CN109356589A - 一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法，包括如下步骤：（一）首层环形支护桩的施工；（二）首层桩顶冠梁安装；（三）土方分层分段开挖、面板及腰梁安装；（四）第二层环形支护桩的施工；（五）第二层冠梁及下部腰梁支撑体系安装；（六）重复步骤（三）、(四)、(五)，至设计基底标高，即完成该支护结构的施工。本发明构建的支护结构具有安全可靠、施工快捷、技术先进、开挖支护深度大、可回收重复利用、经济环保指标优越等诸多优点，为地下空间利用等项目的建造提供了安全可靠、可高效回收重复利用、经济指环保标优越的新方法，发展应用前景可观。

Description

一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计 施工方法

技术领域

本发明属于土木、水利、市政等地下基础设施的开挖支护建造领域，具体涉及一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法。

背景技术

新中国成立以来，我国土木、水利、矿山、市政等基础设施建设取得了举世瞩目的成就。在地下空间开发利用、矿产资源开采等过程中，当面临复杂的地质条件时，往往需要采取边坡支护或基坑支护措施，以保证地下工程建设过程及此期间周边环境的安全稳定。伴随着岩土工程技术、机械及土木工程材料等的发展，边坡支护及基坑支护技术得到了有效发展，相应地出现了以砂石、水泥、钢筋、混凝土等传统建筑材料为结构主体的土钉墙、复合土钉墙、地下连续墙、排桩支护、桩锚支护等支护结构体系。与此同时，为控制地下水对支护结构及地下工程施工的影响，还需在支护体系中考虑设置止水帷幕或者辅以降水措施。特别是在地下水位较高、侧壁土层较软易扰动的情况下，基坑支护必须考虑采取降水或止水等地下水处理措施。相比而言，采取止水方式，更能保证周边建筑物、构筑物及地下管线的安全，更多情况下是侧壁土体的蠕变诱发了周边地表裂缝及建筑物的不均匀沉降等事故。理论上讲，采取足够的安全措施，可保证任何需求状态下的边坡或基坑安全。但从基坑支护的本质来看，其作为保护地下主体结构施工和周边环境的安全，而采取的临时性支挡、加固、保护与地下水控制的措施，且基坑越深、周边环境越复杂，基坑工程的造价也就越高，更重要的一点是，基坑的使用寿命一般不超过2年，在地下主体结构施工完毕后即被废弃或者拆除，由此可见，与主体工程相比，基坑工程的造价就非常昂贵了。即使现阶段少数基坑采用了支护结构与地下主体结构一体化的设计，在此情况下，后续基础工程的施工效率降低、人工成本剧增及后续施工缝渗漏的潜在风险也是非常高，并且受施工工艺及混凝土浇筑导致的后续地下连续墙体薄弱部位、垂直度偏差的处理也是十分困难的。

SMW工法作为地下连续墙形式中的一种，以水泥为成墙主要材料，使用完毕后，也仅可对其中后***的型钢进行回收，回收率低，且必须配合内支撑、锚索使用。内支撑、锚索的拆除，造价非常高，且对后续地下结构工程的施工带来非常大的不利影响。此外，钢筋混凝土地下连续墙作为最常见的形式，不仅造价高，且基本上不具有任何回收价值。

在当前普遍采用的建筑材料中，钢材的加工性能较好，力学性能优越，在土木工程中得到了广泛的应用。与此同时，高聚物注浆技术是20世纪70年代发展起来的地基基础快速加固技术。该技术通过向地基中注入高聚物材料，利用高聚物材料发生化学反应后的体积迅速膨胀并固化的特性，达到加固地基、填充脱空或提升结构沉降区的目的。本专利基于钢材的力学及可加工特性与高聚物注浆技术的特性研究，在本团队前期的研究基础上，包括已经申请的编号为201310123667.6、201610078440.8和201610077784.7专利的基础上，并充分利用钢质支护结构无瑕疵，回收效率高等特点，发明了一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法，为土木、水利、市政等行业的地下空间开发利用提供了全新的建造技术，主要部件采用工厂预制加工，既具有回收价值高、可重复利用也可避免遗弃支护结构、地下结构拆除困难等特点。目前国内还未见关于一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的相关报道。

发明内容

本发明针对基坑、边坡、地铁站口、市政管道等项目开挖支护的发展需求和目前支护技术存在的不足，发明了一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法。本发明是从基坑工程的本质出发，首次提出柔性复合的设计理念，并在基坑支护结构体系中引入机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，并基于土压力理论研发而来的。根据相关资料完成设计工作后，工厂预制加工好相应的支护桩、冠梁、腰梁等部件，再结合高聚物注浆技术进行现场支护结构的装配施工，在基坑回填后，拆除回收柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构，可重复利用及标准化设计施工；在施工工艺上，通过独立设计的平面定位矫正平台，该平面定位矫正平台根据支护桩的截面形状进行设计，刚好满足后者从其中传入，且自身具有自我调平功能，借助平面定位矫正平台事先设定的中心分别与支护桩的中心重合，能高精确的实现支护桩的施工需要，并将柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的定位精度提高并控制在毫米级别，同时充分发挥钢材优异的力学及加工性能、高聚物材料的快速膨胀、防渗特性及精确的施工安装工艺，实现本发明的设计目的。利用该发明可快速对基坑、边坡、地铁站口、市政管道沟槽等项目进行开挖支护，提供的开挖支护深度更大，使用完毕后，通过对支护结构的高效率回收，可大大的降低基坑支护成本，真正意义上实现并完成了基坑工程作为一个临时安全措施的使命，为基坑、边坡、地铁站口、市政管道等项目的开挖支护提供了技术先进、安全可靠、经济指标优越的新方法。

本发明采取的技术方案为：

一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法，施工过程具体包括如下步骤：

（一）首层环形支护桩的施工，具体步骤如下：

(1)首层环形支护桩加工：根据设计计算结果，采用钢材按一定的尺寸在工厂预制加工好装配式支护桩，所述支护桩为圆截面桩或矩形截面桩，在所述支护桩的顶部、桩身对应位置进行支撑体系安装固定孔、后期回收用的吊装孔的加工，并穿入回收钢缆；

(2)支护桩成孔施工：在指定地面位置，利用钻机械进行支护桩的桩孔施工，施工过程中严格控制好成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直精度；

(3)植入支护桩：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的所述支护桩植入确定的桩孔位置，满足设计的定位精度要求；

(4)支护桩孔回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证所述支护桩周边土体的稳定，回填材料为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）首层桩顶冠梁安装，具体步骤如下：

(1)桩顶冠梁的加工：根据结构设计结果，精确加工桩顶冠梁及冠梁安装孔的打孔处理，采用机械拉弯加工工艺，以方便冠梁与支护桩的螺栓连接；

(2)桩顶冠梁的拼接安装：首层环形支护桩施工完毕后，基坑开挖前，首先采用水准仪对桩顶冠梁的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用高强螺栓对冠梁与支护桩顶部进行固定连接；

（三）土方分层分段开挖、进行面板及腰梁安装，具体施工步骤如下：

(1)分层分段开挖基坑内部土方，每层开挖深度控制在1m左右，采用人工方法进行清理支护结构侧墙附近的土体；

(2)在清理后的支护桩表面安装钢面板，在板后注入快速凝结硬化高聚物材料，形成一定强度的薄层高聚物面层结构；

(3)根据计算结果，在对应部位安装腰梁，将腰梁与支护桩采用螺栓连接；

（四）第二层环形支护桩的施工，基坑开挖至设定位置施工第二层环形支护桩，与首层支护桩保持径向一致；

（五）第二层冠梁及下部腰梁支撑体系安装，具体施工工艺与首层冠梁、腰梁的施工方法类似，均采用螺栓连接；

（六）重复步骤（三）、(四)、(五)，至设计基底标高，即完成柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的施工。

在所述支护结构完成使用功能后，随着基坑回填便可有步骤的进行回收工作，具体回收步骤如下：

（1）随回填工作的进展，首先回收下层环形基坑的钢面板、腰梁及冠梁；

（2）回填至下层环形基坑顶标高，开始回收下层支护桩，桩孔回填；

（3）回填工作与钢面板、腰梁、冠梁及支护桩的回收工作依次交替进行；

（4）进行首层环形支护桩顶冠梁拆除回收；

（5）采用吊车配合液压千斤顶进行首层支护桩的拔出回收，回填桩孔。

与现行的支护技术及地下空间建造技术相比，本发明具有以下优点：

(1)本专利技术提出的新型支护结构的使用功能很好的体现了基坑工程的本质特点：安全可靠、技术先进、经济指标优越。基坑工程作为保证地下主体结构施工的而采取的临时安全措施，安全可靠是首要因素，技术先进、经济指标优越是区分与评价支护结构优劣的可靠标准，不仅如此，与传统支护结构相比，本专利支护结构提供的开挖支护深度更大。

(2)材料特性发挥完美，充分将钢材的力学、加工性能及支护桩、冠梁、腰梁等部件无瑕疵、高聚物材料的快速膨胀、防渗性能结合起来，充分利用圆形结构受压承载力高的特点，结构传力受力方式明确、结构安全可靠。有效的克服了传统施工工艺带来的结构局部强度弱化的缺陷。

(3) 支护桩、冠梁、腰梁等部件采用机械精确加工，进行标准化生产。本专利技术提出的基坑支护结构体系中的相关部件均采用标准化的生产工艺进行机械精确加工，同时通过施工环节对工艺的精确控制，将安装精度控制在毫米级，便于安装的同时，也便于回收重复利用，因而对于一类问题，也就实现了标准化的设计与施工。

(4)施工快捷，不需养生。支护桩、冠梁、腰梁等部件已工厂化生产，在现场按施工顺序连续作业，施工快捷，不需养生。高聚物材料在反应后15分钟内即形成90%左右的强度、韧性及抗渗性能，与传统的支护结构体系相比，可节省50%以上的施工工期。

(5)本专利提供同一套的支护结构可满足在一定深度范围内、周边环境各异的基坑支护设计与施工任务。

(6)综合经济环保效益更具优势。与传统支护技术相比，一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的最大特点是施工期间，可减少泥浆、粉尘、砼等对环境的污染，基坑使用阶段安全可靠，同时后续回收价值高，且可重复使用，适用范围更广。

因此，本发明研发的一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法，在基坑、边坡、地铁站口、市政管道开挖等项目的施工过程中具有明显优势。与现行的支护技术相比，柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法又是一整套全新的技术，主要表现在：

(1)全新的支护结构设计理念：在基坑支护结构中，从基坑工程的本质出发，首次提出柔性复合的设计理念，并在基坑支护结构体系中引入机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，改变了过去每一个项目的支护结构独立设计并在发挥完使用功能即被遗弃的局面。本支护结构采用了标准化的设计与施工，对同一类问题，可以采用一种解决模式，简化了设计与施工过程，在发挥完使用功能后，可实现支护结构的高效回收和重复利用，真正体现出基坑工程作为临时安全措施的本质特点。

(2)柔性复合的阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构体系受力分工明确：高聚物材料的韧性很好的发挥了“柔”的作用，填充且弥合了支护结构侧墙与侧壁土体之间的刚度差异，缓和支护结构侧墙与侧壁土体的应力突变，并同时起到接缝部位的防渗和控制土体的侧向蠕变作用；土压力由支护桩、冠梁、腰梁等共同组成的阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构发挥“刚”的作用，有别与传统的圆形支护结构的受力特征，台阶交接部位的环形刚度更大，限制基坑变形的能力也更强，受力结构也更加合理，此外，支护结构部件可根据基坑工程安全需要合理预制加工，使得材料力学特性发挥充分。承担土压力的构件本身具备材质均匀，各向同性，力学指标明确，结构计算更合理可靠。

(3)施工标准化程度高：柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构体系中的支护桩、冠梁、腰梁等可实现机械化精确加工，现场通过独立设计的平面定位矫正平台，将支护结构中最关键的支护桩的定位精度提高到毫米级别，便于后续各项工作的标准化快速安装，也便于后期回收和结构的重复使用。

(4)边坡侧壁防渗效果明显，针对性强。在基坑土方开挖过程中，通过开挖过程的直接揭露，利用高聚物材料在侧壁土体和结构体系之间的快速膨胀，形成具有韧性及防渗滞水功能的高聚物薄层结构，同时利用高聚物材料在快速膨胀过程中对侧壁土体的软弱部位进行补强，使得结构周围土体结合相对紧密，不存在明显的薄弱环节。

(5)结构回收率高、重复利用率高：柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构体系的绝大部分构件均为标准化生产的钢构件，不仅回收率高，而且回收价值高；同时，回收后的支护构件也能为后续同一类设计模式下的支护项目的多次周转使用。

综上所述，本发明无论从支护结构的设计理念、受力机理、标准化施工、侧壁防渗处理效果还是结构体系的回收重复利用价值等方面都和现行的支护技术具有明显的不同，具有安全可靠、施工快捷、技术先进、可回收重复利用、经济指标优越等优点，并成功应用于基坑支护工程，发展应用前景可观。

附图说明

图1为柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构剖面图；

图2为柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构支护桩布置及腰梁的构造图；

图3为柔性复合阶梯状深圆竖井阶梯面构造大样图。

附图中所示：

1-支护桩，2-回收钢缆，3-桩孔，4-回填材料，5-桩顶冠梁，6-螺栓，7-面板，8-腰梁，9-高聚物材料，10-第二层环形支护桩，11-第二层冠梁，12-下部腰梁，13-基底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法，其特征在于，在支护结构设计中，首次提出柔性复合的设计理念，从基坑工程的本质出发，运用机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，根据相关资料完成设计工作后，工厂预制加工好相应的支护部件，再结合高聚物注浆技术进行现场支护结构的装配施工；在基坑回填后，拆除回收支护结构，可重复利用及标准化设计施工。

施工过程具体包括如下步骤：

（一）首层环形支护桩的施工，其具体步骤如下：

(1)首层环形支护桩1加工：根据设计计算结果，采用钢材按一定的尺寸在工厂预制加工好装配式支护桩1，支护桩可以为圆截面桩，也可为矩形截面桩，在支护桩的顶部、桩身对应位置进行支撑体系安装固定孔、后期回收用的吊装孔加工，并在吊装孔内穿入回收钢缆2；

(2)支护桩成孔施工：在指定地面位置，利用钻机械进行支护桩的桩孔3施工，施工过程中严格控制好成孔精度，包括平面定位精度和桩孔3垂直精度；

(3)植入支护桩1：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的支护桩1植入确定的桩孔3位置，满足设计的定位精度要求；

(4)支护桩孔3回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证支护桩1周边土体的稳定，回填材料4为低标号混凝土、砂石及发泡型聚氨酯、非水反应聚氨酯等高分子材料；

（二）首层桩顶冠梁安装的具体步骤如下：

(1)桩顶冠梁5的加工：根据结构设计结果，精确加工桩顶冠梁5及冠梁安装孔的打孔处理，采用机械拉弯加工工艺，以方便冠梁5与支护桩1的螺栓6连接；

(2)桩顶冠梁5的拼接安装：首层环形支护桩1施工完毕后，基坑开挖前，首先采用水准仪对桩顶冠梁5的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用高强螺栓6对冠梁5与支护桩1顶部进行固定连接；桩顶冠梁5实施后的效果如附图2左下部分所示；

（三）土方分层分段开挖、面板7及腰梁8安装，其具体施工步骤如下：

(1)分层分段开挖基坑内部土方，每层开挖深度控制在1m左右，采用人工方法进行清理支护结构侧墙附近的土体；

(2)在清理后的支护桩1表面安装钢面板7及板后注入快速凝结硬化高聚物材料9，形成一定强度的薄层高聚物面层结构，如附图3上半部分所示；

(3)根据计算结果，在对应部位安装腰梁8，腰梁8与支护桩1采用螺栓6连接；

（四）第二层环形支护桩10的施工，基坑开挖至设定位置施工第二层环形支护桩，与首层的支护桩1保持径向一致；实施后的支护桩平面布置如附图2的左上角、右下角所示；

（五）第二层冠梁11及下部腰梁12支撑体系安装，具体施工工艺与首层冠梁5、腰梁8的施工方法类似，均采用螺栓6连接；为保证台阶部位支护结构的整体发挥作用，台阶部位第二层环形支护桩10的冠梁与首层环形支护桩1的构造连接如附图2左上角所示；台阶部位注入高聚物材料9后的平剖效果如附图3所示；

（六）重复步骤（三）、(四)、(五)，至设计基底13标高，即完成柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的施工；

（七）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填便可有步骤的进行回收工作，具体回收步骤如下：

（1）随回填工作的进展，首先回收下层环形基坑的钢面板7、腰梁8及冠梁5；

（2）回填至下层环形基坑桩顶标高，开始回收下层支护桩10，桩孔3回填；

（3）回填工作与钢面板7、腰梁8、冠梁5及支护桩的回收工作依次交替进行；

（4）首层环形支护桩顶冠梁5拆除回收；

（5）吊车配合液压千斤顶对首层支护桩的拔出回收，桩孔3回填。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本专利的保护范围之中。

Claims (2)

1.一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法，其特征在于，施工过程具体包括如下步骤：

（一）首层环形支护桩的施工，具体步骤如下：

(1)首层环形支护桩加工：根据设计计算结果，采用钢材按一定的尺寸在工厂预制加工好装配式支护桩，所述支护桩为圆截面桩或矩形截面桩，在所述支护桩的顶部、桩身对应位置进行支撑体系安装固定孔、后期回收用的吊装孔的加工，并穿入回收钢缆；

(2)支护桩成孔施工：在指定地面位置，利用钻机械进行支护桩的桩孔施工，施工过程中严格控制好成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直精度；

(3)植入支护桩：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的所述支护桩植入确定的桩孔位置，满足设计的定位精度要求；

(4)支护桩孔回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证所述支护桩周边土体的稳定，回填材料为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）首层桩顶冠梁安装，具体步骤如下：

(1)桩顶冠梁的加工：根据结构设计结果，精确加工桩顶冠梁及冠梁安装孔的打孔处理，采用机械拉弯加工工艺，以方便冠梁与支护桩的螺栓连接；

(2)桩顶冠梁的拼接安装：首层环形支护桩施工完毕后，基坑开挖前，首先采用水准仪对桩顶冠梁的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用高强螺栓对冠梁与支护桩顶部进行固定连接；

（三）土方分层分段开挖、进行面板及腰梁安装，具体施工步骤如下：

(1)分层分段开挖基坑内部土方，每层开挖深度控制在1m左右，采用人工方法进行清理支护结构侧墙附近的土体；

(2)在清理后的支护桩表面安装钢面板，在板后注入快速凝结硬化高聚物材料，形成一定强度的薄层高聚物面层结构；

(3)根据计算结果，在对应部位安装腰梁，将腰梁与支护桩采用螺栓连接；

（四）第二层环形支护桩的施工，基坑开挖至设定位置施工第二层环形支护桩，与首层支护桩保持径向一致；

（五）第二层冠梁及下部腰梁支撑体系安装，具体施工工艺与首层冠梁、腰梁的施工方法类似，均采用螺栓连接；

（六）重复步骤（三）、(四)、(五)，至设计基底标高，即完成柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的施工。

2.如权利要求1所示的一种柔性复合阶梯状深圆竖井装配式可回收支护结构的设计施工方法，其特征在于，

在所述支护结构完成使用功能后，随着基坑回填便可有步骤的进行回收工作，具体回收步骤如下：

（1）随回填工作的进展，首先回收下层环形基坑的钢面板、腰梁及冠梁；

（2）回填至下层环形基坑顶标高，开始回收下层支护桩，桩孔回填；

（3）回填工作与钢面板、腰梁、冠梁及支护桩的回收工作依次交替进行；

（4）进行首层环形支护桩顶冠梁拆除回收；

（5）采用吊车配合液压千斤顶进行首层支护桩的拔出回收，回填桩孔。