深基坑降水的自动控制研究与应用.doc

深基坑降水的自动控制研究与应用

0 前言
      近几年，上海地铁工程建设正以较快的速度进行，由于大量的地铁车站建设均位于市区及人口密集区，车站基坑的开挖对周围环境产生较大的影响，特别是重大车站及交叉线路的车站，往往基坑深度均在 20m 以上，个别基坑开挖深度达 30~40m。超深基坑的开挖破坏了原始状态下土体和地下水的应力平衡，一旦控制不当，就有可能产生重大安全事故。因此，要确保深大基坑在开挖过程中对周围环境不产生严重影响，把对环境的影响减小到最低程度。
      根据《上海市岩土工程勘察规范》，上海地区的地层主要为第 4纪松散沉积，在正常地层沉积区有5层承压含水层，第 1承压含水层即第 ⑦ 层的顶板埋深，一般在 30m 左右，其静止水位随季节性变化一般为 6~12m，承压水的水头压力对深基坑的底板安全造成威胁。为此，当深大基坑开挖时，需降低承压水的水头压力，以保证基坑的施工安全。当开挖深度超过 30m 时，基坑底板可能已到承压含水层，对此必须将水位降至基坑底板以下一定深度，方可安全施工开挖。
      承压水由于其水量大、水头压力高，对基坑开挖的安全造成严重威胁。根据上海地区多个基坑的试验资料，第⑦层承压含水层的井内水头降低 20m后，在 1~2时左右水位可基本恢复；在多层承压含水层连通区，井内承压水水头降低 20m后，可在很短时间内迅速恢复全部水位。因此，在基坑开挖降水过程中，特别是在基坑开挖到承压含水层的情况下，一旦降水井因故断电停止运行，就会在很短的时间内将基坑淹没而造成重大安全事故。为此，我们考虑采用自动控制和自动监测、计算机可视化的技术对基坑降水进行实时跟踪监测，事前对可能产生的风险进行控制，确保基坑开挖安全。
1自动控制系统研究的基本思路
1.1控制系统的建立
      基坑降水运行的控制系统应由双电源自控系统、井内水位数据自动采集系统、计算机可视化3部分组成。
      （1）电源自动控制系统：主要通过中央智能控制器（控制柜）来实现，在市电供电停止的瞬间，信号自动发给备用电源（柴油发电机组），备用电源在收到信号的瞬间，根据事前设定的启动时间，立即自动启动并达到稳定电压向系统供电；当市电恢复供电时，信号发给发电机组，并迅速自动切换至市电供电，发电机组自动停止运行。
      在电源切换过程中市电断开时，带载水泵会停止运行，切换至备用电源后，水泵会自动再次启动运行。考虑到所有水泵一次性瞬间启动电流较大会对供电网络产生冲击，设计时将支路开关设置延时启动，分路分时启动各支路接触器，这样在无人值班的状态下，能保证水泵的正常启动运行。
      （2）水位数据自动采集系统：主要由水位传感器、频变信号线、数据自动采集仪 3 部分组成。水位传感器放置于基坑内、外的观测井中，通过信号线与数据自动采集仪连接，数据采集仪根据需要设定数据的采集时间，时间间隔可以设定以“秒”为单位，将采集的数据自动保存在数据文本中，可以在数据文本中提取所需资料。
      （3） 计算机可视化：通过系统操作软件，将采集的各个观测井的水位数据以平面曲线的形式在监视器中进行实时显示，可以通过计算机屏幕随时掌握了解任一时刻每一观测井内的水位变化情况。
1.2控制系统的组成
      基坑内的水位数据通过水位传感器采集，送至中央控制室汇总管理。控制室内的中央智能控制器将采集到的数据与设定值进行比较，一旦超出设定值，则开启水泵进行抽水，通过如此反复比较控制，形成反馈，从而达到基坑水位的自动控制。控制系统由电源自动控制系统（见图 1）和数据自动采集、监视系统（见图 2）组成。

1.3 电源控制系统原理
      双电源控制系统的核心部件是TGM-E的全自动转换开关和TU-MG的智能控制器。
      TGM-E 的全自动转换开关和 TU-MG智能控制器是配套使用的核心部件。转换开关可自动 , 手动两用，但一般不宜进行手动操作。对于控制水泵的不间断运行，其A 185-3022接触器扮演了一个重要角色，在选择接触器时，一定要考虑超过水泵额定电流的1.5倍的负载容量，从温升角度确保能适合该负载长期且不间断工作，不然就有可能造成因长期运行，温升发热而自动跳开，造成水泵自动断电而停止运行。
1.4 中央智能控制器线路
      智能控制器操作面板由测量参数 LVD 显示、操作开关和运行状态发光二极管指示 3 个部分组成。智能控制器有 3 种控制方式：自动操作模式、手动操作模式、测试操作模式。
      控制器带有 1个RE CONNECTOR的通讯口，加配件 CI 485A，对运行状态、故障状态和所有控制器的测量数据、面板上的所有控制功能具有遥控、遥测、遥信功能。
      控制器加CI 232A配件，既具有 RS 232通讯口，可连接计算机，具RS 485通讯口的控制器，通过线形连接方式，允许1条通讯总线上最多可接 256台同系列的控制器，其性能非常强大。
2 自动控制系统的应用

2.1 项目概况
      上海轨道交通某修复工程(见图 3)，分东、中、西 3个基坑，基坑之间分别由地下墙隔开。东基坑长174.08m、中基坑长 25.08m、西基坑长 62.53m。基坑开挖深度：东基坑东端与原隧道连接段为40.90m，标准段为 38m。地下墙深 65m，厚度1.2m；东、西基坑宽约22.5m，中基坑宽为17m，自上而下设 9 道内支撑，东基坑东段为10道支撑。
      该工程由于基坑开挖深度大、水文地质条件复杂、周围环境影响敏感度很高，故降水已成为基坑修复能否正常进行的关键。
      根据已有勘察资料表明，区内地下水主要有浅部（第层⑥以上）粘性土、粉性土层中的潜水及深部（第 ⑥层以下）粉性土、砂土中的承压水。第 ⑦层为上海地区第1承压含水层，第 ⑨层为上海地区第 2承压含水层，根据区域资料，场地缺乏第 ⑧ 和 ⑩ 层粘性土，所以场区内第1、2、3、承压含水层的厚度达116m。

      由于基坑开挖深度达41m，已进入到承压含水层，要保证基坑开挖安全，需将承压水水位降到42m以下，实际水头降达 30m以上。根据现场抽水试验资料：抽水水泵停止运行后，井内水位在 1时之内可全部恢复，可见水头压力非常大。如果在基坑开挖过程中，坑内水泵一旦停止运行，将直接威胁基坑的安全，对此，我们对该项目的降水运行系统采用了自动控制，使可能产生的降水安全风险得到事前鉴别和有效控制，确保基坑开挖的安全。
2.2控制系统的布设
2.2.1 双电源自动控制
      备用电源：根据项目情况，降水最大的水泵负荷功率需要 675kw左右,考虑安全系数，我们配备了 800kw的柴油发电机组，采用美国卡特比勒公司的产品，发电机具有自动启动装置。发电机中央智能控制柜：柜体规格为800mm*500mm*2200mm，设计符合国家 GB7251.1《低压成套开关设备和控制设备》等标准，智能控制器（TU-MG）和全自动转换开关（TG-ME）采用日本 TAKADA株式会社高田制作所产品，切换时间约等于发电机启动时间，设定为 1~3 分；时间继电器采用ABB公司A185-30-11/AC 220V接触器，55 台水泵分别由12台控制箱控制，全部自动延时启动，时间设定为6分内完成。
2.2.2自动数据采集及计算机可视化
      观测孔内的传感器通过数据采集仪，将孔内采集的水位实时数据以曲线形式显示在计算机的监视器上。同时能够自动报警，一旦数据值超出设置的警戒值就能报警，提醒地下水位有异常情况，以便能够在最短时间内发现问题。测量数据最小时间间隔为1秒，一般地下水位监测时间间隔可控制在1~10分监测 1次。
      降水监测系统主要采用DT515数据自动采集仪实时监测。它可以同时连接30只传感器，监测数据以数字文本形式自动储存于计算机内存中。压力传感器采用 200KPa 级别 PW系列振弦式渗压计，其性能为：测量范围：0.1-0.6MPa、15～100psi;分 辨 率 ：0.01μs、0.1Hz、0.1℃；精 度 ：±0.5％F.S.；温度飘移：±0.1％F.S./ ℃；最大超载：2倍量程范围。
2.3 控制系统的运行
      水位自动监测系统的应用，大大提高了监测的及时性和准确性。中央控制室计算机和数据采集仪设置在项目部办公室，可以通过计算机显示屏幕，随时了解每一口水位观测孔的水位变化情况。传感器通过信号线和数据采集仪连接，每一水位观测孔放置一只传感器，传感器的放置深度要大于孔内水位变化最大值，传感器的型号、规格要和数据采集仪相匹配。
3 结语
      深基坑降水自动控制系统的应用，对重大深基坑的施工安全起到了重要的保证作用，大大提高了对降水风险的控制能力，使可能产生的风险在事前得到有效识别和控制。