钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统及控制方法.pdf

本发明公开了属于建筑支撑构件受力自动控制与监测、结构安全技术领域的涉及一种钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统。该系统包括上位系统、PLC控制系统模块和现场执行系统组成。钢支撑安装在钢筋混凝土地下连续墙上，在钢支撑上安装液压千斤顶，通过压力传感器实时反馈压力监测值。钢支撑与液压千斤顶组成预应力钢支撑结构，液压千斤顶通过油路与液压泵站连接，液压千斤顶通过压力传感器与PLC控制系统模块连接，液压泵站与PLC控制系统模块连接，PLC控制设备与上位设备连接。通过自动控制软件和PLC控制系统，实现对钢支撑轴力的自动控制，从而控制深基坑支护结构和相邻基础设施的位移和沉降。

1.  一种钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统，其特征在于，该系统的钢支撑(4)安装在钢筋混凝土地下连续墙(10)上，千斤顶装置(5)安装在钢支撑(4)和钢筋混凝土地下连续墙(10)之间，压力传感器(6)固定在千斤顶装置(5)上，压力传感器(6)通过模/数转换(8)和PLC控制系统模块(2)连接，千斤顶装置(5)通过液压油路(9)连接液压泵站(3)，PLC控制系统模块(2)分别连接上位系统(1)和液压泵站(3)。

2.  根据权利要求1所述钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统，其特征在于，所述千斤顶装置(5)的安装结构如下：在钢筋混凝土地下连续墙(10)中预埋钢板(16)，安装支座(15)通过焊接与预埋钢板(16)连接；在安装支座(15)上安放支座箱(13)，支座箱(13)与钢支撑(4)上的活络头(12)通过螺栓连接为整体，然后放置液压千斤顶(14)，至此千斤顶装置安装完毕。

3.  一种钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统的控制方法，其特征在于，所述位移控制系统的控制方法是钢支撑(4)的应力状态通过压力传感器(6)采集模拟信号，经过模/数转换(8)将模拟信号转换为数字信号后传送给PLC控制系统模块(2)，然后传送给上位系统(1)，上位系统(1)中的计算机软件处理接受的数字信号，上位系统(1)的指令通过PLC控制系统模块(2)转换成电信号控制执行系统中的液压泵站(3)和千斤顶装置(5)的工作，对钢支撑进行制动控制，从而形成对钢支撑(4)的自动控制，钢支撑(4)的应力状态通过压力传感器(6)实时反馈至计算机软件系统，实现与控制系统的实施通信；液压泵站(3)通过液压油路(9)控制千斤顶装置(5)的加压和减压，实现对钢支撑支护内力自动补偿及位移控制，进而保证紧邻地铁隧道(11)的变形和沉降控制在合理范围内。

钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统及控制方法
技术领域
本发明属于建筑支撑构件受力自动控制与监测技术结构安全技术领域，特别涉及一种钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统。具体说是运用“刚性地连墙理论”，通过本系统实现钢支撑轴力的自动控制与监测，确保钢支撑的轴力严格满足设计要求和实际工程需要，并结合基坑安全健康监测系统实时反馈基坑支护结构安全状态，经由专家综合判断，不断循环优化设计方案，达到工程安全顺利地实施之目的。
背景技术
随着城市建设规模的日益加快，城市基础设施如地铁、隧道等在大城市中不断延伸。我国软土地区诸如上海、天津、南京等大量地区在地铁、隧道周边的兴建建筑物越来越多，且随着我国对生态环境的保护意识逐渐提高，对城市施工对周边的影响控制日趋严格，在此类软土地区邻近地铁、隧道周边兴建的建筑基坑施工面临越来越大的技术难题需要攻克。在邻近地铁周边地区，地铁隧道本身对环境非常敏感，如何更好的控制基坑工程施工时产生的支护结构变形，以达到地铁隧道运营的需求，而目前国内外常规施工技术已经无法满足地铁运营苛刻的变形和沉降要求。已经在若干个工程中体现出来，并日益困扰广大工程技术人员。
目前，公知的深基坑工程预应力钢支撑施工，采用人工手动加载的方式，预应力损失一般为20～40％，甚至更大。当支护结构变形较大且测量结果反馈需要复加预应力的损失时，重新安装千斤顶并进行加载，随后在新位置锁定钢支撑，此加压过程较为缓慢且不利于对支护结构和周边环境变形要求的及时控制。
目前，紧邻地铁周边进行深基坑工程施工时，进行了周边施工对地铁隧道影响的监测及分析，仅在地铁隧道内部实现了自动监测，信息化手段应用不充分。基坑施工依靠传统方法和手段，实现不了支撑轴力的自动补偿，钢支撑轴力损失较大，地铁侧向变形较大，无法满足地铁变形和沉降的苛刻要求。
通过检索国内、外相关文献，尚未发现与本系统相类似的研究方法、研究成果或产品。国外发达国家如美国、日本也仅停留在“基坑监测+人工维持钢支撑轴力”的阶段。
发明内容
本发明的的目的是提供一种钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统及控制方法，该系统包括上位系统、PLC控制系统模块和现场执行系统组成。钢支撑4安装在钢筋混凝土地下连续墙10上，千斤顶装置5安装在钢支撑4和钢筋混凝土地下连续墙10之间，压力传感器6固定在千斤顶装置5上，压力传感器6通过模/数转换8和PLC控制系统模块2连接，千斤顶装置5通过液压油路9连接液压泵站3，PLC控制系统模块2分别连接上位系统1和液压泵站3。
所述千斤顶装置5的安装结构如下：在钢筋混凝土地下连续墙10中预埋钢板16，安装支座15通过焊接与预埋钢板16连接；在安装支座15上安放支座箱13，支座箱13与钢支撑4上的活络头12通过螺栓连接为整体；装置安装好后，放置液压千斤顶14，至此千斤顶装置安装完毕。
所述位移控制系统的控制方法是钢支撑4的应力状态通过压力传感器6采集模拟信号，经过模/数转换8将模拟信号转换为数字信号后传送给PLC控制系统模块2，然后传送给上位系统1，上位系统1中的计算机软件处理接受的数字信号，上位系统1的指令通过PLC控制系统模块2转换成电信号控制执行系统中的液压泵站3和千斤顶装置5的工作，对钢支撑进行制动控制，从而形成对钢支撑4的自动控制，钢支撑4的应力状态通过压力传感器6实时反馈至计算机软件系统，实现与控制系统的实施通信；液压泵站3通过液压油路9控制千斤顶装置5的加压和减压，实现对钢支撑支护内力自动补偿及位移控制，进而保证紧邻地铁隧道11的变形和沉降控制在合理范围内。
本发明的有意效果是(1)提出了基坑钢支撑轴力自动控制的理念和方法，改善了基坑受力变形性能，有效控制了紧邻地铁隧道的变形和沉降，解决了常规方法所无法克服的技术难题。(2)确保了工程顺利实施，保证了工程施工的质量，方便了施工，大大提高了工程实施的进度。(3)在实施过程中实现了信息化施工，对钢支撑轴力的监测和控制实现了24小时不间数据传输，减少了人力资源成本，使工程适中处于可控和可知的状态下，具有显著的社会效益。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明实施系统结构原理图。
图3为图2中的千斤顶装置安装节点图。
图中，1-上位系统(要组成部件有工业控制计算机、显示器、自动控制软件)，2-PLC控制系统模块，3-液压泵站，4-钢支撑，5-千斤顶及其装置，6-压力传感器，7-报警灯，8-模/数转换，9-液压油路，10-钢筋混凝土地下连续墙，11-地铁隧道，12-活络头，13-支座箱，14-液压千斤顶，15-支座板，16-预埋钢板。
具体实施方式
本发明提供一种钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统及控制方法，下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。在图1所示本发明的结构示意图和图2所示的本发明实施系统结构原理图中，钢支撑4安装在钢筋混凝土地下连续墙10上，千斤顶装置5安装在钢支撑4和钢筋混凝土地下连续墙10之间，压力传感器6固定在千斤顶装置5上，压力传感器6通过模/数转换8和PLC控制系统模块2连接，千斤顶装置5通过液压油路9连接液压泵站3，PLC控制系统模块2分别连接上位系统1和液压泵站3。
在图3所示的千斤顶装置安装节点图中，千斤顶装置5的安装结构如下：在钢筋混凝土地下连续墙10中预埋钢板16，安装支座15通过焊接与预埋钢板16连接；在安装支座15上安放支座箱13，支座箱13与钢支撑4上的活络头12通过螺栓连接为整体。装置安装好后，放置液压千斤顶14，至此千斤顶装置安装完毕。
所述位移控制系统的控制方法是钢支撑4的应力状态通过压力传感器6采集模拟信号，经过模/数转换8将模拟信号转换为数字信号后传送给PLC控制系统模块2，然后传送给上位系统1，上位系统1中的计算机软件处理接受的数字信号，上位系统1的指令通过PLC控制系统模块2转换成电信号控制执行系统中的液压泵站3和千斤顶装置5的工作，对钢支撑进行制动控制，从而形成对钢支撑4的自动控制，钢支撑4的应力状态通过压力传感器6实时反馈至计算机软件系统，实现与控制系统的实施通信；液压泵站3通过液压油路9控制千斤顶装置5的加压和减压，实现对钢支撑支护内力自动补偿及位移控制，进而保证紧邻地铁隧道11的变形和沉降控制在合理范围内(如图2所示)。
实施例
本发明的施工工艺过程如下：
1.液压泵站就位，PLC控制系统就位，上位系统就位；
2.跟随建筑基坑土方开挖进度，钢支撑安装、液压千斤顶安装、压力传感器安装。
3.现场布线，实现电路信号通信连接，连接液压油路。
4.自动控制系统开始运行工作。
5.在上位系统的自动控制软件界面中通过参数调整，实现钢支撑轴力的压力调整。
6.钢支撑轴力压力调整符合设计要求后，进入自动控制状态(保压状态)。
在钢支撑轴力自动控制过程中，正常情况下可无人值守实现自动化的实施监测和控制，如发生压力异常情况系统的报警灯7会自动发出报警信号，提示工作人员根据操作要求进行相应的处理。钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统可以实现钢支撑轴力在线实时数据采集、显示和内力报警设定、压力曲线、报表制作/打印、历史数据存贮等功能，并根据实际需要控制千斤顶液压缸的压力，以控制位移变形情况。
7.施工完毕后，拆除相应液压千斤顶，回收相应管线，系统停止工作。
钢支撑支护内力自动补偿及位移控制系统的发明，不仅解决了工程遇到的巨大技术难关，保证了本工程的正常实施，而且经济效益和社会效益非常显著。本成果的经济效益和社会效益如下：
改善了基坑受力变形性能，有效控制了紧邻地铁隧道的变形和沉降，解决了常规方法所无法克服的技术难题。确保了工程顺利实施，保证了工程施工的质量，方便了施工，大大提高了工程实施的进度。
实现了完全意义的信息化施工，对钢支撑轴力的监测和控制实现了24小时不间数据传输，减少了人力资源成本，使工程适中处于可控和可知的状态下，具有显著的社会效益。
随着上海、天津等软土地区城市建设的发展，交通便利的地铁将成为房地产项目开发的卖点，可以预见越来越多的项目将建在地铁附近，并和地铁的出入口相连接，因此本项目发明的系统将会有很大的市场前景，通过确保地铁的正常运行，将产生巨大的社会效益和经济效益，同时该发明成果还可应用到其它类似环境中，如减少基坑开挖对周边建筑物的影响等等。