鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)在地鐵深基坑中的應(yīng)用

為了確保地鐵運(yùn)營安全，市政地鐵公司對(duì)已建鐵路附近橋梁的設(shè)計(jì)變形提出了更高的要求，從3cm降至1.5cm。施工時(shí)間從半年改為三個(gè)月，施工難度逐漸增加。為確?；蛹暗罔F安全，基坑施工過程中必須運(yùn)用有效的控制變形工具、施工工藝及相關(guān)控制措施。本文介紹了鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)的施工應(yīng)用，并結(jié)合基坑、地鐵隧道變形數(shù)據(jù)的整理分析，總結(jié)應(yīng)力伺服系統(tǒng)的施工難點(diǎn)對(duì)策及基坑地鐵變形曲線趨勢，以期為鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)應(yīng)用提供現(xiàn)場依據(jù)，從而確保基坑施工與地鐵運(yùn)營安全。1地下地鐵主要基坑分布上海協(xié)和城世界廣場位于上海市靜安區(qū)002-E號(hào)街坊，東、西、北3面部分被20世紀(jì)20—40年代的2～3層磚木結(jié)構(gòu)房屋(優(yōu)秀歷史保護(hù)建筑)環(huán)繞;地下有已建成運(yùn)行的地鐵2號(hào)線穿過，地鐵將工地分為東側(cè)的北Ⅰ地塊與西側(cè)的北Ⅱ地塊，基坑與地鐵交匯區(qū)長達(dá)300m?；臃植既鐖D1所示?？紤]深基坑對(duì)地鐵隧道的影響，每個(gè)基坑分成主基坑(遠(yuǎn)離地鐵側(cè))與副基坑(鄰地鐵側(cè))。主基坑先行施工，施工至0.00m開始進(jìn)行鄰地鐵副基坑施工。鄰地鐵側(cè)副基坑寬6～10m，開挖深度13.75m，采用4道支撐，第1道為混凝土支撐，第2～4道采用ue788609mm鋼管撐，其中第3,4道支撐采用應(yīng)力伺服系統(tǒng)。2應(yīng)力系統(tǒng)及控制部分鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)主要分為4部分:PC人機(jī)交流系統(tǒng)，PLC控制系統(tǒng)，油壓泵壓力系統(tǒng)和鋼支撐系統(tǒng)(見圖2)，其中PLC控制系統(tǒng)為整個(gè)系統(tǒng)的控制樞紐，連接其他3大系統(tǒng)。PLC將數(shù)據(jù)反映至PC系統(tǒng)，顯示給監(jiān)測人員;控制油壓泵開啟或關(guān)閉，增壓保壓;接收鋼支撐端部千斤頂軸力數(shù)據(jù)，與設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。PC系統(tǒng)將設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)輸入，轉(zhuǎn)換成視覺可操作平面，油壓泵提供支撐軸力支持，支撐直接進(jìn)行壓力輸出(施予地下連續(xù)墻)，同時(shí)通過傳感器將實(shí)時(shí)軸力數(shù)據(jù)反饋給PLC控制系統(tǒng)。當(dāng)反饋數(shù)據(jù)低于設(shè)計(jì)軸力數(shù)據(jù)范圍時(shí)，PLC控制系統(tǒng)輸出信號(hào)驅(qū)動(dòng)油壓泵系統(tǒng)開啟工作，油壓泵不斷輸送給鋼支撐千斤頂壓力，待傳感器傳回?cái)?shù)據(jù)在一段時(shí)間(一般5～10min)穩(wěn)定在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)之上時(shí)，PLC系統(tǒng)輸出信號(hào)關(guān)閉油壓泵，油壓泵停止工作;當(dāng)反饋數(shù)據(jù)在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)范圍之內(nèi)時(shí)，一切正常，繼續(xù)運(yùn)行;當(dāng)反饋數(shù)據(jù)高于設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)范圍最大值，PLC系統(tǒng)發(fā)出報(bào)警，進(jìn)行降壓處理。應(yīng)力伺服系統(tǒng)主要原理如下。1)油泵工作壓力靠高壓比例減壓閥自動(dòng)調(diào)定，壓力傳感器檢測，組成閉環(huán)控制，保證千斤頂壓力的連續(xù)可調(diào)性及控制精度。2)鋼支撐軸力保持在設(shè)定壓力A下(此壓力可調(diào))，當(dāng)軸力下降至設(shè)定壓力B時(shí)能自動(dòng)啟動(dòng)油泵(或蓄能器)補(bǔ)壓至A值，當(dāng)軸力超過設(shè)定最大值C時(shí)，控制臺(tái)可自動(dòng)報(bào)警，由工作人員確認(rèn)是否進(jìn)行相關(guān)操作(保壓或減壓)。3)電氣系統(tǒng)由PLC控制器實(shí)施自動(dòng)控制。操作面板上裝有彩色觸摸屏，可顯示和設(shè)置工作壓力、超載報(bào)警和系統(tǒng)工作狀況。4)PC系統(tǒng)具有輸入/輸出/顯示/操作/修改/存儲(chǔ)/打印等功能。5)當(dāng)動(dòng)力電源斷電時(shí)，整個(gè)電控系統(tǒng)由后備的UPS不間斷電源供電，液壓動(dòng)力油源由手動(dòng)泵提供，確保系統(tǒng)安全。6)在千斤頂頂升過程中，隨時(shí)鎖緊機(jī)械自鎖裝置，保證在自控系統(tǒng)突然失效情況下支撐不失效。整個(gè)系統(tǒng)需要整體相互配合才能正常完成工作，由于相關(guān)技術(shù)限制，尚不能實(shí)現(xiàn)PLC系統(tǒng)驅(qū)使油壓泵自動(dòng)泄壓、全自動(dòng)控制。3鋼管撐的吊裝與安裝鄰地鐵深基坑鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)應(yīng)用的主要難點(diǎn)在于安裝調(diào)試。主要包括:(1)鋼支撐吊裝難度大由于增加了應(yīng)力伺服系統(tǒng)，鋼支撐端頭部分額外增加一個(gè)箱座，箱座內(nèi)部裝設(shè)油壓千斤頂;由于基坑較窄，ue788609mm鋼管撐與端頭箱座必須在基坑外先安裝成整體，配合機(jī)械一次吊裝安裝到位;而端頭箱座較重，與鋼管撐組合起來吊裝不易找到重心位置，需不斷嘗試;吊裝過程中由于支撐設(shè)置較密集，易發(fā)生碰撞，需高度重視。(2)軸力加壓易偏移鋼支撐軸力是通過油壓泵千斤頂施加，由于圍護(hù)地下連續(xù)墻不平整，安裝過程中存在偏差，導(dǎo)致加壓過程中千斤頂與鋼支撐軸心不在一條直線上，發(fā)生偏移，嚴(yán)重可使鋼支撐活絡(luò)頭斷裂;故在加壓開始前，必須在ue788609mm鋼管撐端頭與箱座間設(shè)置槽鋼(H型鋼或工字鋼)，盡量減小鋼支撐“頂偏”的可能。(3)初次調(diào)試難鋼支撐軸力應(yīng)力伺服系統(tǒng)由4部分組成，各自需要調(diào)試，同時(shí)相互連接后整體調(diào)試。調(diào)試需專業(yè)的系統(tǒng)控制人員與油壓泵管理人員共同完成，時(shí)間較長。4原始數(shù)據(jù)分析鄰地鐵深基坑變形控制的一個(gè)難點(diǎn)在于作用于圍護(hù)墻(樁)上支撐體系的軸力控制，支撐體系的軸力易損失，不能時(shí)刻保證在設(shè)計(jì)控制要求范圍內(nèi)，需不斷重復(fù)監(jiān)測、加壓。以下為應(yīng)用應(yīng)力伺服系統(tǒng)軸力的數(shù)據(jù)分析。1)應(yīng)力伺服系統(tǒng)PC實(shí)時(shí)顯示數(shù)據(jù)應(yīng)力伺服系統(tǒng)對(duì)鋼支撐(如圖3中103,106號(hào)支撐)加壓是通過將液體原油輸送到千斤頂中，驅(qū)動(dòng)千斤頂伸縮，從油壓泵至千斤頂用油管輸送，本工程使用最長油管為100m。由于油管長度較長，原油受氣溫影響較大，1d內(nèi)鋼支撐軸力會(huì)隨氣溫不斷變化，本地晝夜溫差約10℃，鋼支撐軸力在原油熱脹冷縮效應(yīng)下，最大值與最少值最大差值在100kN以上，數(shù)據(jù)曲線如圖3所示。2)原始人工應(yīng)變計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)對(duì)于應(yīng)力伺服系統(tǒng)自身的監(jiān)測數(shù)據(jù)，原始人工應(yīng)變計(jì)監(jiān)測數(shù)據(jù)只是對(duì)其的補(bǔ)充，檢驗(yàn)鋼支撐軸力與鋼支撐前端箱座內(nèi)的千斤頂軸力間的差距(理論上應(yīng)該不存在差距)，從而提高鋼支撐施工水平。理論上，鋼支撐與前端箱座內(nèi)的千斤頂同心，軸線重合，相互作用，千斤頂?shù)妮S力與鋼支撐的軸力應(yīng)相同。而實(shí)際上，安裝過程中，鋼支撐與千斤頂軸線可能不重合，工作過程中存在偏心等，這些因素均可導(dǎo)致鋼支撐軸力與千斤頂軸力存在差距。通過人工監(jiān)測數(shù)據(jù)與千斤頂數(shù)據(jù)相比，確定現(xiàn)場施工造成軸力損失比例，一方面可以為提高施工質(zhì)量做準(zhǔn)備，另一方面可以為應(yīng)力伺服系統(tǒng)設(shè)置軸力控制輸出值提供一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，由于有損失，可以調(diào)節(jié)軸力控制輸出值，從而使鋼支撐軸力值更接近設(shè)計(jì)規(guī)定值，進(jìn)而更好地控制基坑變形。圖4為人工監(jiān)測的鋼支撐軸力曲線，上述共5根鋼支撐監(jiān)測點(diǎn)曲線，平均軸力在1400kN，與上述應(yīng)力伺服系統(tǒng)的監(jiān)測數(shù)據(jù)170t存在30t左右的差距，損失率達(dá)18%。5基坑開挖對(duì)變形的影響取鄰地鐵側(cè)基坑變形最大位置點(diǎn)CX41,CX76數(shù)據(jù)。根據(jù)基坑開挖時(shí)間制作圖5所示曲線。由圖5可以看出，CX41,CX76數(shù)據(jù)曲線在大坑開挖過程中變化很小，小坑開挖過程中才開始出現(xiàn)傾斜。由于主坑開挖階段，CX41,CX76所在的永久地下連續(xù)墻不在開挖范圍，兩側(cè)土體基本保持平衡，故數(shù)據(jù)很小;副坑開挖階段，地下連續(xù)墻開始出現(xiàn)傾斜，故曲線呈上升趨勢，隨開挖深度曲線不斷攀升，最終變形分別在8,15mm。其中CX76所在點(diǎn)為北Ⅱ-3區(qū)，該基坑窄且長，設(shè)計(jì)支撐數(shù)量較大，不利于挖土機(jī)取土。根據(jù)實(shí)際工作需要，必須超挖才能保證小挖土機(jī)有工作空間，且取土與支撐施工較慢，故基坑變形較大，地下連續(xù)墻測斜數(shù)據(jù)最大值達(dá)15mm。鑒于此，對(duì)于形狀不規(guī)則的超長超窄基坑，設(shè)計(jì)時(shí)需充分考慮現(xiàn)場施工要求，增大支撐間距，縮短開挖時(shí)間，從而確?；影踩?地鐵隧道起落架同樣，分別對(duì)地鐵上、下行線取具代表性的SCJ45,SCJ47,XCJ24,XCJ334點(diǎn)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析(見圖6)。1)基坑開挖，基坑內(nèi)土體挖除，基坑周邊土體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力，而基坑內(nèi)支撐體系形成，使地下連續(xù)墻達(dá)到平衡狀態(tài)，周邊土體主動(dòng)土壓力無法向基坑內(nèi)釋放，土體向地鐵隧道施壓，地鐵隧道出現(xiàn)隆起;大底板形成后，支撐開始拆除，地下連續(xù)墻向基坑內(nèi)偏移暫時(shí)性增大，主動(dòng)土壓力隨之增大，地鐵隧道隆起加大。2)2009年4月15日—7月15日北Ⅰ-1區(qū)進(jìn)行基坑開挖，開挖造成上行線地鐵隧道隆起;7月20日北Ⅰ-1區(qū)底板基本完成，開始進(jìn)行支撐拆除及基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工，支撐拆除后周邊土體壓力增大，地鐵隧道隆起加劇，隨著基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)施工，周邊土體壓力慢慢減