轴力自动补偿控制的液压支撑设计及应用

轴力自动补偿控制的液压支撑设计及应用摘要随着市政地下交通的发展，对繁华地带基坑施工工程风险评估，在大型深基坑开挖工程中对地表沉降和基坑槽壁变形的要求也越来越高，因此，研发设计了能够实现轴力自动补偿和位移远程监测控制的液压支撑，实现基坑开挖过程中对基坑侧壁钢支撑支护轴力自动控制，并通过油缸行程变化对基坑侧壁变形进行监测和预警。目前，在上海轨道交通13号线武宁路地铁车站基坑开挖工程中液压支撑系统应用效果较好，有效减小了基坑施工工程风险性。关键词基坑液压支撑轴力控制1引言随着城市高层建筑和地下交通的发展，大型深基坑施工技术应用越来越广泛。基坑施工一般采用内支撑方式。由于在基坑开挖施工过程中，施工技术难度大，不确定因素较多，钢支撑在温度变化等环境条件的作用下很容易出现塑性变形，加上基坑后续施工和养护的影响，随着时间推移支撑轴力会出现明显的衰减，进而造成了基坑侧壁变形现象。当变形较大时，会造成邻近建筑物破坏或支撑脱落等重大事故。为了满足更高标准的安全施工要求，开发设计了自补偿控制液压支撑控制系统。根据需要，通过对支撑轴力进行自动补偿控制，使钢支撑始终处于合理受力作用范围内，从而可以减小施工风险，增强施工安全性。2液压支撑概述轴力自动补偿的液压支撑是一套通过远程操作界面进行监控，并由现场控制器和液压动力站驱动加载装置对基坑侧壁施加稳定作用力的设备。2.1液压支撑的主要作用1）通过液压动力站控制液压支撑加载装置，向钢支撑提供可靠稳定的轴力作用，在轴力超出或未达设定范围时自行进行补偿控制；2）通过远程监控平台监测液压支撑施工数据及状态，对基坑支护施工状况进行预警。2.2液压支撑的构成液压支撑主要包括液压动力站、远程监控台、手动应急操作箱、通讯电缆、液压支撑加载装置等。1）一套液压动力站可同时控制8个现场油缸，实现对8个钢支撑轴向力的补偿控制。2）在远程监控台可以实时监测各支路的压力值，当检测到的实时压力值超出设定范围时，现场液压动力站对泵站和阀组进行逻辑控制，实现对加载装置的自动补压或降压操作，从而维持液压支撑的稳定。3）液压支撑加载装置内装有行程传感器，用于监测基坑钢支撑轴向位移变化，当位移量超出预设的报警值时，远程监控台出现报警，提示施工方采取应急措施。4）手动应急操作箱是在当远程监控台出现短期无法排除的严重故障时使用，通过其使现场液压动力站进行正常操作，保证液压支撑始终处于可控状态。3液压控制系统3.1液压控制系统的组成液压支撑的液压控制系统主要由电机、液压泵、比例溢流阀、电磁换向阀、压力传感器、油缸行程传感器和压力表等组成。3.2控制原理图1为液压系统控制原理图。图1液压系统控制原理图1）采用径向柱塞泵和浸油式电机组成紧凑型液压泵站，有效减小了设备占地空间，在空间狭小的现场施工环境中有很好的适用性。液压泵最高输出压力可达到40MPa，输出流量为2.39L/min。2）在主油路上设置比例溢流阀，通过电子放大器提供比例电磁铁的驱动电流，调整溢流阀的工作压力，实现对油缸加载压力的实时控制。3）电磁换向球阀采用了锥形无泄漏密封结构，密封性好，有效保证现场油缸的良好保压性能。4）集成式油箱内的液位计上装有液位继电器，可以实现低液位报警和超低液位停机控制。5）液压泵站和液压缸油口连接端均采用快换接头连接方式，便于现场进行快速拆装和维修作业，可以满足更长距离的使用需求。3.3控制过程1）当压力传感器检测到的实时压力值处于设定压力范围内时，电机不启动，比例溢流阀和电磁换向阀不动作；2）当实时压力值小于设定压力下限时，系统自动控制相应的液压站电机启动，比例溢流阀对应目标值电流进行加载，同时电磁换向阀左位电磁铁得电，此时油缸后腔压力逐渐增大，直至目标设定压力后，电磁换向阀阀芯位置在弹簧作用力下回至中位，比例溢流阀和电机停止工作；3）当实时压力值大于设定压力上限时，系统自动控制相应液压站电机启动，比例溢流阀加载，同时电磁换向阀右位电磁铁得电，此时油缸后腔压力逐步减小直至目标设定压力后，电磁换向阀回至中位，比例溢流阀和电机停止工作。4电气控制系统4.1硬件结构如图2所示，整个控制系统硬件包括PLVC控制器、中央控制站、手动应急操作箱和底层电器元件等。PLVC控制器用于检测液压泵站系统压力、油缸后腔压力、油箱液位及油缸行程等参数；通过CAN总线与中央控制站的工控机进行通讯，并在工控机中进行数据存储和显示。同时，PLVC控制器也可以接收来自工控机或者手动控制工具箱的命令，实现对泵站和油缸的自动操作和控制。图2液压支撑系统硬件结构图4.2软件设计远程监控计算机采用VB底层编程语言开发具有强大监控与操作能力的液压支撑监控程序，配置控制系统组态软件用于完成人机界面接口连接，并按支撑安装拆卸、自动控制补卸压、自动监测保压等几个不同运行状态段来记录、显示、处理和存储液压支撑运行时的所有监控参数。按照功能设计特点和操作方便等要求，液压支撑监控界面的主要功能如下：1）实时状态监控。通过与底层控制单元进行通讯，完成对现场数据的采集，并在主界面中通过数值显示和图表曲线2种方式，将油缸加载压力、油缸设定压力、油缸位移等信息进行实时动态显示，使现场操作人员及时了解和掌握液压支撑的工作状态。2）实时控制操作。所有油缸和泵站都具有选择功能，选择需要控制的油缸或泵站后，可以完成相关控制操作，包括压力上限补压设置、压力下限补压设置、压力上限报警设置、压力下限报警设置、油缸位移上限报警设置、油缸位移下限报警设置、油缸伸缩控制、压力自动控制启闭控制等。3）故障报警监测。现场系统故障和报警信息主要包括参数超限报警、状态变化报警、设备故障报警几种，现场以报警声音和灯光闪烁方式进行提示。4）数据存储和查询。在系统中建立完善的数据库系统，用于监控数据和状态信息的存储和查询。操作人员可选取某一日期内的历史数据进行查询或监测，压力及位移变化趋势通过曲线图形式进行显示。5工程应用在上海轨道交通13号线8标武宁路站基坑开挖工程中，成功应用了液压支撑。5.1液压支撑的安装1）在靠近基坑附近的地面上，根据支撑分布情况合理布置液压动力站的位置，并尽可能接近钢支撑点，以缩短液压站与油缸之间连接管道长度，减小管路压力损失。2）加载装置安装如下：⑴将液压油缸放置在油缸托架内固定，形成加载装置；⑵将加载装置与标准钢支撑通过M24高强度螺栓进行连接，起吊放置在钢支撑支脚上。⑶活络头加载装置采用短行程千斤顶进行加载，并在加载结束后由钢楔对活动端进行锁定。⑷为防止液压支撑加载过程对基坑侧壁产生破坏，通常在侧壁内预埋不小于30mm厚的钢板作为支撑加载作用面，预埋钢板面积不小于液压支撑加载面积。图3为液压支撑安装示意图。图3液压支撑安装示意图3）现场布管。在油缸上安装快换管接头，将清洗过的油管按照预先编号连接到油缸上，在安装过程中，管路中不允许存在杂质和金属铁屑，连接管路应尽可能的短，避免弯曲以防止加载时压力损失过大。5.2液压支撑加载在液压支撑系统安装到位后，进行调试之前的线路检查工作，确保管路和电器线路按照对应编号正确连接，泵站油箱内油液满足使用液位及清洁度要求，所有电磁阀处于原始状态，所有检查准备工作结束后，方可进行液压支撑加载控制操作。1）油缸排气步骤如下：⑴利用手动控制方式启动泵站，使得油缸活塞杆伸出，在伸到最大行程后，再将活塞杆回退至行程最小端，如此反复几次。在油缸来回伸缩运动过程中，可以将高压软管以及油缸内的空气排出，以保证液压油缸的保压可靠性。⑵在活塞杆最小和最大位移处进行油缸保压测试，确保阀组、油管及接头处无泄漏现象存在。2）活络头预加载。利用活络头加载装置对钢支撑进行预应力加载，预加应力一般在100kN左右，使液压支撑油缸活塞杆在未伸出状态下能与基坑侧壁预埋钢板可靠接触，并采用钢楔将活络头的活动端锁定。在液压支撑加载失效或长时间处于维修状态时，可以采用活络头加载装置对钢支撑进行加载，使基坑侧壁仍处于稳定轴力作用下，保证基坑开挖工程的连续施工作业。3）手动加载。在控制界面设置加载压力时，采用手动应急操作箱进行手动加载。按3档预应力（30%、60%、100%）逐级增压方式进行加载。当实际压力达到目标压力95%以上时停止加载，有效防止对基坑侧壁产生较大的冲击作用，以维持基坑侧壁的稳定性。手动加载结束后，直接切换至远程自动加载方式。5.3应用效果上海轨道交通13号线武宁路站基坑开挖工程处于市区繁华地带，并且紧靠生活区和高层建筑，对地表沉降及位移有着严格的控制要求。在东区基坑第七道钢支撑支护中规划使用的15根钢支撑，每一根钢支撑都安装液压支撑加载装置，并由2个动力站提供加载轴力，设计钢支撑加载轴力为1500kN，液压支撑预设自补偿轴力控制区间为1500kN±100kN。图4为液压支撑加载装置现场布置图。图4液压支撑加载装置现场布置图在第七道钢支撑安装结束后，基坑继续进行开挖，地下连续墙变形开始累计增大，由监测数据显示，变形速率较大的主要集中在钢支撑安装结束后基坑开始开挖后的一段时间内，随着时间推移地下连续墙体累计变形逐渐增大，最大变形速率为-0.7mm/d，在基坑开挖后10d左右，地下连续墙基本趋于稳定状态，变形速率明显减小。从第七标准段第一道支撑安装开始至全部拆卸结束共计25d，在此施工时间内，钢支撑轴力稳定在1500kN±100kN范围内，最大累计变形量为-11.4mm，最小累计变形量为-5.5mm，完全满足地下连续墙累计变形量小于±20mm（向外为正，向内为负）的设计要求。图5为液压支撑的设定压力、油缸压力和油缸位移曲线。图5液压支撑的设定压力、油缸压力和油缸位移曲线6结语轴力自动补偿控制的液压支撑控制系统集比例液压控制技术、PLC自动化控制技术及传感器技术为一体，在使用过程中，整个系统操作界面直观，自动化运行程度高，不仅可以实现钢支撑轴力的自动补偿控制，而且可以对基坑围护结构变形进行监测预警，增强了基坑支撑施工的安全性和可靠性。整套设备故障率较低、维修方便、经济性好，适合在深基坑开挖工程的钢支撑支护施工中推广应用。