深基坑微变形智能安全控制系统研究

吴联定，顾国明，潘 曦，尹婷婷

(1.上海建工集团股份有限公司，上海 200080；2.上海高大结构建造工艺与装备工程技术研究中心，上海 201114)

1 前 言

在进行岩土施工时，特别是在深基坑开挖的过程中，为了保护基坑自身和周边建（构）筑物结构的安全，一般需要采用一些支护结构对深基坑进行支护，例如钢筋砼支撑、钢支撑等。钢支撑具有安装方便、可重复利用、成本低廉等优点，被越来越多地用于深基坑支护。在一些对基坑变形控制要求极其严格的场合，如保护古建筑周边的深基坑工程、营运地铁边的软土深基坑工程等，为了保护周围敏感目标，往往采用具备轴力补偿系统的钢支撑系统。如我司发明的深基坑液压伺服钢支撑系统，当钢支撑的轴力变化超过设定值后会进行报警并自动加压至设定值，施工人员也可以就地或远程对钢支撑的轴力进行控制调整，实现了对深大基坑的微变形控制。

2 深基坑液压伺服钢支撑系统

深基坑液压伺服钢支撑系统主要由液压伺服控制系统、钢支撑轴力补偿执行系统、电气与监控系统组成。其中钢支撑轴力补偿执行系统（图1），主要由钢支架平台、千斤顶和钢箱体组成。千斤顶（图2）采用自调平增压油缸并有分体式机械锁，主要由顶块、螺杆、锁紧螺母、防护罩、增压油缸组成。除了液压伺服控制系统的液压锁装置外，锁紧螺母起到机械锁作用，两道锁装置共同作用，提高了支撑系统的安全性。

图1 钢支撑轴力补偿执行系统

图2 千斤顶

就地或远程轴力控制调整时，特别是当油缸进行“伸”工作时，活塞杆前进带动螺杆前进。此时，由于锁紧螺母与螺杆螺纹连接，锁紧螺母跟随螺杆前进，从而会在锁紧螺母与防护罩之间产生相应的间隙。为了防止消除锁紧螺母与防护罩之间的间隙，现场的操作人员必须下到深基坑支撑补偿油缸位置，手动旋转锁紧螺母，使其与防护罩靠紧，从而锁定油缸工作位置。一旦液压锁装置由于内泄漏精度降低或油管爆裂等异常情况发生时，油缸中油的压力会突然降低，螺杆就会快速回退，由于锁紧螺母紧靠防护罩，可以阻止螺杆回退，从而避免了钢支撑对围护结构的支撑失效，保证了深基坑的施工安全。

然而在施工过程中，基坑每时每刻都会发生一些微小变形，为了避免基坑变形过大，需要人工频繁旋动锁紧螺母,及时调整油缸活塞杆的伸出量。通常，一个大型深基坑需要几十根甚至数百根钢支撑，人工操作过程中难免会遗漏某根钢支撑或者某次锁紧螺母旋动工作，从而给基坑施工带来一些不安全因素；此外，深基坑施工环境比较恶劣，易发生安全事故，基坑施工中后期很难靠人力去实现锁紧螺母的锁紧。

3 液压伺服钢支撑安全装置的优化设计

目前，液压伺服钢支撑系统中的人工操作部分，关系到基坑工程和操作人员的安全，为避免可能造成的安全隐患，拟在现有的自适应轴力补偿装置的基础上，通过运用自动机械自锁装置来代替手动自锁螺母。一方面，能够实时锁定油缸的工作状态，保证钢支撑安全、有效地支撑住深基坑，为基坑工程安全施工保驾护航；另一方面，执行机构可以全自动地解锁/锁定油缸的工作状态，操作工人无需下到深基坑手动操作，不仅减轻了工人的劳动强度，保证了工人的人身安全，而且避免了因为工人疏忽而产生的安全隐患，进一步保障了基坑工程的施工安全。

3.1 外置齿轮式自动自锁装置

外置齿轮式自动自锁装置（图3）主要由增压油缸、防护罩、顶块、螺杆、锁紧螺母、驱动齿轮、液压马达、限位开关、端盖等组成。其主要工作原理是：当轴力达到设定轴力预警下限值时，增压油缸中的压力传感器将轴力下限预警信号反馈给PLC控制单元，PLC控制单元随即发出给增压油缸注入液压油指令，增压油缸中活塞杆带动螺杆在液压油的推动下伸出，压力传感器实时监测液压油的压力，当压力达到设计要求值时，PLC控制单元发出停止注油信号，系统停止给增压油缸注油；同时，锁紧螺母跟随螺杆顶出，限位开关检测出锁紧螺母与防护罩之间有间隙，PLC控制单元发出信号使液压马达动作带动驱动齿轮旋转，驱动齿轮通过锁紧螺母外侧齿轮驱动锁紧螺母沿螺杆旋转，通过螺纹相对运动使锁紧螺母沿轴向靠紧防护罩，完成增压油缸自锁。反之如要解锁，当限位开关检测出锁紧螺母与防护罩之间无间隙时，PLC控制单元发出信号使液压马达动作带动驱动齿轮逆向旋转，驱动齿轮通过锁紧螺母外侧齿轮驱动锁紧螺母沿螺杆逆向旋转，通过螺纹相对运动使锁紧螺母沿轴向远离防护罩，完成增压油缸解锁。

图3 外置齿轮式自动自锁装置

3.2 内置行星轮式自动自锁装置

内置行星轮式自动自锁装置（图4）主要由增压油缸、防护罩、顶块、螺杆、锁紧螺母、液压马达、驱动齿轮、行星轮等组成。其主要工作原理是：当轴力达到设定轴力预警下限值时，增压油缸中的压力传感器将轴力下限预警信号反馈给PLC控制单元，PLC控制单元随即发出给增压油缸注入液压油指令，增压油缸中活塞杆带动螺杆在液压油的推动下伸出，压力传感器实时监测液压油的压力，当压力达到设计要求值时，PLC控制单元发出停止注油信号，系统停止给增压油缸注油；同时，锁紧螺母跟随螺杆顶出，限位开关检测出锁紧螺母与防护罩之间有间隙，PLC控制单元发出信号使液压马达动作带动驱动齿轮旋转，驱动齿轮通过行星轮驱动锁紧螺母内侧齿轮使其沿螺杆旋转，通过螺纹相对运动使锁紧螺母沿轴向靠紧防护罩，完成增压油缸自锁。反之如要解锁，当限位开关检测出锁紧螺母与防护罩之间无间隙时，PLC控制单元发出信号使液压马达动作带动驱动齿轮逆向旋转，驱动齿轮通过行星轮驱动锁紧螺母内侧齿轮使其沿螺杆逆向旋转，通过螺纹相对运动使锁紧螺母沿轴向远离防护罩，完成增压油缸解锁。

图4 内置行星式自动自锁装置

3.3 齿条锁定式自动自锁装置

齿条锁定式自动自锁装置（图5）主要由增压油缸、防护罩、顶块、螺杆、锁紧块、压缩弹簧、支撑架、解锁油缸等组成。其主要工作原理是：利用螺杆外齿与锁紧块内齿之间齿条的啮合受力来达到锁定的效果。当轴力达到设定轴力预警下限值时，增压油缸中的压力传感器将轴力下限预警信号反馈给PLC控制单元，PLC控制单元随即发出给解锁油缸注入液压油指令，使其克服压缩弹簧的弹力，从而使锁紧块与螺杆分离而达到解锁；随后给增压油缸注入液压油，增压油缸中活塞杆带动螺杆在液压油的推动下伸出，压力传感器和位移传感器分别实时监测液压油的压力和活塞杆的位移值，当压力达到设计要求值且位移为卡槽节距整数倍时，PLC控制单元发出停止注油信号，系统停止给增压油缸注油；接着PLC控制单元发出信号使解锁油缸伸出，锁紧块通过弹簧的弹力自动与螺杆锁紧，从而完成增压油缸自锁。

3.4 特点分析

以上3种方案各有优缺点：外置齿轮式自动自锁装置结构简单、工作可靠，可以利用现有的设备方便改造，投入成本较低，但结构外置易碰擦损坏；内置行星轮式自动自锁装置锁紧装置在防护罩内，结构紧凑但较复杂，但利用现有设备改造投入成本较高；齿条锁定式自动自锁装置相对结构较复杂，设备改造投入较多，对增压油缸每次动作还有行程要求，适用性较差。

图5 齿条锁定式自动自锁装置

4 结 语

深基坑液压伺服系统机械锁安全装置的精度、可靠性和可操作性不仅关系到工程的施工效率，更关系到深基坑工程变形控制的质量和安全，在深基坑微变形控制的施工中至关重要。本文提出了3种不同设计方案，可大大降低工人劳动强度，提高液压伺服钢支撑机械锁安全装置的自动化水平，从而提高了深基坑微变形钢支撑体系的综合性能，具有一定的推广应用价值。