CN201801873U - 深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统 - Google Patents

Abstract

公开了一种深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，该补偿系统包括若干现场控制站、若干液压比例伺服控制泵站装置、若干检测元件、操作站和监控站，所述现场控制站、操作站和监控站通过CAN总线连接通信；每个现场控制站与若干液压比例伺服控制泵站装置连接，每个液压比例伺服控制泵站装置包括液压泵站和若干千斤顶，所述液压泵站分别与千斤顶连接并控制各千斤顶支撑各自对应的钢支撑；每个检测元件分别检测各个千斤顶的运行情况，并将该信息反馈到所属的现场控制站；监控站和操作站监控各液压泵站的实时运行情况并对各千斤顶的运行参数进行设定。本实用新型可以实现深基坑施工时钢支撑轴力的实时补偿，以减少基坑的变形。

Description

深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统

技术领域

本实用新型属于深基坑施工领域，尤其涉及一种深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统。

背景技术

伴随着城市轨道交通的大发展，加之土地资源的极度紧缺，近邻地铁的深基坑工程日益增多。我们不得不面临一个问题，地铁的安全问题。目前基坑开挖已趋于大规模化及大深度化，且施工多以明挖顺作法为主，众所周知，深基坑明挖施工往往伴随着极强的环境效应，若不对深基坑施工进行严格的变形控制，邻近的地铁会因为较大变形而影响其正常使用，严重时甚至引发事故，所造成的经济损失和社会影响是不可估量的。因此，超深基坑施工对邻近地铁的安全影响控制已逐渐演化为现代基坑工程研究的主要方向之一。目前，在上海等软土地区城市深基坑的开挖支护常用钢筋砼支撑和Ф609×δ16的钢支撑。一般钢支撑时，均按设计要求施加预应力。但在施工时，随着时间的推移，钢支撑上所加的预应力会降低，有时会降低很多，甚至降低量达50％以上，而且此时又很难去往钢支撑上施加支撑轴力，故极易引起墙体位移。当位移过大时，将直接影响基坑旁边运营中地铁的安全。

所以，如何设计了一套能有效控制深基坑施工变形并确保运行地铁隧道安全的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿与监控系统是本领域亟待解决的一个技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，可以实现建筑工程深基坑施工时钢支撑轴力的实时补偿，以减少基坑的变形，确保基坑周围管线及建筑物的安全。

为了达到上述的目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，包括：若干现场控制站、若干液压比例伺服控制泵站装置、若干检测元件、操作站和监控站，所述现场控制站、操作站和监控站通过CAN总线连接通信，所述CAN总线采用标准拓朴结构由主干和分枝连接而成，所述现场控制站、操作站和监控站分别连接在各分枝上；

每个所述现场控制站与若干所述液压比例伺服控制泵站装置连接，每个液压比例伺服控制泵站装置包括液压泵站和若干千斤顶，所述液压泵站分别与所述千斤顶连接并控制各千斤顶支撑各自对应的钢支撑，所述钢支撑沿基坑边一字排开并就间隔设置；

每个所述检测元件分别检测各个千斤顶的运行情况，并将该信息反馈到所属的现场控制站；

所述监控站用以监控各液压泵站的实时运行情况并对各千斤顶的运行参数进行设定；以及显示和输出各的液压泵站的实际压力值；

所述操作站用以监控各液压泵站的实时运行情况并对各千斤顶的运行参数进行设定，以及集中显示所有液压泵站的故障。

在上述的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统中，所述现场控制站、操作站和监控站的通信连接采用树状即插分布式模块结构。

在上述的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统中，所述分枝和主干通过三通接线盒连接。

在上述的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统中，所述千斤顶采用机械锁加液压锁的双重安全装置。

在上述的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统中，所述检测元件为设于液压泵站和千斤顶之间的连接管路的压力传感器。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，工艺技术先进、系统性能高、安全与防护体系完善、数据通信能力强、使用方便且安全可靠，通过采用CAN总线来实现数据采集和控制指令发送，完成千斤顶压力的自动调节，实现全自动全天侯的钢支撑轴力的实时补偿，使基坑钢支撑轴力始终处于可知可控的状态下，有效减少了基坑的变形，从而提高基坑施工质量，确保基坑周边管线及建筑物的安全

附图说明

本实用新型的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统由以下的实施例及附图给出。

图1是本实用新型深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统的一个具体实施方式的结构示意图；

图2是CAN总线的原理图；

图3是本实用新型深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统的工艺路线示意图；

图4是每套液压比例伺服控制泵站装置的伺服原理图；

图中，1-CAN总线，11-主干(树干)、12-分枝(树枝)、13-树叶、2-监控站，3-操作站，4-现场控制站，5-液压比例伺服控制泵站装置、51-液压泵站、52-千斤顶、511-液压泵电机，512-油箱，513-比例溢流阀，514-径向柱塞泵，515-空滤器，516-油标，517-第一滤油器，518-第二滤油器，519-三位四通电磁换向阀，DS、DS1～DS4-压力传感器(即检测元件)，YB、YB1～YB4-压力表，6-钢支撑、7-终端电阻。

具体实施方式

以下将对本实用新型的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统作进一步的详细描述。

请参阅图1，图1所示为本实用新型深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统的一个具体实施方式的结构示意图。这种深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，包括：6台现场控制站4、18台液压比例伺服控制泵站装置5、72个检测元件、1台操作站3和1台监控站2。所述现场控制站4、操作站3和监控站2通过CAN总线1连接通信。CAN总线1(即Controller Area Network，控制器局域网络)属于现场总线的范畴，它是一种有效支持分布式控制或实时控制的串行通信网络，它与一般的通信总线相比，CAN总线的数据通信具有突出的可靠性、实时性和灵活性。

请参阅图2，图2所示为本实用新型所采用的总线拓朴结构原理简图。从图2可见，所述CAN总线1采用标准拓朴结构，由主干11和分枝12连接而成，所述CAN总线1采用主干-分枝结构，而不是星形结构。所述现场控制站4、操作站3和监控站2分别连接在各分枝12上。主干11的两端尽头并接120欧姆的终端电阻7各一个。所述终端电阻7所起的作用是，由于总线通信距离通常都比较长，终端电阻7可以减缓信号衰减，增强总线信号，确保总线信号的长距离输送质量。分枝12的长度不超过一米。各相邻分枝12之间的距离不相等，即节点间不等间距。优选，所述分枝12和主干11通过三通接线盒实现连接，从而方便现场接线操作。优选，所述分枝12、主干11与三通接线盒之间的连接分别采用冗余手段，即每个接点采用双副端子，一副总线通讯专用端子(即USB端子插接件)和一副普通端子(即针孔结构的端子)。USB端子插接件比针孔结构的端子具有更高的可靠性。而且，采用两个端子可以进一步保证良好的接触效果。

由于每个现场控制站4都可能成为CAN总线1网络的首节点或末节点，而且主干11的两端尽头需并接阻值为120欧姆的终端电阻7。为了实现终端电阻7的灵活接入或关闭，可以在每个分枝12两侧的主干11上分别并接有串联在一起的终端电阻开关和终端电阻，终端电阻开关用以开启或关闭各自的终端电阻，且仅就主干11的两端的终端电阻开启。如此，可以实现终端电阻的灵活接入或关闭，从而，增强了总线通信的平稳可靠性和出现问题后的自恢复能力，保证了数据采集和指令发送工作的可靠进行。

优选，在每个分枝12设有用于将分枝12和主干11连接或断开的总线开关，通过该总线开关将CAN-H、CAN-L接入或移出CAN总线网络，从而实现总线成员(或称分枝或节点或站点)的自由增减。可以随时增减CAN总线1的成员，即在新增或删除现场控制站4时将节点从CAN总线1中加入或删除。

请参阅图3，图3所示为本实用新型深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统的工艺路线示意图。所述现场控制站4、操作站3和监控站2的通信连接采用树状即插分布式模块结构。即本实用新型深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统的工艺路线采用树状即插分布式模块结构、多重安宝体系的总体工艺技术路线。图中，树干11-----表示CAN总线的主干；树枝12------表示CAN总线的分枝；树叶13------表示各系统模块。由图3可知，本实施例中，共有8个模块，其中6个是现场控制站4、1个是操作站3、1个是监控站2，它们之间的位置根据工地现场的条件可以自由更换，即拔、即插、即用，非常方便。同时，树枝12与树干11的连接也具有即拔、即插、即用的功能，同样方便。该深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统的总体工艺设计采用树状结构，因而，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；该深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统的总体工艺设计采用模块结构，因而，便于现场维护和使用，控制精度高。该深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统的总体工艺设计采用即插分布式结构，因而，便于现场维护和使用，也更适合基坑边设备的布设和移植；

请参阅图1，每个所述现场控制站4与若干所述液压比例伺服控制泵站装置5连接。请参阅图4，图4是每套液压比例伺服控制泵站装置5的伺服原理图。

每套液压比例伺服控制泵站装置5包括一液压泵站51和4个千斤顶52，所述液压泵站51分别与所述千斤顶52连接并控制各千斤顶52支撑各自对应的钢支撑6，所述钢支撑6沿基坑边一字排开并就间隔设置。

每个所述检测元件分别检测各个千斤顶52的运行情况，并将该信息反馈到所属的现场控制站4再由该现场控制站4该该信息反馈到监控站2和操作站3。也就是说，每个现场控制站4可以通过12个检测元件分别采集12个千斤顶52的实际压力值，并通过CAN总线1将该实际压力值传送至监控站2和操作站3。而且每个现场控制站4接受来自监控站2或操作站3的控制指令，通过液压泵站51控制对应的千斤顶52的运行(包括压力调节，伸缩动作等)。每台现场控制站4主要包括两只可编程总线控制器PLVC和与其配套可编程总线控制器软件等。

所述监控站2用以监控各液压泵站51的实时运行情况并设定各千斤顶52的设定压力值；以及显示和输出各千斤顶52的实际压力值。各液压泵站5的实时运行情况，包括各油箱压力(即各液压泵站5的自身压力，也就是各液压泵站5所对应的千斤顶52的实际压力值，也就是该千斤顶52所对应钢支撑6的压力值)、泵站状态(包括电机正常、过流跳闸、液位、传感器电气故障、传感器冗余状态、液压阀电气故障等状态信息)。其中，油箱压力(即千斤顶52的实际压力值)和设定压力(即设定压力值)以图形化形式显示。所述监控站2可设定各千斤顶52的设定压力值。所述监控站2可通过现场控制站4所连接的检测元件实时采集各千斤顶52的实际压力值并将该各个时段的实际压力值存储到计算机硬盘以进行长期保存。各千斤顶52的实际压力值可按要求(如时间段等)以图形形式显示，并可通过打印报表方式输出，也可将通过EXCEL表格将各千斤顶52的实际压力值导出。所述监控站2的数量为1套，主要包括1套PC上位机及配套的PC监控软件(用户程序)等。

所述操作站3用以监控各液压泵站5的实时运行情况并设定各千斤顶52的设定压力值(即对各千斤顶52的运行参数进行设定)；以及集中显示各液压泵站5的故障。所述操作站3数量的1套，主要包括1只10.4寸的HMI工业触摸屏及其配套的HMI工业触摸屏软件；1套PLVC可编程总线控制器及配套的可编程总线控制器软件等。

请参阅图1-图4，采用上述的补偿系统的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿方法，包括如下步骤：

第一步，基坑每开挖一段后，施工人员将液压泵站5、千斤顶52及钢支撑6安装就绪。具体如下：基坑每开挖一段后，施工人员将液压泵站5、千斤顶52及钢支撑6安装到位，并将液压泵站5的控制电缆连接到对应的现场控制站4的相应接口；现场控制站4自动侦测到千斤顶52后，开始检测千斤顶52的状态(如压力、液位)；检测完成后，将千斤顶52置于待机状态并将千斤顶52的状态反馈到监控站2和操作站3。如此，安装就绪。

第二步，通过监控站2或操作站3设定各千斤顶52的设定压力值(即设定各千斤顶52的施工参数)后将对应的钢支撑6投入支撑作业。也就是说，监控人员通过监控站2的PC机或操作人员通过操作站3的HMI设定各千斤顶52的设定压力值后，将该设定压力值发送到对应的现场控制站4，经现场控制站4处理后以电流值形式加载到该液压泵站5的比例溢流阀513。

第三步，现场控制站4通过各检测元件分别采集各千斤顶52的实际压力值(即运行参数)，并通过CAN总线1将各千斤顶52的实际压力值传送到所述监控站2和所述操作站3。具体如下，请参阅图4，图4所示为液压比例伺服控制泵站装置5的伺服原理图：现场控制站4通过检测元件即压力传感器DS及DS1、DS2、DS3、DS4检测到所对应的千斤顶52的实际压力值后通过CAN总线1传送到所述监控站2和所述操作站3。

第四步，监控站2或操作站3分别对各千斤顶52的实际压力值和设定压力值进行比对、分析和处理后向对应的现场控制站4发送控制指令，现场控制站4根据所述控制指令控制所述液压泵站5使得所述各个千斤顶52的实际压力值符合各自的设定压力值。具体包括两种情况：

(一)如果监控站2或操作站3对某个千斤顶52的实际压力值和设定压力值进行比对、分析和处理后得到的结果是：千斤顶52的实际压力值低于设定压力值而需要调整，则监控站2或操作站3向对应的现场控制站4发送控制指令。现场控制站4根据该控制指令控制液压泵站5进行调整。请结合参阅图4，调整过程具体如下：现场控制站4控制液压泵站5中的液压泵电机511起动，使得液压泵站5中的径向柱塞泵514开始工作。同时，液压泵站5中的比例溢流阀513接收到来自监控站2或操作站3的控制指令(即压力调整信号)后自动调整自身系统压力到千斤顶52工作所需的设定压力值。详细过程如下：控制液压泵电机511开始起动，使得需要调整的千斤顶52所对应的三位四通电磁换向阀519的a电磁铁得电工作，径向柱塞泵514出来的系统压力油由P路经三位四通电磁换向阀519的上端经第二滤油器518通过高压管路流向该千斤顶52的后腔(图中千斤顶52的下腔)，使该千斤顶52往前推进，该千斤顶52在负载(钢支撑6)的作用下提高压力，当该千斤顶52的实际压力值到达所需的设定压力值时，程序自动停止之前的三位四通电磁换向阀519的a电磁铁工作，使之失电回到中位状态，此时靠三位四通电磁换向阀519中位的球阀进行保压，使千斤顶52的实际压力值维持在所需的设定压力值下工作。

(二)如果监控站2或操作站3对某个千斤顶52的实际压力值和设定压力值进行比对、分析和处理后得到的结果是：千斤顶52的压力高于设定压力而需要调整，则监控站2或操作站3向对应的现场控制站4发送控制指令。现场控制站4根据该控制指令控制液压泵站5进行调整。请结合参阅图4，调整过程具体如下：现场控制站4控制液压泵站5中的液压泵电机511起动，使得液压泵站51中的径向柱塞泵514开始工作。同时，液压泵站5中的比例溢流阀513根据接收到的来自监控站2或操作站3的控制指令(即压力调整信号)自动调整自身的系统压力到千斤顶52工作所需的设定压力。详细过程如下：控制液压泵电机511开始起动，使得需要调整的千斤顶52所对应的三位四通电磁换向阀519的b电磁铁得电工作，径向柱塞泵514出来的系统压力油由P路经三位四通电磁换向阀519的下端经第一滤油器517通过高压管路流向对应的千斤顶52的前腔(图中千斤顶52的上腔)，使该千斤顶52往后推进，该千斤顶52的实际压力值(即工作压力)随之减小，当该千斤顶52的实际压力值减小到设计所需的设定压力值时，程序自动停止之前的三位四通电磁换向阀519的b电磁铁工作，使之失电回到中位状态，此时靠三位四通电磁换向阀519中位的球阀进行保压，使该千斤顶52的实际工作压力值维持在所需的设定压力值下工作。

第五步，进行第三步，进入循环，从而实现深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿的目的。以此往复，完成千斤顶52压力的自动调节，实现全自动全天侯的钢支撑轴力的实时补偿，使基坑钢支撑轴力始终处于可知可控的状态下，提高基坑施工质量，保护基坑边地铁生命线的运行安全。

另外，当比例溢流阀513电流接近零时，即比例溢流阀513处于道通状态，系统压力直接通过比例溢流阀513卸荷，从而，可以避免液压泵站5带载起动。

为了保证所述现场控制站4和操作站3及监控站2之间的通讯安全可靠，站点间的信号传输速率的选择比较关键。由于波特率越低，总线可以传输的距离越长。经过计算和优化，本总线使用50K波特率，即所述现场控制站4和操作站3及监控站2之间的信号传输速率为50k波特每秒，来保证适合500米以内的通讯要求。事实上，50K波特率也适合1K米的要求。为适应低波特率，要求数据传输量水平不能太高，否则总线负载太高将导致不能将所有的数据成功发送。

所有现场控制站4的PLVC每半秒向操作站3和监控站2发送一次数据，使用波特率50K，使得CAN总线1通讯负载率＜50％，处于一个比较低且可靠的水平，但是半秒一次的发送频率又完全符合压力监测，数据采集的工作要求，没有任何问题。

优选，所述操作站3的PLVC即可编程总线控制器具有实时对总线进行自诊断的用户程序。如果总线错误频繁则报障，通知操作员检查是否有影响通讯的干扰源存在。另外，所述操作站3的PLVC的操作系统具有内置的总线诊断功能，如果总线错误频繁将暂时关闭总线通讯，然后在故障消失后自行恢复。因此，本深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统具有自我诊断和错误恢复功能。

优选，本实用新型的操作站3具有记忆功能，可以侦测现场控制站4的存在或丢失。即可以随时知晓CAN节点的意外丢失，从而发出报警信号。具体如下：

一旦某个现场控制站4的PLVC接入CAN总线1，就被操作站3的PLVC记忆，认为该现场控制站4的PLVC不再应该自行脱离CAN总线1。如果该现场控制站4的PLVC不能和操作站3的PLVC发生通讯，则认为发生总线丢失故障，从而发出报警信号。

优选，本实用新型具有现场控制站4的脱离或接入通知功能。如果某个现场控制站4的PLVC的确因完成工作而应该被关闭电源从而脱离总线，则属于正常工况的脱离，此时可以通过操作站3的触摸屏操作，在泵站画面中点击“此泵站已下线”按钮，来告知操作站3的PLVC使其知晓情况而不报警。如果某个现场控制站4的PLVC没有完成工作而发生脱离总线，则属于不正常的工况现象，此时应该告知操作站3的PLVC并立即报警。

总的来说，本实用新型深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统具有如下优点：

(1)自适应实时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)自适应实时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)自适应实时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植；

(4)自适应实时补偿系统总体工艺设计采用了多重安宝体系，大大提高了系统运行的可靠性、安全性，确保建筑深基坑开挖施工所引起的基坑变形控制效果，从而确保运行中地铁生命线等管线建筑物的安全；

(5)由于自适应实时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建筑深基坑工程中；

(6)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)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(即监控站)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)操作站、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，使操作简单，使用十分方便；

(9)自适应实时补偿系统采用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)自适应补偿系统采用独特的钢支撑轴力支顶结构设计，所述钢支撑轴力支顶结构包括千斤顶和钢支撑。所述千斤顶设计采用体积小重量轻便于现场安装的增压结构，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。

本实用新型深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，工艺技术先进、系统性能高、安全与防护体系完善、数据通信能力强、使用方便且安全可靠，通过采用CAN总线来实现数据采集和控制指令发送，完成千斤顶压力的自动调节，实现全自动全天侯的钢支撑轴力的实时补偿，使基坑钢支撑轴力始终处于可知可控的状态下，有效减少了基坑的变形，从而提高基坑施工质量，确保基坑周边管线及建筑物的安全

显然，本领域的技术人员可以对本实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.一种深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，其特征在于，包括：若干现场控制站、若干液压比例伺服控制泵站装置、若干检测元件、操作站和监控站，所述现场控制站、操作站和监控站通过CAN总线连接通信，所述CAN总线采用标准拓朴结构由主干和分枝连接而成，所述现场控制站、操作站和监控站分别连接在各分枝上；

每个所述现场控制站与若干所述液压比例伺服控制泵站装置连接，每个液压比例伺服控制泵站装置包括液压泵站和若干千斤顶，所述液压泵站分别与所述千斤顶连接并控制各千斤顶支撑各自对应的钢支撑，所述钢支撑沿基坑边一字排开并就间隔设置。

2.如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，其特征在于，所述现场控制站、操作站和监控站的通信连接采用树状即插分布式模块结构。

3.如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，其特征在于，所述分枝和主干通过三通接线盒连接。

4.如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，其特征在于，所述千斤顶采用机械锁加液压锁的双重安全装置。

5.如权利要求1所述的深基坑施工钢支撑轴力自适应实时补偿系统，其特征在于，所述检测元件为设于液压泵站和千斤顶之间的连接管路的压力传感器。 

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