新型钢支撑轴力伺服系统在邻地铁深基坑中的应用

金 勇 张友杰 颜峻生 郭志鑫 周 想 曹 鹏 钦伟轩

中国建筑第八工程局有限公司总承包公司 上海 201204

随着城市的快速发展，深大基坑开挖项目日益增多，其中不乏邻近地铁或重要建（构）筑物，对基坑本身的围护变形及周边环境变形都有很高的要求。常规采用的钢支撑轴力补偿系统，在使用过程中不可避免地会出现漏油、应力松弛、现场断电等带来的轴力损失，需有专业人员每日到工地巡视查看钢支撑轴力变形情况，耗时又费力。新型轴力补偿系统无需液压泵站与之有线连接，可实时监测及自动控制，并能进行远程数据查询及监控，实现报表自动生成及打印，应用起来更为便捷，给现场钢支撑施工带来极大的便利[1-4]。

1 工程概况

本项目位于上海市青浦区诸光路与崧泽大道交叉口，基坑安全等级为一级；环境保护等级邻地铁侧为一级，其余侧为二级。本工程邻地铁侧基坑支护采用1道混凝土支撑及4道钢支撑，全部采用应力伺服系统。A2-2、A3、A4区第2～3道预加轴力400 kN，第4～5道预加轴力1 500 kN，A1-1区第2～3道预加轴力1 200 kN，第4～5道预加轴力2 000 kN。钢支撑材质为Q235。

本项目基坑距离地铁17号线诸光路站仅有24 m，该站台为全玻璃顶棚，对基坑变形要求极高，邻地铁侧测斜报警设计值仅为25 mm，给深基坑施工带来巨大的挑战。

2 传统应力伺服系统不足

传统钢支撑轴力伺服系统主要分为三大部分：总控制柜、液压泵站、补偿节。总控制柜位于监控室内，液压泵站放置在基坑边，补偿节与钢支撑连接安装于设计指定位置。总控制柜与液压泵站通过无线通信方式进行数据传输，液压泵站与各个补偿节通过有线方式连接，补偿节内置的千斤顶与液压泵站内置的油缸用油管连接。

对于邻地铁深基坑，一般至少布置3道以上钢支撑，每道有数十根，由于每个液压泵站可控制8个补偿节，因此一般需布置10个以上的液压泵站。对于场地狭小、用地红线离基坑边很近的项目，基坑边无过多的场地可以布置液压泵站，不仅泵站布置起来较为困难，且影响施工人员通行。泵站与补偿节用有线方式连接，线管繁多，铺设在基坑边显得极为凌乱，一旦有损坏则维修极为困难。此外，在钢支撑使用过程中，还会出现油管漏油、油压不足、断电等导致的伺服系统无法正常运作、应力不足的危害，严重影响深基坑施工的安全，给项目造成极大的损失。

3 新型钢支撑伺服系统介绍

3.1 智能伺服系统组成

1）现场总控制柜（图1）：现场总控制柜采用全天候户外设计，且能实时监测及自动/手动控制，可满足工程要求。

图1 总控制柜

2）智能伺服系统（图2）：智能伺服系统采用双自锁全快速接头式设计。伺服系统的最大设计加载力为3 500 kN，有效伸缩行程为200 mm。

图2 智能伺服系统

3）无线智能监控主机（图3）：无线智能监控主机采用自供电+外部电源，可现场操控及设置钢支撑轴力，单台最大监控数量可达500根，实现无线数据远传及双向控制，操作便捷。

图3 无线智能监控主机

3.2 主要性能参数

智能伺服系统最大轴力3 500 kN，伺服位移200 mm，有效通信距离可达500 m，内置电池可持续工作时间6个月以上，具体见表1。

表1 智能伺服系统主要性能参数

3.3 系统主要特点及功能

1）智能伺服系统主要特点如下：一体化全集成设计；现场无线无管无电源；支撑数量灵活无限制；远程电脑手机实时监控；液压机械双自锁；支撑轴力位移双监控；风险预警及报警推送；施工便捷，全防水设计；全方位应急保障体系。

2）智能伺服系统主要功能如下：钢支撑轴力及位移的实时自动监测与控制；支撑轴力及位移历时及实时动态曲线展示；支撑轴力及位移实时监测数据查询及导出；钢支撑轴力及位移实时报表自动生成及打印；轴力及位移超限风险预警及短信报警推送；远程数据查询及监控。

4 钢支撑施工

4.1 钢支撑拼接

按基坑设计及支撑实测长度并根据钢管支撑的构件模数，在地面钢支撑拼装场地进行钢支撑拼接，整根钢支撑主要由固定端+若干标准钢管节+智能伺服系统三部分拼接而成。

1）对钢支撑对应安装基坑开挖实际长度进行测量。

2）根据所需钢支撑拼接长度，从钢支撑堆放场地进行钢支撑关节选型。

3）在吊车的配合下，从钢支撑固定端开始，通过法兰螺栓连接逐段拼接钢支撑。

4）拼接支撑智能伺服系统，拼接前应对智能伺服系统相关数据进行检查，确保智能伺服系统处于完全缩回的初始状态并打开电源开关。

5）对拼装好的钢支撑进行长度复测，进行螺栓及相关检查。

4.2 钢支撑安装方法

4.2.1 施工流程

钢支撑地面拼装→钢支撑吊放到位→智能伺服系统搜索添加→钢支撑分级施加预应力→止退机构随动自锁→开启轴力自补偿模式（图4）

图4 支撑安装拼接示意

4.2.2 具体流程

1）当坑内土方向下分层分区开挖至钢支撑设计底标高时，测量确定支撑中心标高，然后焊接钢支撑牛腿托架。

2）将地面拼接好的支撑吊放至设计位置。通过智能伺服系统筒身上预留的电源开关连接无线进行自动加压。

3）当支撑需要安装施加预应力时，通过事先放置在地面的现场控制柜对智能伺服系统按照设计值进行有权限的加载。

4）当支撑轴力或位移达到设计值后，停止智能伺服系统加载，机械、液压锁自锁，确认钢支撑轴力处于设计值允许范围内。

5）在智能伺服系统伸出的同时，止退机构随动自锁。

6）设定好支撑轴力的上下限值，开启“轴力自动监测及补偿模式”，即完成钢支撑加载操作。

7）检查各节点情况并组织验收，通过后交下道工序挖土。

4.2.3 智能伺服系统预应力的施加

1）地下连续墙达到设计强度80%后，方可施加预应力。

2）预应力施加流程为：施加应力按500 kN为一级分级施加。先施加500 kN轴力，再检查拧紧螺帽，每级停顿3～5 min（应力损失），直至设计值。

4.2.4 智能伺服系统轴力的过程调节

智能伺服系统具备支撑轴力实时监控、报警和自动补偿功能，系统可根据事先设定好的每根钢支撑的轴力设定值及上、下限值，进行相应的轴力动态调整。当支撑的实测轴力低于设定的下限时，系统会自动启动，将目标支撑的轴力加载到设定值，反之亦然。系统也可根据现场具体实际要求，进行轴力的手动增大或减小操作（图5）。

图5 智能伺服系统实时监控页面示意

4.2.5 智能伺服系统数据范围及精度

1）智能伺服系统支撑设定轴力的范围为0 ～3 500 kN，根据现场实际需求，钢支撑轴力可在授有权限的前提下任意设定。

2）轴力下限值也可根据具体工程实际需求，在设定轴力值以下任意设定。

3）智能伺服系统轴力可监测及控制的精度（误差）为1 kN，伺服系统位移的监测和控制精度（误差）为0.1 mm。

4）智能伺服系统采用全自动轴力及位移实时监测，数据采集最高频率为1 s/次（采集频率可调整）。

5 数据分析

根据自动报表，钢支撑轴力与位移数据极为稳定，不会出现应力损失等情况，在土方开挖过程中，测斜日变形量极小，累计变形量未超过设计报警值，为深基坑施工安全带来重要保障。

6 结语

通过智能伺服支撑系统，避免了传统伺服系统占地大、受基坑工程施工影响大、易漏油、应力不稳定等缺陷，实现了现场远程电脑/手机实时监控，使工程施工始终处于可控和可知的状态，确保了深基坑工程的施工安全，对保护邻近地铁具有重要意义，可供类似工程参考。