逆作法钢管混凝土立柱垂直度控制系统设计和应用.pdf

检测与分析GEO TECHN I CAL ENG I N EER I NG WO RLDVo l . 12No. 8 收稿日期 3 国家自然科学基金资助项目(编号5)。 逆 作 法 钢 管 混 凝 土 立 柱 垂 直 度 控 制 系 统 设 计 和 应 用 廖秋林 1 ,2 ,张玉东 3 ,曾志献 1 (1.北京城建集团,北京 100088; 2.中国科学院地质与地球物理研究所,北京 100029; 3.浙江丽水市恒鑫水电设计有限公司,丽水 323600) 摘 要 逆作法钢立柱在混凝土浇筑过程中的垂直度控制是困扰逆作法发展的一个关键技术难题;而这 一技术难题主要包括3个关键问题:钢立柱垂直度的实时监测、 实时纠偏与控制系统建立 。文章 围绕上述3个关键问题进行了针对性技术分析,提出了具体的解决思路,并通过方案比选确定了 调垂系统中采用的关键元件。论文还介绍了逆作法钢管混凝土立柱垂直度控制系统的设计、 仪 器的研制与操作方法等;结合实际工程的应用表明,该系统在混凝土浇筑过程中很好地控制了钢 立柱的垂直度,具有很好的应用前景 。 关键词 逆作法 钢立柱 垂直度 控制系统 中图分类号: T V547. 5 文献标识码:A 文章编号:1009 - 5098 (2009) 08 - 0060 - 05 逆作法施工中,基坑 围护的地下连续墙与“ 一 柱一桩 ” 或“ 一柱多桩 ” 等竖向受力构件是逆作法施 工的重要组成部分,也是逆作法施工阶段中最关键 的工艺 1 ,2 。 由于钢立柱在工序上是待钻孔灌注桩钻孔成孔 后安装钢立柱,之后桩柱一次浇筑混凝土而形成 “ 一柱一桩 ” 。施工中往往受工艺的局限,只能采用 吊线法、 经纬仪等在钢立柱吊装就位时进行其垂直 度控制,而钢立柱一旦在桩孔中就位后,其垂直度 就无法测量。实际上,在吊装后的桩柱混凝土浇筑 过程中,由于混凝土对钢立柱的扰动与冲击,不可避 免地要影响钢立柱吊装时的垂直度,这也是一直困 扰逆作法进一步发展的障碍之一 3, 4 。 1 技术关键与思路 如前文所述,在吊装后的桩柱混凝土浇筑多为 水下浇筑与高抛,水下浇筑的返浆或高抛混凝土的 冲击力都不可避免地对钢立柱产生一定的水平推 力,钢立柱的自身重量无法与这些水平推力平衡时, 钢立柱即产生倾斜。因此,控制钢立柱在混凝土浇 筑过程中的垂直度的关键问题体现在以下3个环 节: 1)实时监测钢立柱的垂直度并获取准确信息; 2)采取措施实时对钢立柱纠偏调垂,例如液压装 置; 3)控制系统将上述两个信息建立联系,确保纠 偏能可控、 及时有效。要达到混凝土浇筑过程中钢 立柱垂直度实时控制的目的,就解决上述3个关键 问题。为此,在钢立柱实时调垂控制系统设计过程 中,作者对现有监测技术、 液压千斤顶与传动装置、 以及人机交互的PLC电路控制技术等进行了大量 检索,并结合上述3个关键问题进行了不同方案的 比选,提出了解决思路。 1. 1 垂直度监测系统 钢立柱的垂直度实时监测包括监测与数据采集 两部分。垂直度监测主要是通过倾角传感器来完 成,而倾角传感器也是本系统的关键部件,系统的 精度主要由倾角传感器决定。目前常用于垂直度监 测的传感器有应变片式、 钢丝振弦式、 加速度测斜 仪、 陀螺水平仪、 电感式水平仪、 激光测斜仪等。 查询及测试发现,这些传感器或精度太差,或 设置过于复杂、 体积过大,或使用环境不适应,都 不能用于本系统。经过反复比选,确定选择性能好 且适宜各类使用环境的精密电子倾角传感器。为确 保垂直度监测的准确,本系统采用美国的NS - 5 /PI 电子倾角传感器图1。 NS - 5 /PI电子倾角传感器的核心是由基于电 容原理成品陶瓷管经玻璃封胶而成的整体陶瓷元 件,传感器内置一个性能良好的精密平面电极管并 经电解液密封。当传感器绕其灵敏轴旋转时,敏感 6 2008 - 11 - 09 : 407020 2 0 岩土工程界 第12卷 第8期检测与分析 器件的电容值发生线性变化,再通过电子线路将其 转化为正比于角度值的电流值,输出的电流范围为 420 mA。输出电流的大小与垂直度的对应关系 为: 20 mA为- 5,4 mA为+5;经测试该传感器的 最大零点重复误差0101 。该传感器的结构特点既 满足了垂直度监测系统对钢立柱的垂直度实时监测 的精确要求,又可适宜工程施工的各种恶劣环境 (图1)。 图1NS - 5 /PI电子倾角传感器 此外,该传感器还内置微型信息数据处理机,将 传感器电流信号直接转换为垂直度偏差量与角度, 这大大减少了电流信号经数据线传输到数据处理系 统中电流衰减所引起的系统误差。同时,考虑到钢 立柱垂直度实时监测需要专门技术人员进行全程操 纵仪器,随时进行纠偏调整,该传感器的数据采集不 设置数据存储区,以实时读数记录为主。 1. 2 垂直度纠偏液压系统 当监测系统监测到在混凝土浇筑时钢立柱出现 倾斜时,必须立即采取有效措施。因此,选择一个能 及时推动钢立柱在水平方向进行小位移调整的外力 系统是钢立柱垂直度保证的另一个重要环节。这类 小位移调整的外力系统主要有伺服液压系统、 液压 系统、 气压调整式气囊装置、 以及机械千斤顶等。其 中,伺服液压系统控制精度最高,但多限于实验室环 境下使用,很难用于施工现场且成本高;气压调整式 气囊装置一般通过气囊的充气、 放气来施加作用力, 往往存在一定的滞时性,且动力较小难以推动重达 十余吨的钢管柱;机械千斤顶一般根据监测数据通 过人工使用千斤顶来给钢立柱加压,具有很大的随 意性且控制精度也较低。 液压系统的工作原理是利用液体的压力能来传 递动力的;利用执行元件将液体的压力能转换为机 械能,驱动工作部件运动。液压系统具有响应快、 功 率大且体积小又易于实现计算机控制,目前已成为 重要的传动方式之一,且在建筑行业广泛应用。因 此,在钢立柱实时调垂控制系统中采用液压系统作 为钢管柱调垂的动力。液压系统工作,必须对油液 压力、 流量、 方向进行控制与调节,以满足工作部件 在力、 速度和方向上的要求。本文所采用的液压系 统由一台液压泵控制4个液压油缸,每2个油缸带 有一个比例阀,可以实现伸出、 缩回动作的切换。选 择液压泵主要依据系统内4个顶升缸的规格、 需要 的顶升速度,并充分考虑液压泵的流量对控制精度 的影响。液压系统工作原理如图2所示。 图2 液压系统工作原理图 如图2所示,系统由液压泵站为执行油缸(10) 提供液压动力和控制功能,液压泵站与油缸之间通 过带快速接头的软管连接。液压泵站由电动机(1) 驱动液压泵(2)通过吸油过滤器(11)从油箱吸油, 泵输出的压力油为系统提供液压动力。溢流阀(3) 设定最高安全压力,压力表(4)显示系统的工作压 力。电磁换向阀(5)在中位时,系统卸荷,系统处于 待机状态;当电磁换向阀(5)在右位时,比例阀(7) 可以控制对应的油缸伸出和对顶调整钢柱的角度, 压力阀(6)用于调整时系统背压;当电磁换向阀(5) 在左位时,比例阀(7 )可以控制对应的油缸回缩。 比例阀(7)是保证精度控制的关键液压元件,控制 器通过检测压力传感器(8)和倾角传感器(9)信号 进行判断,发出控制信号对比例阀进行控制,达到调 整钢立柱垂直度的目的。 系统工作油通过回油过滤器(12)流回油箱,吸 回过滤器使液压系统的油液保持清洁;同时油箱还 装有液位液温计用以检测指示油箱的油位和温度; 空气过滤器保证油箱内部与大气相通及空气清洁。 1. 3 控制系统 控制系统是连接倾角传感器与液压系统的中枢 系统,在本文研制的钢立柱实时调垂控制系统中采 用具备成熟技术的基于L的软硬一体化的电子 6 P C 1 检测与分析GEO TECHN I CAL ENG I N EER I NG WO RLDVo l . 12No. 8 控制系统。 电子控制系统是实现垂直度调节的关键。这里 提供的控制系统是基于闭环控制系统理论,将钢立 柱上安装的各倾角传感器所采集的倾角信号作为受 控参数,各液压千斤顶受力腔内产生的压强信号作 为参考量,通过传感器采集这些信号,将这些信号传 输至控制器。控制器接受并处理这些信号,通过控 制各比例阀实现各油缸的进退动作,从而实现垂直 度的调节。当系统调整过程中的误差无法被修正 时,系统发出错误报警指令,停止各执行油缸的动 作。直到该错误被修复,并得到操作者重新工作的 指令,系统才恢复工作。 整个调垂系统是在PLC的控制下进行工作的, 也即通过控制系统实现钢立柱的调垂。控制系统是 设在液压泵站上的一个主控制箱,是一种基于PLC 的软硬一体化的人机界面。控制箱通过有线传输与 分线器、 油压千斤顶及倾角传感器连接,实现对整个 系统的集中控制,数据采集以及各种故障的报警。 控制箱操作平台上设置有仪器开关、 复位键、 千斤顶 控制键以及操作与显示界面,如图3所示。 图3 控制系统操作界面 该界面具有画面显示与组织功能、 数据处理和 统计功能、 故障处理功能和现场设备系统操作功能。 该界面上的触摸屏可实时显示各种参数、 设定工作 模式。显示画面分为主界面和子界面2类,均为全 屏显示的画面;通过主界面的触摸键设置进入各子 界面。根据系统控制的需要,设置了1个主界面和 5个子界面:主界面显示钢立柱垂直度的实时数据 (包括倾角与两个方向位移矢量)、 各千斤顶压力、 报警显示以及部分子界面进入触摸键;子界面有初 始值标定设置 千斤顶伸出与缩回控制、 千斤顶最大 压力与钢立柱长度设置、 报警监控等。功能齐全而 又操作简单的控制系统确保了整个钢立柱调垂控制 系统可适宜工程施工中的工人操作。 根据上述对钢立柱实时调垂控制中监测、 纠偏 与控制等3个关键问题的阐述,就解决了对整个钢 立柱实时调垂控制系统的核心技术问题;并与有关 设备厂家设计、 研制了这一实用、 有效的调垂仪器, 用于某逆作超深基坑 中大量钢管混凝土立柱的施工 实践中。 应该指出,钻孔与吊挂钢筋笼垂直度的保证、 钢 立柱安装调垂架刚度与水平度、 调垂架应力坪强度 与水平度、 钢立柱吊装时垂直度保证及其后的固定 方式等混凝土浇筑前的工序都是影响钢立柱垂直度 控制的重要因素。这些工序都应该在钢立柱吊装之 前严格逐项控制,本文仅围绕混凝土浇筑过程中钢 立柱垂直度的实时控制展开研究与讨论,对于上述 各工序在此不做详细讨论。 2 系统的组成 整个钢立柱实时调垂控制系统由前述的3个子 系统组成,具体包括液压油缸、 液压泵站、 检测元件、 控制器等组成,如图4所示。构件的选择充分考虑 了经济、 可靠性以及操作的方便性,采取将控制器放 置于油缸及传感器附近并采用有线连接方式采集数 据,触摸屏和控制器之间通过总线连接,从而对控制 器进行操作并实时显示控制器所采集的数据。各构 件的主要技术参数如下: 图4 钢立柱实时调垂仪 (1)专用泵站:整个系统只选用一台泵,可以提 高系统的可靠性、 简化操作、 提高效率。油箱容量: 20 L;流量: 1182 Lm in - 1 315 bar;系统压力: 320 bar;电机功率: 115 k W。 (2)双作用液压油缸: 4个油缸为一组,安装在 接近地面的位置,用于调节钢立柱的垂直度。油缸 最大推力: 15 t;油缸行程: 200 mm;工作压力: 250 bar。 (3)比例阀:使用比例阀实现对各油缸动作的 控制,调节简单灵活、 反应灵敏。 (4)控制系统:控制系统包括主控制器一套,操 作箱一个,考虑经济实用性,均采用有线连接放置于 工件附近。 62 岩土工程界 第12卷 第8期检测与分析 (5)传感器:倾角传感器用于检测钢立柱在每 个方向上的偏移角度并传送给控制站,经处理后作 为系统的闭环控制参数,具体见前文。压力传感器 用于实时监控各油缸的压力。 (6)连接辅件:各种连接接头、 油管、 连线与压 力表等辅件。 3 工作原理与操作方法 整个系统的工作原理如图5所示,其工作流程 与操作方法具体可以概括为以下几方面: 图5 钢立柱实时调垂控制系统工作原理 (1)仪器初装:钢管柱就位后,钢管柱被置于灌 满泥浆的桩孔中,在桩孔上部套了一个钢板制成的 护筒以防止孔口塌陷,钢管柱的上端与钢护筒焊接 固定,下端悬在孔中,可以移动。在钢管柱的上部装 有4个油压千斤顶,通过连接管到控制液压系统,由 电磁阀控制对千斤顶加压或卸压,对钢管柱产生侧 面推力,从而改变钢立柱的倾斜角。两个倾角传感 器安装在被监测的钢立柱周围分角上,与调整油缸 的圆周位置对应。两个电子倾角传感器,分别反映 钢管柱横向和纵向倾斜角:纵向为Y轴、 横向为X 轴。传感器输出与倾角成正比的电压信号,通过屏 蔽电缆送到控制系统,就可以计算出倾斜角,经与基 准位置进行比较后,对千斤顶进行控制,从而改变钢 立柱的倾斜角。由于钢立柱设于泥浆之中,在传感 器外层制作了一个钢制的外壳,起到防水和防撞作 用。信号电缆采用定制的屏蔽线,外层采用加厚橡 胶防护层,以防受到工地上各种车辆、 杂物的辗压而 损坏。 (2)自检:仪器安装后进行自检,以检测传感 器、 千斤顶等各元件工作正常以及线路连接正确;如 果出现障碍,系统会有相应的报警提示。 (3)读数归零:待所有调垂仪设备安装完毕后, 根据经纬仪对钢管柱的垂直度进行调整,直到2个 经纬仪均检测其为垂直,即时将仪器归零,并以此作 为钢管柱在后续安装、 管内混凝土浇筑过程中的垂 直标定值。必须指出,实际安装过程中,钢管柱在混 凝土浇筑时受混凝土冲击压力作用经常出现倾斜, 而经纬仪无法及时观测到这一信息;但是,调垂仪却 能进行实时监测,操作人员可根据这些信息及时启 用液压系统对钢管柱进行纠偏。而上述所有操作均 要以初始零标定作为一个基础,因此,钢立柱在经纬 仪控制下调垂仪的初始归零尤为关键与重要。 (4)实时监测与调垂:调垂系统的实时监测与 调垂主要是调垂仪读数归零后在钢管柱管内混凝土 浇筑时,由于混凝土与泥浆返浆对钢管柱有一定的 冲击作用,随时会影响钢管柱的垂直度,而对钢立柱 垂直度的即时获取并纠偏。具体来讲,传感器监测 到钢管柱倾斜的实时变化通过数据线传输到PLC 的控制下的人机交互界面,在自动控制状态下程序 自行做出判断:当垂直度超过指定阈值(图5中定 为015度) ,液压系统自动启动,发出指令调整千斤 顶伸出或缩回,将钢立柱垂直度控制在阈值范围内。 在手动操作状态下,主界面会实时显示钢立柱的垂 直度,同时通过可进入各子界面查看垂直度相关详 细数据;再根据预定垂直度要求配合按钮、 手柄操作 控制设备等,调整液压系统驱动千斤顶对钢立柱纠 偏。通过实际工程的大量应用表明,当钢立柱自身 重量较小时可采用自动控制状态;但钢立柱自身重 量超过15 t时,自动调整会使得液压系统产生较大 压力,导致系统报警与仪器自我保护时的关闭状态, 因此需要有人员坚持监测仪器的读数,并进行实时 调控。 此外,整个混凝土浇筑过程中钢管柱的垂直度 变化及各种参数的日期、 时间、 桩号、 直径、 孔深、 泥 浆密度等记录下来作为质量分析依据,为质量监理 部门的监管、 评判提供原始资料。 (5)结束 当每一根钢立柱安装与混凝土浇筑 36 : 检测与分析GEO TECHN I CAL ENG I N EER I NG WO RLDVo l . 12No. 8 全部结束后,不宜立即拆除仪器,应在12小时后拆 除安装平台时一块拆除。拆除之前必须复核钢立柱 的垂直度。调垂仪应在切断电源后拆除,并及时清 洗,尤其是各线路接口部位。 4 应用与结论 本系统采用PLC与人机界面配合工作,具有人 机对话、 操作简单、 施工方便、 自动化程度高等特点, 现场操作人员只需经简单培训后即可掌握使用方 法。对钢立柱的倾角测量选用了电子倾角仪,保证 了测量的精度。对所有部件的选用均考虑了抗干扰 的性能指标,使系统在恶劣环境下工作可靠并保证 了高精度。 目前本文所设计的钢立柱实时调垂控制系统 (调垂仪)已完成了南京某工地逆作超深基坑 中136 根钢立柱安装与混凝土浇筑过程中钢立柱垂直度的 实时监测与纠偏。基坑 也已基本完成首层土方开 挖,并对开挖所暴露钢立柱的垂直度进行复测。结 果表明,所有钢立柱均满足设计所要求的1 /600的 高精度要求。这也表明,本文所设计的钢立柱实时 调垂控制系统能很好地实现对钢立柱安装与混凝土 浇筑过程中其垂直度的控制。 参考文献 1 徐至钧,赵锡宏.深基坑 支护设计理论与技术新进展逆作法设 计与施工C .北京:机械工业出版社, 2002. 2 张 锋.广州兴业大厦大直径钢管混凝土柱施工技术 J .建 筑施工, 2003, 25(1) : 2930. 3 高文光,丁学良,李洪毅.钢管混凝土柱施工 J .建筑技术, 2004,35 (2) : 107109. 4 黎海航.上海环球金融贸易中心逆作法立柱桩施工难题及对 策 J.探矿工程(岩土钻掘工程), 2007,(4): 1214. (上接第59页) (3)当浆液达到一定量后,边压浆边提升压浆 管,提升速度为1520 cmmin - 1。 (4)压浆应具备的工具有压浆机2台,旋喷器 2个,输送管2根,卷扬机2台,提升器2个,提升架 高7 m,高压喷枪2个。 (5)压浆补强后28d进行取芯检验,缺陷(断 桩)处碎石间均应充填水泥浆,岩芯成整体,强度大 于20 mPa,同时应满足设计要求。 6. 2 压浆补强结果 A5 - 10号在注浆过程中,施工技术人员在注浆的 每一个环节中严格控制,精心按以上步骤操作,经过近 3天的努力终于完成了该桩的压浆补强工作, 28d后 又经取芯检验,效果很好,碎石间均充填水泥浆,岩芯 成整体,强度为25MPa,同时应满足设计要求。 7 结语 (1)超声波检测桩身完整性方法科学,数据准 确,能够对桩身缺陷的几何范围做出定量判断,也是 桥梁工程检测首先选择的一种检测方法。 (2)在测试数据准确、 合理的情况下,基桩高应变 动力检测也是能够准确对桩身缺陷进行定量分析的。 (3)压浆技术方案具有施工方便,技术可靠,对 于灌注桩混凝土之中塌孔、 桩端沉渣等缺陷的处理 具有很好的效果,同时可在断桩范围的桩周压浆一 圈,以改善断桩处桩周地质力学性能。 参考文献 1 中国建筑科学研究院.建筑基桩检测技术规范( JG J106 - 2003) S.北京:中国建筑工业出版社, 2003. 2 陈 凡,等.基桩质量检测技术M .北京:中国建筑工业出版 社,2003. 3 何 雄.地基基础工程检测M .郑州:黄河水利出版社, 2006. 4 刘祖亭.桩基振动分析与质量检测M .江苏:东南大学出版 社,1995. 5 徐攸在,刘兴满.桩的动测新技术 M.北京:中国建筑工业出 版社,1989. 6 赵明华.桥梁桩基计算与检测M .北京:人民交通出版社,1999 . 64