需充分考虑现场施工要求，增大支撑间距，缩短开挖时间，从而确保基坑安全。6地铁隧道起落架同样，分别对地铁上、下行线取具代表性的SCJ45,SCJ47,XCJ24,XCJ334点进行数据分析(见图6)。1)基坑开挖，基坑内土体挖除，基坑周边土体产生主动土压力，而基坑内支撑体系形成，使地下连续墙达到平衡状态，周边土体主动土压力无法向基坑内释放，土体向地铁隧道施压，地铁隧道出现隆起;大底板形成后，支撑开始拆除，地下连续墙向基坑内偏移暂时性增大，主动土压力随之增大，地铁隧道隆起加大。2)2009年4月15日—7月15日北Ⅰ-1区进行基坑开挖，开挖造成上行线地铁隧道隆起;7月20日北Ⅰ-1区底板基本完成，开始进行支撑拆除及基础结构施工，支撑拆除后周边土体压力增大，地铁隧道隆起加剧，随着基础结构施工，周边土体压力慢慢减