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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，自动轴力补偿
2、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，是采用钢支座套箱端头替代活动端，
3、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、操作站、现场控制站、液压伺服泵站
4、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，控制精度高。3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由于自动轴力补偿系统设计采用了冗余设计，所以
5、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%以上，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等都采用了HMI人机界面智能控制技术，使简单，使用十分方
6、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
7、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
8、、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）建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）建筑钢结构焊结技术规
9、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3%），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
10、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6.1 工艺流程工艺流程见图2。图2 钢支撑自动轴力补偿系统施工工艺流程6.2
11、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
12、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技术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钢围檩、钢支座套箱加工、安装20人负责现场加工、安装4自
13、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钢围檩、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
14、用）套114液压站接线盒装置若干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液压油管若干19网线若干20电缆若干9 质量控制9.1 易出现的质量问题9.1.1 钢支撑、围檩加工质量不达标，影响系统使用。9.1.2 钢支撑拼装不平直，钢围檩背后回填不密实，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，不合格的必须退场。钢围檩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3cm，不平直（或存在
