地铁车站钢支撑轴力自动补偿施工工艺工法

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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，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①高性能的总线拓朴结构技术；②方便实用的现场接线技术；③高可靠性的触点连接技术；④总线传输波特率的计算并优化技术；⑤完善的诊断和错误恢复技术；⑥终端电阻的灵活接入或关闭技术；⑦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

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、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30～50m长度范围，竖向每道支撑选取10～15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 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

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

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（或存在变形）的要禁止使用。

现场安装时，两端安装标高≤3cm。加强现场控制钢围檩背后回填，确保砼密实，严禁喷砼的干拌料、回填料，不得回填其他杂物。

9.2.3盖挖逆作板下进行钢支撑和自动轴力补偿系统千斤顶的安装、拆除，操作空间受限，无法采用单根整体吊装，需要在板下分段拼装，根据跨度、高度提前做好分段试拼；钢支撑和千斤顶安装选用合适的挖掘机进行，拆除采用叉车。

9.2.4钢支撑自动轴力补偿系统不仅实现“保压”，根据基坑及邻近建筑物变形来快速增加轴力，达到控制变形的作用。现场条件受限仅邻近运营线或重要建（构）筑物采用自动化监测，基坑施工测斜等监测主要靠人工，监测数据不及时，应根据邻近运营线或重要建（构）筑物自动化监测数据，快速“调压”增大轴力，有效控制基坑及邻近运营线或重要建（构）筑物的变形。

10 安全措施

10.1 主要安全风险分析

10.1.1 钢支撑架设不及时，导致基坑围护结构严重变形甚至失稳，危及邻近运营线或重要建（构）筑物的变形。

10.1.2 安装不牢固，造成支撑脱落。

10.1.3 基坑施工监测数据不及时，基坑施工监测、邻近运营线或重要建（构）筑物自动化监测信息不畅通，对基坑安全状态及钢支撑轴力掌握不及时。

10.1.4 钢支撑拼装、千斤顶安装作业不规范，容易造成物体打击事故。

10.2 保证措施

10.2.1 加强现场管理与协调，配合盖挖土方开挖，及时架撑、按照千斤顶，保证钢围檩背后回填质量。

10.2.2 对施工人员加强安全施工的教育，定期进行专业安全检查，进入施工现场人员一律戴安全帽。

10.2.3 钢支撑加工前由负责加工的工长对加工机械的安全操作规程及注意事项进行交底，并由机械工程师对所有机械性能进行检查，合格后方可使用。

10.2.4 钢支撑在运输过程中要注意交通安全，运输车尾应设置警示灯等安全设备。

10.2.5 在安装牛腿支架、钢围檩时一定要注意在基坑顶部设防护栏，并同时安排专人将边坡上部将杂物清理干净，防止坠物伤人。

10.2.6 支撑、千斤顶吊装时其吊车下方及支撑回转半径内严禁站人，高空作业要系安全带。由于钢支撑跨度较大，活荷载对其影响较大，易使支撑因震动而失稳，所以严禁在其上放置各种物体及人员攀登和行走。

10.2.7 土方开挖时避免挖掘机碰撞已经架设的钢支撑，钢支撑采用钢丝绳防坠落，钢围檩采用角钢托架防坠落。

10.2.8 控制钢支撑安装过程中的轴线、标高安装偏差，千斤顶安放居中，钢围檩侧面垂直。

10.2.9 加强与基坑施工监测、邻近运营线或重要建（构）筑物自动化监测信息之间的联系，及时根据监测数据，“调压”增大轴力，控制变形。

11 环保措施

11.1 钢支撑及自动轴力补偿系统作业对环境造成不良影响的因素

钢支撑、钢围檩、钢支座套箱加工，钢支撑运输、拼装、吊装和自动轴力补偿系统运输、安装、调试、投入使用等，对周边环境照成了一定的影响，影响因素主要为：

11.1.1钢支撑、钢围檩、钢支座套箱加工造成的光污染。

11.1.2钢支撑、千斤顶架设时造成的噪音污染。

11.1.3液压泵站、千斤顶、液压油管破损造成的漏油水污染。

11.2 采取措施

11.2.1 起重吊装作业尽量减少噪音，可以安装消音装置。拼装过程，轻吊轻放，减少噪音。

11.2.2 电焊作业必须配备齐全的劳保用品。

1 切割焊接等作业，施工完成后，每天做到工完料清，及时打扫焊渣并清理。

2 严禁在晚上进行焊接作业，如确有必要时吗，必须搭建遮光棚，防止造成光污染。

3 对余料、废料同意堆放管理，增强节能减排意识。

4 加工的成品半成品应分类堆放整齐。采用标识标牌进行标识。

5 现场做好文明施工和安全用电。

12 应用实例

12.1 工程简介

深圳地铁11号线为机场快线，接驳深圳宝安机场T3新航站楼。采用BT模式，前海湾站位于与香港隔海相望的深圳前海深港合作区，原始地貌为滨海滩涂，现状为填海区，该区域存在为普遍分布不规则的填石和较厚的流塑状、软塑状淤泥等软弱不良地层。前海湾站与已建1、5号线及后建的前海综合交通枢纽工程穗莞深城际

线、深港西部快线将形成“三条地铁+两条轻轨”的平行大换乘。车站为地下三层两柱三跨岛式车站，长830m，标准宽25.7m，深18.1m，建筑面积7.8万平米，工程造价11.79亿元，规模相当于三～四个标准地铁车站，是国内最长的在建地铁车站。由于车站所处填海区地层复杂，东侧且距已运营5号线地铁车站平行最小净距仅有

9.1m，故主要采用盖挖逆作法，仅南端110m采用明挖顺作法。

车站东侧围护桩设计为φ1200@1300+φ900三管旋喷桩止水及帷幕，西侧围护桩设计为φ1500@1600+φ900三管旋喷桩止水及帷幕，底板下方沿车站纵向设置四排抗拔桩。车站南端110m采用明挖顺筑法进行施工，共设置4道支撑体系，其中第一道为钢筋混凝土支撑，第二～四道为φ600钢支撑，在施工结构底板时需进行一次换撑，支撑间距平均为3m。北端720m采用盖挖逆筑法进行施工，在车站第二道钢支撑（负一层板上方1m）、第二道钢支撑（负二层底板上方2m）带自动轴力补偿系统，共354根钢支撑。

12.2 施工情况

前海湾车站盖挖段长720m，根据设计支撑数量和工期安排，共加工3套自动轴力补偿系统（一套系统控制72根钢支撑），系统调试完毕，运至现场车站顶板上方，将现场控制站及泵站沿基坑边缘一字排开布置，板上采用集装箱设两个监控站，24小时值班作业。钢支撑拼装、钢围檩及钢支座套箱加工均在现场提前加工。盖挖土方开挖至钢支撑下0.5m，再进行桩间网喷的同时，立即安排施工人员，进行打眼植入膨胀螺栓安装角钢托架，安装钢围檩，并进行背后回填。钢支撑分三节在板下拼装，采用PC120型挖掘机配合架设，吊装千斤顶，连接液压油管，按照设计分级施加轴力。自动轴力补偿系统开始运作，形成持续保压，开始自动控制、监测钢支撑轴力，有效控制基坑变形。运营线（五号线）自动化监测情况见表4。

表4 运营线（五号线）自动化监测区间统计表

运营线水平变形和沉降变形均在设计要求的10mm以内，确保了邻近运营线的运营安全。

12.3 工程结果评价

自动轴力补偿系统装置钢支撑对深基坑施工的变形控制真正实现了动态、实时及24小时不间断的监测与控制。在前海片区如此复杂的地质条件下，而又有邻近的地铁运营线，对基坑变形和沉降要求极其苛刻的情况下，彻底避免钢支撑轴力衰减而引起的围护结构的位移变形，从而有效控制基坑结构的位移变形，确保了基坑开挖安全。同时，有效控制了相邻运营线的沉降和变形，保证运营线的安全运营。

12.4 建设效果及施工图片

图3 钢支撑自动轴力补偿系统图片