CN110820783A - 一种软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间*** - Google Patents
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Abstract
本发明属于建筑地下空间技术领域，具体提供了一种软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，可应用于大型建筑地下室、市政基础工程、地下车站等，包括沉井结构，沉井结构包括多个水平布置的分块地下结构，相邻两个分块地下结构之间通过后浇带密封连接；各分块地下结构的底端设有进出水平衡模块，进出水平衡模块用于高压水将沉井结构下方的土地稀释得到泥水化土液后一并抽出。对每个分块进行泥水平衡沉井法施工，利用泥水平衡法将每段沉井节进行下沉。在下沉过程中可以随时调整沉井的下沉速度并实现非开挖式自动化施工。具有对环境影响小、施工快速、施工安全性高的特点，经济性上也有一定的优势。
Description
技术领域
本发明属于市政基坑工程技术领域，具体涉及一种软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***。
背景技术
在软土地区城市地下空间建设时，一般采用明(盖)挖法顺作法、明(盖)挖逆作法进行施工。对于明挖顺做法需要在地下空间基坑内施工内支撑，在基坑开挖到底后再从下至上浇筑各层板、墙等结构。对于明挖逆作法需要从上至下边开挖土体边施工各层板墙等结构。这两种施工方法均需要在地下空间周边施工围护结构，且需要进行大面积的人工挖土，施工的自动化程度不高。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中城市地下空间建设过程中快速、自动化施工问题。
为此，本发明提供了一种软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，包括沉井结构，还包括锁定装置，所述锁定装置包括起吊臂，所述起吊臂与所述沉井结构可拆卸连接；
所述沉井结构包括多个水平布置的分块地下结构，相邻两个所述分块地下结构之间通过后浇带密封连接；
各所述分块地下结构的底端设有进出水平衡模块，所述进出水平衡模块用于高压水将所述沉井结构下方的土地稀释得到泥水化土液后一并抽出。
优选地，所述进出水平衡模块包括第一压力源及第二压力源，所述分块地下结构内设有上下贯通的多个彼此独立进液通道和出液通道，所述进液通道与所述第一压力源连通，所述出液通道与所述第二压力源连通。
优选地，将地下空间结合主体结构后浇带和/或抗震缝位置分割为若干个小块，每个小块的区间大小即为所述分块地下结构的空间大小。
优选地，所述起吊机构包括钢绞线、反力支架、定向滑及卷扬机，所述反力支架固定在所述沉井结构的两侧，所述反力支架上设有定向滑轮，所述钢绞线一端与所述卷扬机连接，另一端绕过所述定向滑轮后与所述沉井结构可拆卸连接。
优选地，所述起吊机构还包括自动卡死单元，所述卷扬机的旋转轴上设有角速度传感器，所述角速度传感器与所述自动卡死单元连接。
优选地，所述分块地下结构包括至少一个竖直布置的沉井节，所述沉井节包括由下至上依次密封衔接的刃脚节、底板节、中板节和顶板节，所述刃脚节的底端、底板节的底端、中板节的底端和顶板节底端过进出水平衡模块连通。
优选地，水平方向相邻两个所述分块地下结构的侧面设有封堵钢板。
优选地，所述分块地下结构的底端设有配重块。
本发明的有益效果：本发明提供的这种软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，包括沉井结构及锁定装置，锁定装置包括起吊臂，起吊臂与沉井结构可拆卸连接，沉井结构包括多个水平布置的分块地下结构，相邻两个分块地下结构之间通过后浇带密封连接；各分块地下结构的底端设有进出水平衡模块，进出水平衡模块用于高压水将沉井结构下方的土地稀释得到泥水化土液后一并抽出。通过结合地下空间本身的结构后浇带设置位置将大型地下空间分仓为多个小型的分块，对每个分块进行泥水平衡沉井法施工，利用泥水平衡***将每段沉井节进行下沉。在下沉过程中可以随时调整沉井的下沉速度并实现非开挖式自动化施工。该方案不需要对地下空间范围内基坑进行基坑支护结构施工，在现场地面以上现浇完地下空间各层主体结构后，通过逐节下沉，采用支护结构一体化、水土平衡原理和自动化控制下进行施工，即可完成地下空间主体结构施工。具有对环境影响小、施工快速、施工安全性高的特点，经济性上也有一定的优势。
以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。
附图说明
图1是本发明软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***整体结构俯视示意图；
图2是本发明软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***的主视示意图。
附图标记说明：第一分块地下结构100，第二分块地下结构200，第三分块地下结构300，第四分块地下结构400，第五分块地下结构500，第六分块地下结构600，刃脚节1，底板节2，中板节3，顶板4，进液通道5，出液通道6，配重块7，钢绞线8，反力支架9，定向滑轮10，卷扬机11。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征；在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
本发明实施例提供了一种软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，包括沉井结构，所述沉井结构包括多个水平布置的分块地下结构，相邻两个所述分块地下结构之间通过后浇带密封连接；各所述分块地下结构的底端设有进出水平衡模块，所述进出水平衡模块用于将所述沉井结构下方的土地稀释并排出。
由此可知，如图1和图2所示，在一个具体的实施场景中，将沉井结构划分为两个分块，分别为第一分块地下结构100、第二分块地下结构200、第三分块地下结构300、第四分块地下结构400、第五分块地下结构500及第六分块地下结构600。施工过程中，依次下沉第一分块地下结构100、第二分块地下结构200、第三分块地下结构300及第四分块地下结构400，每下沉一个分块，就将相邻两个分块的侧面通过后浇带进行密封。其中，每个分块都设有进出水平衡模块，进出水平衡模块采用的是泥水平衡自动控制法。具体地，在单个分块下沉时，开启该分块内的进出水平衡模块，通过检测下沉速度、下沉倾斜率等参数，来控制进水压力、进水流量、出水压力以及出水流量，从而实现整个分块按照预设的速率平稳下沉。在下沉的过程中，实时通过起吊臂提供向上的反作用力，将沉井结构悬吊，防止下沉速度过快。
具体地施工步骤为：先将整个需要施工的地下空间***进行区域划分，然后对已经划分好区域的其中一个靠边沿的一个小区域进行施工，在该小区域的两边架设吊装装置，然后将预制好的沉井结构在吊装装置的拉力作用下，同时进出水模块将将沉井结构下方的土地软化并抽空，如此实现沉井结构的缓慢下沉。当施工完一个沉井结构后，然后在侧壁现浇或连接后浇带密封结构，这样便可以以该后浇带密封结构为支撑基础，再施工旁边的另一个小区域的沉井结构，依次类推。
其中，泥水平衡自动控制法采用现有技术，例如方法之一为：包括侧壁摩阻力监控模块、位移监控模块、泥液控制模块、底板反力监测模块及自动控制模块，侧壁摩阻力监控模块用于监测沉井结构下沉过程中侧壁受到的摩阻力f；位移监控模块用于监测沉井结构下沉过程中的标高S；泥液控制模块用于控制沉井结构下沉过程中的下方进液量V1、进液压力N1、出液量V2及出液压力N2；底板反力监测模块用于实时监测沉井结构的底板下方压力P；自动控制模块用于根据摩阻力f、标高S及压力P实时调节泥液控制模块的进液量V1、进液压力N1、出液量V2以及出液压力N2以控制所述沉井结构按照预设速度平稳下沉。
具体控制方法步骤如下：
S01：实时获取分块地下结构下沉过程中的反力F、摩阻力f、标高S及底板下方压力P；
S02：根据公式(1)计算下沉系数Kst，若Kst大于1.1，则说明分块地下结构下降过快，若Kst小于1.05，则说明分块地下结构下降过慢，此时通过调节进出液量以调节下降速率；
Kst＝(F+G)/(f+P) (1)
其中，G为所述分块地下结构的自重；
S03：根据公式(2)计算下沉倾斜率，并相应改变所述分块地下结构对应位置处的进出液量以调节下沉平稳度；
I＝(S-S’)/B (2)
其中，S为分块地下结构一侧的标高，S’为分块地下结构另一侧的标高，B为分块地下结构一侧与另一侧的水平距离。
优选的方案，所述进出水平衡模块包括第一压力源及第二压力源，所述分块地下结构内设有上下贯通的多个彼此独立的液流通道，所述液流通道包括进液通道5和出液通道6，所述进液通道5与所述第一压力源连通，所述出液通道6与所述第二压力源连通，所述进液通道5和出液通道6均设有与所述分块地下结构下方的软泥土连通的通道。
如图1和图2所示，在分块地下结构下沉过程中，靠第一压力源输送高压液流至进液通道5，然后通过进液通道5的位于分块地下结构下方的各个支管将高压液流射向分块地下结构下方的软泥土，软泥土稀释，然后通过第二压力源的负压作用，使得稀释后的软泥土通过出液通道6的通道排出。如此便可将分块地下结构下方的软泥土先稀释后抽出，让分块地下结构在自重或液流压力大小控制下缓慢下沉至指定位置。其中，各个支管覆盖整个分块地下结构的下方，在下沉过程中，通过控制压力源的压力大小以调节支管的液流出射压力大小，并配合出液通道的吸力强度，从而便可控制整个沉井结构下沉的速度。
优选的方案，所述分块地下结构包括至少一个竖直布置的沉井节，所述沉井节包括由下至上依次密封衔接的刃脚节1、底板节2、中板节3和顶板节4，所述刃脚节1的底端、底板节2的底端、中板节3的底端和顶板节4底端过进出水平衡模块连通。
由此可知，如图2所示，每一个分仓的分块地下空间均包含刃脚节1、底板节2、中板节3、顶板节4。每一节(1～4)均包含相应的结构板、墙、梁柱等。本发明中示意的为三层地下空间，如果为其他层数时，则可以相应的增加或减少中板节3。水平方向，各分块的长度、宽度仅为示意，具体可以结合每个地下空间本身的后浇带、加强带等进行划分，可以通过该本身的后浇带、加强带作为支撑基础进行每个区域的吊装结构提供支撑，然后分别依次沉降区域对应的沉井结构。
优选的方案，水平方向相邻两个所述分块地下结构的侧面设有封堵钢板。如图1所示，在施工过程中，先下沉先行下沉段第一分块地下结构100，后下沉后续第二分块地下结构200，其他的分块依次类推先后下沉即可。在每个分块的连接侧都密封设有封堵钢板，下沉完毕后将抵接处的四周进行密封即可，缝隙处的密封可以通过后浇带进行密封封堵。施工完毕后，再割除封堵钢板，将各个分块连通。
优选的方案，所述分块地下结构的底端设有配重块7。由此可知，通过设定配重块7的大小，在下沉地下结构分块时，将配重块防止在分块的底端，加速分块地下结构的下沉速率。
具体地，在各个沉井节下沉过程中根据不同的地层调整泥液控制模块中的进液压力N1和出液压力N2，同时将位移监测模块中的各项位移指标和底板反力监测模块中的反力监测指标反馈至自动控制模块中。根据自动控制模块的判定，对沉井节各个模块的工作状态进行调整，如调整配重块数量、进出液压力等。在各项指标均满足判定要求的前提下，将沉井节下沉至控制标高，完成沉井结构的施工。
综上所述，在一个具体的实施方案中，与传统沉井法施工不同的是，采用分仓式泥水平衡法施工的沉井地下空间建设技术，是将大的地下空间结合主体结构后浇带、抗震缝等位置分割为若干个小块。每个分块地下结构均有刃脚节1、底板节2、中板节3和顶板节4组成为合围的沉井结构。每一节沉井均由相应的板、墙、梁柱等组成。在刃脚节底板下预埋管道分别独立与进液通道5和出液通道6连通。在每一节沉井下沉过程中，将进液通道5和出液通道6分别连接正压源和负压源，进液通道5在一定压力下将高压水压入管道后喷射至底板下方的泥土中，使底板下的土层泥水化，再利用出液通道6将底板下的泥水化的土体全部抽排，进而实现各个沉井节的下沉。在下沉出现困难时，还可以根据下沉的重力需求设置相应的配重块7以加快下沉。锁定装置由沉井壁结构上预埋的钢绞线8、反力支架9、定向滑10、卷扬机11组成。锁定装置的工作原理为将将卷扬机11开启后，拉动钢绞线8，通过定向滑轮10对每个沉井节提供向上的拉力，由反力支架9提供支点进行竖向力的平衡。在需要进行沉井进行锁定时，启动锁定装置，也可以在施工开始就启动锁定装置，设定一个最高限速值。通过角速度传感器实时监测卷扬机的旋转速度，如此便可得知沉井结构的下沉速度，当下沉速度超过卷扬机11的限制速度时，卷扬机11会自动卡住停止运作，达到锁定的目的。也可以通过手动锁定。卷扬机的自动卡死锁定原理为现有技术，如电梯的自锁结构等，在此不再赘述。
本方案为“国家重点研发计划资助(2018YFC0808702)”，英文标注：“National KeyR&D Program of China(2018YFC0808702)”。
本发明的有益效果：本发明提供的这种软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，包括沉井结构及锁定装置，锁定装置包括起吊臂，起吊臂与沉井结构可拆卸连接，沉井结构包括多个水平布置的分块地下结构，相邻两个分块地下结构之间通过后浇带密封连接；各分块地下结构的底端设有进出水平衡模块，进出水平衡模块用于高压水将沉井结构下方的土地稀释得到泥水化土液后一并抽出。通过结合地下空间本身的结构后浇带设置位置将大型地下空间分仓为多个小型的分块，对每个分块进行泥水平衡沉井法施工，利用泥水平衡***将每段沉井节进行下沉。在下沉过程中可以随时调整沉井的下沉速度并实现非开挖式自动化施工。该方案不需要对地下空间范围内基坑进行基坑支护结构施工，在现场地面以上现浇完地下空间各层主体结构后，通过逐节下沉，采用支护结构一体化、水土平衡原理和自动化控制下进行施工，即可完成地下空间主体结构施工。具有对环境影响小、施工快速、施工安全性高的特点，经济性上也有一定的优势。
以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，包括沉井结构，其特征在于：还包括锁定装置，所述锁定装置包括起吊臂，所述起吊臂与所述沉井结构可拆卸连接；
所述沉井结构包括多个水平布置的分块地下结构，相邻两个所述分块地下结构之间通过后浇带密封连接；
各所述分块地下结构的底端设有进出水平衡模块，所述进出水平衡模块用于高压水将所述沉井结构下方的土地稀释得到泥水化土液后一并抽出。
2.根据权利要求1所述的软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，其特征在于：所述进出水平衡模块包括第一压力源及第二压力源，所述分块地下结构内设有上下贯通的多个彼此独立进液通道和出液通道，所述进液通道与所述第一压力源连通，所述出液通道与所述第二压力源连通。
3.根据权利要求1所述的软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，其特征在于：将地下空间结合主体结构后浇带和/或抗震缝位置分割为若干个小块，每个小块的区间大小即为所述分块地下结构的空间大小。
4.根据权利要求1所述的软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，其特征在于：所述起吊机构包括钢绞线、反力支架、定向滑及卷扬机，所述反力支架固定在所述沉井结构的两侧，所述反力支架上设有定向滑轮，所述钢绞线一端与所述卷扬机连接，另一端绕过所述定向滑轮后与所述沉井结构可拆卸连接。
5.根据权利要求1所述的软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，其特征在于：所述起吊机构还包括自动卡死单元，所述卷扬机的旋转轴上设有角速度传感器，所述角速度传感器与所述自动卡死单元连接。
6.根据权利要求1所述的软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，其特征在于：所述分块地下结构包括至少一个竖直布置的沉井节，所述沉井节包括由下至上依次密封衔接的刃脚节、底板节、中板节和顶板节，所述刃脚节的底端、底板节的底端、中板节的底端和顶板节底端过进出水平衡模块连通。
7.根据权利要求1所述的软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，其特征在于：水平方向相邻两个所述分块地下结构的侧面设有封堵钢板。
8.根据权利要求1所述的软土地区分仓式泥水平衡沉井地下空间***，其特征在于：所述分块地下结构的底端设有配重块。
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