5、地鐵車站鋼支撐軸力自動補償施工工藝工法

1、地鐵車站鋼支撐軸力自動補償施工工藝工法(QB/ZTYJGYGF-DT-0307-2014)廣州分公司王小孟1前言工藝工法概況鋼支撐自動軸力補償系統(tǒng)，是結(jié)合了現(xiàn)代機電液壓一體化自動控制技術(shù)、計算機信息處理技術(shù)、總線通信技術(shù)以及可視化監(jiān)控技術(shù)等高新技術(shù)手段，對支撐軸力進行全天候不間斷監(jiān)測，并根據(jù)高精度傳感器所測參數(shù)值對支撐軸力進行適時的自動補償來達到控制基坑變形目的支撐系統(tǒng)。鋼支撐自動軸力補償系統(tǒng)將傳統(tǒng)支撐技術(shù)與現(xiàn)代高科技控制技術(shù)等有機結(jié)合起來，對鋼支撐軸力實時補償與監(jiān)控，實現(xiàn)對鋼支撐軸力24小時不間斷的監(jiān)測和控制，使支撐系統(tǒng)始終處于可控和可知的狀態(tài)。與傳統(tǒng)鋼支撐體系相比，自動軸力補償系統(tǒng)能明顯降

2、低基坑圍護結(jié)構(gòu)的最大變化速率，控制基坑的變形，減小對鄰近運營線路、建筑等周邊環(huán)境的影響，有效解決常規(guī)施工方法無法控制的苛刻變形要求和技術(shù)難題。目前在上海地區(qū)鄰近地鐵運營線的基坑應(yīng)用較多，在深圳地鐵11號線前海灣站首次應(yīng)用。1.1 工藝原理鋼支撐是基坑內(nèi)支撐體系的一種常用型式。每根鋼支撐有多個標(biāo)準(zhǔn)節(jié)鋼管拼接而成，通過法蘭盤進行連接。鋼支撐兩端為固定端、活動端端頭，活動端通過活絡(luò)頭調(diào)節(jié)長度。常規(guī)做法是通過活動端的活絡(luò)頭用千斤頂對鋼支撐按照設(shè)計要求預(yù)施加一定軸力，并安裝軸力計監(jiān)控鋼支撐的軸力，以便掌握基坑結(jié)構(gòu)變形引起的應(yīng)力變化情況。鋼支撐自動軸力補償系統(tǒng)，是采用鋼支座套箱端頭替代活動端，鋼支座套箱端

3、頭內(nèi)安裝千斤頂（設(shè)計軸力決定其噸位），通過液壓轉(zhuǎn)換為支撐軸力，與基坑外側(cè)土壓力保持平衡，從而使基坑處于安全的狀態(tài)。地面通過監(jiān)控站、操作站、現(xiàn)場控制站、液壓伺服泵站等成套系統(tǒng)即時控制鋼支撐端部千斤頂壓力，通過持續(xù)“保壓”，使鋼支撐恒定軸力，起到自動控制、監(jiān)測鋼支撐軸力作用。1.2.1系統(tǒng)組成系統(tǒng)設(shè)計采用了“樹狀即插分布式模塊，結(jié)構(gòu)、多重安保體系”的總體工藝技術(shù)路線，將機電液壓自動控制技術(shù)、PLC電氣自動控制技術(shù)、總線通信技術(shù)以及現(xiàn)代HMI人機界面智能技術(shù)和計算機數(shù)據(jù)處理技術(shù)等多項現(xiàn)代高科技技術(shù)有機集成起來，自動軸力補償系統(tǒng)主要有以下部件組成：監(jiān)控站、操作站、現(xiàn)場控制站、液壓伺服泵站系統(tǒng)、總線系統(tǒng)

4、、配電系統(tǒng)、通信系統(tǒng)、移動診斷系統(tǒng)、組合增壓千斤頂、液壓站接線盒裝置等組成1自動軸力補償系統(tǒng)總體工藝設(shè)計采用樹狀結(jié)構(gòu)，更貼近、更適合地鐵邊長條形基坑的結(jié)構(gòu)特點，便于現(xiàn)場布置和使用。2自動軸力補償系統(tǒng)總體工藝設(shè)計采用模塊結(jié)構(gòu)，便于現(xiàn)場維護和使用，控制精度高。3自動軸力補償系統(tǒng)總體工藝設(shè)計采用即插分布式結(jié)構(gòu)，也便于現(xiàn)場維護和使用，也更適合基坑邊設(shè)備的布設(shè)和移動。4自動軸力補償系統(tǒng)總體工藝設(shè)計采用了多重安保體系，大大提高了系統(tǒng)運行的可靠性、安全性，確保深基坑開挖施工所引起的基坑變形控制效果，從而確保鄰近地鐵運營線、周邊建（構(gòu)）筑物的安全。5由于自動軸力補償系統(tǒng)設(shè)計采用了冗余設(shè)計，所以系統(tǒng)的工作能力強

5、，適應(yīng)能力強，可以應(yīng)用在各種軸力范圍、各種深度大小和各種支撐數(shù)雖并要求鋼支撐軸力需要實時補償?shù)纳罨庸こ讨小?自動軸力補償系統(tǒng)對鋼支撐軸力實時補償?shù)哪芰姟⒕雀?、速度快，響?yīng)精度達95姒上，響應(yīng)時間縮短至2秒。7系統(tǒng)設(shè)計并配置了基于移動診斷技術(shù)的多功能移動診斷控制箱，在中央監(jiān)控系統(tǒng)（監(jiān)控站）或操作站或現(xiàn)場控制站等模塊通信失效的情況下能實現(xiàn)故障單元的軸力自動補償和故障診斷；在控制模塊硬件故障情況下能實現(xiàn)故障單元的軸力手動補償，提高了系統(tǒng)的應(yīng)急處理能力，從而大大增加了系統(tǒng)的安全性和可靠性。8現(xiàn)場控制站、多功能移動診斷控制箱等都采用了HMI人機界面智能控制技術(shù)，使簡單，使用十分方便。9自動軸力補償

6、系統(tǒng)采用CAN總線來實現(xiàn)數(shù)據(jù)采集和控制指令發(fā)送，站與站之間采用方便的接插件技術(shù)并賦以新型可靠的穩(wěn)定技術(shù)，包括如高性能的總線拓樸結(jié)構(gòu)技術(shù)；方便實用的現(xiàn)場接線技術(shù)；高可靠性的觸點連接技術(shù)；總線傳輸波特率的計算并優(yōu)化技術(shù)；完善的診斷和錯誤恢復(fù)技術(shù)；終端電阻的靈活接入或關(guān)閉技術(shù)；總線成員自由增減技術(shù)，從而確保數(shù)據(jù)傳輸可靠、安全，同時滿足了工地現(xiàn)場的方便使用。10自動軸力補償系統(tǒng)采用獨特的鋼支撐軸力支頂結(jié)構(gòu)設(shè)計，千斤頂設(shè)計采用體積小重雖輕便于現(xiàn)場安裝的增壓結(jié)構(gòu)，設(shè)計了自動調(diào)平機構(gòu)，具有自動調(diào)平功能，頭部系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上還獨特設(shè)計了機械鎖+液壓鎖的雙重安全裝置，確保安全。主要技術(shù)參數(shù)主要技術(shù)參數(shù)見表1。表1自動

7、軸力補償系統(tǒng)主要技術(shù)參數(shù)序號項目單位參數(shù)1供電電壓V380、220、242響應(yīng)精度%953響應(yīng)速度S24系統(tǒng)工作壓力Mpa285最大工作壓力Mpa356千斤頂最大推力（個）t3007伺服泵站系統(tǒng)流雖（個）L/min2.348伺服泵站系統(tǒng)電動機功率（個）KW1.5圖1鋼支撐自動軸力補償系統(tǒng)三維示意圖2工藝工法特點2.1取代了傳統(tǒng)鋼支撐人工預(yù)加軸力，實現(xiàn)了自動化“保壓、加壓”，并做到“可視、可控、可調(diào)”。2.2加強了深基坑鋼支撐施工過程中控制和管理，對施工過程中的軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)等進行動態(tài)監(jiān)管，有效控制了施工風(fēng)險。2.3將動態(tài)信息與移動設(shè)備綁定，實現(xiàn)遠(yuǎn)程終端控制、離場操作，實現(xiàn)信息化管理。2.4通過監(jiān)

8、測數(shù)據(jù)分析不同地層基坑變形規(guī)律，驗證設(shè)計理論計算變形值，可預(yù)先設(shè)置軸力值大小主動控制基坑變形，實現(xiàn)施工指導(dǎo)設(shè)計。3適用范圍適用于各類軟弱復(fù)雜地質(zhì)條件下的深基坑圍護結(jié)構(gòu)鋼支撐體系，尤其是鄰近運營線或重要建(構(gòu))筑物的深基坑。4主要引用標(biāo)準(zhǔn)地鐵設(shè)計規(guī)范(GB50157-2013)建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程(JGJ120-2012)地下鐵道工程施工及驗收規(guī)范(GB50299-1999)(2003版)建筑樁基技術(shù)規(guī)范(JGJ94-2008)建筑工程施工現(xiàn)場供用電安全規(guī)范(GB50194-2014)建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2011)建筑鋼結(jié)構(gòu)焊結(jié)技術(shù)規(guī)程(JGJ81-2002)5施工方法鋼支撐自

9、動軸力補償系統(tǒng)施工與鋼支撐架設(shè)密不可分，自動軸力補償系統(tǒng)需提前3個月加工、組裝，提前15d現(xiàn)場布置設(shè)備和線路供電系統(tǒng)。根據(jù)基坑形狀及開挖方案，將自動軸力補償系統(tǒng)的現(xiàn)場控制站及泵站沿基坑邊緣一字排開。現(xiàn)場控制站及泵站的布置位置堅持線路最短原則，即現(xiàn)場控制站與泵站間的線路最短、泵站與千斤頂間的油管最短，并完成設(shè)備安裝、單系統(tǒng)、總系統(tǒng)程序調(diào)試。鋼支座套箱端頭與鋼支撐預(yù)先拼裝，根據(jù)基坑開挖進度，架設(shè)鋼支撐，并安裝千斤頂，在監(jiān)控站（或操作站）上按照設(shè)計軸力設(shè)定系統(tǒng)壓力控制值（精度控制偏差土3%,完成設(shè)計預(yù)加軸力的逐級施加。同時，采集各種監(jiān)測數(shù)據(jù)初始值，進行同步監(jiān)測。自動軸力補償系統(tǒng)開始運作，形成持續(xù)“保

10、壓”狀態(tài)，開始自動控制、監(jiān)測鋼支撐軸力。在基坑開挖的前3050m長度范圍，豎向每道支撐選取1015根的鋼支撐軸力監(jiān)測數(shù)據(jù)，通過對施工監(jiān)測、自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)分析變形規(guī)律，與設(shè)計理論計算變形值進行對比，以便調(diào)整鋼支撐預(yù)加軸力，達到施工指導(dǎo)設(shè)計目的，動態(tài)指導(dǎo)現(xiàn)場施工，更好的控制變形。現(xiàn)場監(jiān)測期間，如基坑或鄰近運營線或重要建（構(gòu)）筑物變形突然增大時，現(xiàn)場值班人員在監(jiān)控站（或操作站）快速調(diào)大鋼支撐設(shè)計控制軸力，實現(xiàn)“增壓”增大支撐軸力，達到即時有效控制變形。6.工藝流程及操作要點6.1工藝流程工藝流程見圖2。圖2鋼支撐自動軸力補償系統(tǒng)施工工藝流程操作要點6.2.1系統(tǒng)現(xiàn)場布置合理，線路最短控制根據(jù)現(xiàn)場基坑

11、形狀、區(qū)段劃分、開挖順序及現(xiàn)場環(huán)境等綜合因素，根據(jù)鋼支撐設(shè)計軸力，進行鋼支撐軸力自動補償系統(tǒng)的負(fù)荷設(shè)計、合理性設(shè)計。現(xiàn)場布置設(shè)備、供電系統(tǒng)線路及網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)線路，現(xiàn)場控制站及泵站沿基坑邊緣一字排開?，F(xiàn)場布置控制站及泵站位置堅持線路最短原則，即現(xiàn)場控制站與泵站間的線路最短、泵站與千斤頂間的油管最短。6.2.2鋼支撐及千斤頂安裝鋼支撐與鋼支座套箱提前在地面進行拼裝，隨基坑開挖及時架設(shè)，將千斤頂?shù)跹b至鋼支座套箱內(nèi)，就位居中，與泵站的液壓油管連接，按設(shè)計施加預(yù)加軸力。實時監(jiān)控監(jiān)控站安排專人進行全天值班，監(jiān)控系統(tǒng)24小時開機，對鋼支撐軸力進行實時監(jiān)控并整理日報。必要時根據(jù)基坑施工監(jiān)測、鄰近運營線或重要建構(gòu)筑

12、物的自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)重新調(diào)整鋼支撐軸力，達到快速控制變形目的。6.2.3 設(shè)備校核及標(biāo)定根據(jù)基坑開挖及鋼支撐倒用周期，千斤頂標(biāo)定不超過6個月一次；液壓伺服泵站、現(xiàn)場控制站、操作站按每移動一次進行一次調(diào)試，監(jiān)控站按3個月檢查一次；加強日常巡檢，對網(wǎng)絡(luò)線路、用電線路、液壓油管等破損及時更換，確保系統(tǒng)運行期間完好。7勞動力組織勞動力組織見表2。表2勞動力組織表序號工種人數(shù)備注1技術(shù)3人負(fù)責(zé)現(xiàn)場施工組織、技術(shù)2鋼支撐拼裝、15負(fù)國場拼裝架拆，配合系統(tǒng)安架拆人裝、拆除3鋼圍楝、鋼支座套箱加工、安裝20人負(fù)責(zé)現(xiàn)場加工、安裝4自動軸力補償6人負(fù)國場系統(tǒng)組裝、調(diào)試，實時軸力監(jiān)控，日常維護保養(yǎng)、部件更換5普工10

13、人配合日常系統(tǒng)設(shè)備移動6監(jiān)測人員8人現(xiàn)場施工監(jiān)測，與自動軸力補償配合8主要機具設(shè)備主要機具設(shè)備見表3表3主要機具設(shè)備配置表序號作業(yè)名稱機具設(shè)備型號規(guī)格型號單位數(shù)H1安裝鋼支撐PC120挖掘機臺12膨脹螺栓打眼電鉆把23鋼圍楝、鋼支座套箱加工電焊機BS-300臺64切割機JG-400臺65配電箱自制個26汽車吊25t輛17場內(nèi)運輸自卸吊10t輛18鋼支撐自動軸力補償系統(tǒng)（1套）監(jiān)控站、操作站套19監(jiān)控站、操作站（備用）套110現(xiàn)場監(jiān)控站套411現(xiàn)場監(jiān)控站（備用）套112液壓伺服泵站套1213液壓伺服泵站（備用）套114液壓站接線盒裝置15組合增壓千斤頂300t個7216組合增壓千斤頂（備用）30

14、0t個317鋼支座套箱個7218液壓油管19網(wǎng)線20電纜9質(zhì)雖控制易出現(xiàn)的質(zhì)H問題9.1.1鋼支撐、圍楝加工質(zhì)雖不達標(biāo)，影響系統(tǒng)使用。9.1.2鋼支撐拼裝不平直，鋼圍楝背后回填不密實，影響自動軸力補償系統(tǒng)保壓。9.1.3車站蓋挖逆作工況下，鋼支撐安裝和自動軸力補償系統(tǒng)千斤頂安拆存在難度，需要機械配合。現(xiàn)場施工監(jiān)測主要靠人工雖測、整理數(shù)據(jù)，需要一定時間；而自動軸力補償系統(tǒng)快速調(diào)取鋼支撐“即時軸力值”。施工監(jiān)測與自動軸力補償系統(tǒng)監(jiān)測的鋼支撐軸力難以同步，不易實現(xiàn)“實時”控制基坑及鄰近運營線或重要建（構(gòu)）筑物的變形。9.1 保證措施9.2.1鋼支撐拼裝不平直，誤差較大：加強鋼支撐加工質(zhì)雖控制，進場驗

15、收必須嚴(yán)格，進行焊接探傷、壁厚等指標(biāo)檢驗檢測，不合格的必須退場。鋼圍楝連接部位焊接不牢固，特別是陰陽角部位焊接質(zhì)雖不達標(biāo)現(xiàn)象較多，加強現(xiàn)場管制作、安裝、焊接過程管理和檢查驗收。9.2.2鋼支撐提前試拼檢查，連接時必須對稱上高強螺栓，按順序緊固，拼裝成型的支撐是否平直，檢查軸線偏差v3cm,不平直（或存在變形）的要禁止使用。現(xiàn)場安裝時，兩端安裝標(biāo)高V3cmi加強現(xiàn)場控制鋼圍楝背后回填，確保磴密實，嚴(yán)禁噴磴的干拌料、回填料，不得回填其他雜物。9.2.3蓋挖逆作板下進行鋼支撐和自動軸力補償系統(tǒng)千斤頂?shù)陌惭b、拆除，操作空間受限，無法采用單根整體吊裝，需要在板下分段拼裝，根據(jù)跨度、高度提前做好分段試拼；

16、鋼支撐和千斤頂安裝選用合適的挖掘機進行，拆除采用叉車。9.2.4鋼支撐自動軸力補償系統(tǒng)不僅實現(xiàn)“保壓”，根據(jù)基坑及鄰近建筑物變形來快速增加軸力，達到控制變形的作用。現(xiàn)場條件受限僅鄰近運營線或重要建（構(gòu)）筑物采用自動化監(jiān)測，基坑施工測斜等監(jiān)測主要靠人工，監(jiān)測數(shù)據(jù)不及時，應(yīng)根據(jù)鄰近運營線或重要建（構(gòu)）筑物自動化監(jiān)測數(shù)據(jù)，快速“調(diào)壓”增大軸力，有效控制基坑及鄰近運營線或重要建（構(gòu)）筑物的變形。10.1 10安全措施主要安全風(fēng)險分析10.1.1 鋼支撐架設(shè)不及時，導(dǎo)致基坑圍護結(jié)構(gòu)嚴(yán)重變形甚至失穩(wěn)，危及鄰近運營線或重要建（構(gòu)）筑物的變形。10.1.2安裝不牢固，造成支撐脫落。10.1.3基坑施工監(jiān)測數(shù)據(jù)

17、不及時，基坑施工監(jiān)測、鄰近運營線或重要建（構(gòu)）筑物自動化監(jiān)測信息不暢通，對基坑安全狀態(tài)及鋼支撐軸力掌握不及時。10.1.4鋼支撐拼裝、千斤頂安裝作業(yè)不規(guī)范，容易造成物體打擊事故。10.2 保證措施10.2.1加強現(xiàn)場管理與協(xié)調(diào)，配合蓋挖土方開挖，及時架撐、按照千斤頂，保證鋼圍楝背后回填質(zhì)雖。10.2.2對施工人員加強安全施工的教育，定期進行專業(yè)安全檢查，進入施工現(xiàn)場人員一律戴安全帽。10.2.3鋼支撐加工前由負(fù)責(zé)加工的工長對加工機械的安全操作規(guī)程及注意事項進行交底，并由機械工程師對所有機械性能進行檢查，合格后方可使用。10.2.4 鋼支撐在運輸過程中要注意交通安全，運輸車尾應(yīng)設(shè)置警示燈等安全設(shè)

18、備。10.2.5在安裝牛腿支架、鋼圍楝時一定要注意在基坑頂部設(shè)防護欄，并同時安排專人將邊坡上部將雜物清理干凈，防止墜物傷人。10.2.6支撐、千斤頂?shù)跹b時其吊車下方及支撐回轉(zhuǎn)半徑內(nèi)嚴(yán)禁站人，高空作業(yè)要系安全帶。由于鋼支撐跨度較大，活荷載對其影響較大，易使支撐因震動而失穩(wěn)，所以嚴(yán)禁在其上放置各種物體及人員攀登和行走。10.2.7土方開挖時避免挖掘機碰撞已經(jīng)架設(shè)的鋼支撐，鋼支撐采用鋼絲繩防墜落，鋼圍楝采用角鋼托架防墜落。10.2.8控制鋼支撐安裝過程中的軸線、標(biāo)高安裝偏差，千斤頂安放居中，鋼圍楝側(cè)面垂直。10.2.9加強與基坑施工監(jiān)測、鄰近運營線或重要建（構(gòu)）筑物自動化監(jiān)測信息之間的聯(lián)系，及時根據(jù)

19、監(jiān)測數(shù)據(jù)，“調(diào)壓”增大軸力，控制變形。11環(huán)保措施11.1 鋼支撐及自動軸力補償系統(tǒng)作業(yè)對環(huán)境造成不良影響的因素鋼支撐、鋼圍楝、鋼支座套箱加工，鋼支撐運輸、拼裝、吊裝和自動軸力補償系統(tǒng)運輸、安裝、調(diào)試、投入使用等，對周邊環(huán)境照成了一定的影響，影響因素主要為：11.1.1鋼支撐、鋼圍楝、鋼支座套箱加工造成的光污染。11.1.2鋼支撐、千斤頂架設(shè)時造成的噪音污染。11.1.3液壓泵站、千斤頂、液壓油管破損造成的漏油水污染。采取措施11.2.1起重吊裝作業(yè)盡雖減少噪音，可以安裝消音裝置。拼裝過程，輕吊輕放，減少噪音。11.2.2電焊作業(yè)必須配備齊全的勞保用品1切割焊接等作業(yè)，施工完成后，每天做到工完

20、料清，及時打掃焊渣并清理。2嚴(yán)禁在晚上進行焊接作業(yè)，如確有必要時嗎，必須搭建遮光棚，防止造成光污染。3對余料、廢料同意堆放管理，增強節(jié)能減排意識。4加工的成品半成品應(yīng)分類堆放整齊。采用標(biāo)識標(biāo)牌進行標(biāo)識。5現(xiàn)場做好文明施工和安全用電。12.1 12應(yīng)用實例工程簡介深圳地鐵11號線為機場快線，接駁深圳寶安機場T3新航站樓。采用BT模式，前海灣站位于與香港隔海相望的深圳前海深港合作區(qū)，原始地貌為濱海灘涂，現(xiàn)狀為填海區(qū)，該區(qū)域存在為普遍分布不規(guī)則的填石和較厚的流塑狀、軟塑狀淤泥等軟弱不良地層。前海灣站與已建1、5號線及后建的前海綜合交通樞紐工程穗莞深城際線、深港西部快線將形成“三條地鐵+兩條輕軌”的平

21、行大換乘。車站為地下三層兩柱三跨島式車站，長830m,標(biāo)準(zhǔn)寬25.7m,深18.1m,建筑面積7.8萬平米，工程造價11.79億元，規(guī)模相當(dāng)于三四個標(biāo)準(zhǔn)地鐵車站，是國內(nèi)最長的在建地鐵車站。由于車站所處填海區(qū)地層復(fù)雜，東側(cè)且距已運營5號線地鐵車站平行最小凈距僅有9.1m,故主要采用蓋挖逆作法，僅南端110m采用明挖順作法。車站東側(cè)圍護樁設(shè)計為巾12001300+900三管旋噴樁止水及帷幕，西側(cè)圍護樁設(shè)計為巾15001600+900三管旋噴樁止水及帷幕，底板下方沿車站縱向設(shè)置四排抗拔樁。車站南端110m采用明挖順筑法進行施工，共設(shè)置4道支撐體系，其中第一道為鋼筋混凝土支撐，第二四道為巾600鋼支撐，在施工結(jié)構(gòu)底板時需進行一次換撐，支撐間距平均為3m北端720m采用蓋挖逆筑法進行施工，在車站第二道鋼支撐（負(fù)一層板上方1。、第二道鋼支撐（負(fù)二層底板上方2m帶自動軸力補償系統(tǒng)，共354根鋼支撐。12.2 施工情況前海灣車站蓋挖段長720m根據(jù)設(shè)計支撐數(shù)雖和工期安排，共加工3套自動軸力補償系統(tǒng)（一套系統(tǒng)控制72根鋼支撐），系統(tǒng)調(diào)試完畢，運至現(xiàn)場車站頂板上方，將現(xiàn)場控制站及泵站沿基坑邊緣一字排開布置，板上采用集裝箱設(shè)兩個監(jiān)控站，24小時值班作業(yè)。鋼支撐拼裝、鋼圍楝及