CN101851931B - 一种具有二次支护装置的沉井及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有二次支护装置的沉井，沉井结构本体，导向梁和钢板桩；所述导向梁水平预置在所述沉井结构本体内部的底层，并与所述沉井结构本体的井壁内壁面保持一定距离；多根所述钢板桩抵靠在所述导向梁上与所述井壁内壁面相对的外侧面上，并向下纵向插入到土层中。由于本发明利用钢板桩，形成挡土墙，防止了井内涌土现象，进而防止了井外土层塌陷现象；此外，本发明还公开了一种针对具有二次支护装置的沉井的施工方法。

Description

一种具有二次支护装置的沉井及其施工方法

技术领域

本发明涉及沉井及其施工方法，尤其是用于解决井内涌土井外塌陷的具有二次支护装置的沉井及其施工方法。

背景技术

沉井作为地下空间构筑物或高层建筑深基础或深基坑支护施工的一种结构，有其独特的工程应用条件范围。比如，一般在较好的硬土地质条件下，可不采用沉井技术，而采用其它基坑施工技术方法则更为便捷经济。然而在软土地区，由于地质疏松，地下水位较高，稳定性差，因此采用一般的非沉井技术的基坑支护结构则将导致高昂的支护费用，同时导致施工的工期变长，施工的风险也较大。

在有支护结构的基坑施工技术方案中，沉井方案有其独特的应用对象及条件。目前基坑施工总量之中采用沉井方案的比例极少，追根溯源，其根本的原因之一便是：沉井下沉作业时，随着井内挖土深度的逐渐加深，井壁刃脚内外的土体压力差逐渐加大，井外土体的自重应力迫使井外深部土体绕过井壁刃脚底部向井内滑移，使得井内土体的被动土压力逐渐加大，一旦超过静力极限平衡状态，则产生连续的塑性变形，便发生井内被动区土体大量变形和隆起，井外主动区土体大量下沉和塌陷，从而诱发灾难性的环境事故。

如图1所示，为传统沉井的井内涌土井外塌陷现象的立面示意图。位于沉井外壁41’一侧为井外地面1’和被井外壁面41’挡在沉井外的土层3’，井内底面2’位于沉井内壁42’一侧，随着井内挖土深度的逐渐加深，当超过静力极限平衡状态时，井外地面1’向下塌陷，沉井外的土层3’向下滑动，并绕过井壁刃脚底部43’涌入井内，使井内底面2’隆起。参见图1，虚线51’表示井外地面的塌陷现象，虚线52’为土层的滑动面，虚线53’为表示井内底面的隆起现象，实心箭头表示土涌入井内的运动方向轨迹，空心箭头表示沉井内部结构对井壁的支撑力方向。由于这种井内涌土现象会在短时间内发生且迅速造成井外地面的大面积塌陷，从而造成严重的人员伤亡和工程及环境事故。

传统的沉井施工中为了防止井内涌土井外塌陷现象，有预先在沉井外围形成由钢板桩、钢筋混凝土桩墙、或水泥土搅拌桩形成的围堰或帷幕等土体加固方案。这些方案由于在沉井外预先独立形成的围堰或帷幕墙，施工深度较深，工程造价高，工期长，并且挡土的深度有限。

发明内容

为了更有效的解决克服井内涌土井外塌陷的现象，本发明的技术方案是提供一种具有二次支护装置的沉井及其施工方法，有效地解决了井内涌土井外塌陷的现象，并且节约了工程成本，缩减了工期，施工难度较小，可操作性较强。

为解决上述技术问题，本发明提供的一种具有二次支护装置的沉井构造，包括：

沉井结构本体，导向梁和钢板桩；

所述导向梁水平预置在所述沉井结构本体内部的底层，并与所述沉井结构本体的井壁内壁面保持一定距离，所述底层包括多个水平框架，所述导向梁设置在多个所述水平框架中；

多根所述钢板桩抵靠在所述导向梁上与所述井壁内壁面相对的外侧面上，并向下纵向插入到土层中。

本发明还提供一种具有二次支护装置的沉井的施工方法，其包括如下步骤：

a、在地面打入基桩，在所述基桩顶部安放千斤顶，在所述千斤顶上制作沉井结构本体，在所述沉井结构本体内部的底层水平预置导向梁，所述导向梁与所述沉井结构本体的井壁内壁面保持一定距离；

b、在井内挖土引导所述沉井结构本体下沉；

c、当获取到井内土层尚未达到且接近井底涌土状态时，停止井内挖土，沿所述导向梁上与所述井壁内壁面相对的外侧面打入多根钢板桩，使所述钢板桩抵靠在所述外侧面上，并向下纵向插入到土层中；

d、在所述沉井结构本体内向下继续挖土后，引导所述沉井结构本体继续下沉；

e、当所述沉井结构本体下沉到达设计深度时，终止下沉运动，分批次拆除所述千斤顶，分批次浇筑承台混凝土，直至完成全部的承台混凝土制作。

f、所述底层包括多个水平框架，所述导向梁设置在所述多个水平框架中，所述水平框架被所述导向梁分割成多个空格，在所述底层中避开所述钢板桩所在空格的区域，浇筑钢筋混凝土底板，实现第一次封底；

g、分批拔出所述钢板桩，分批次浇筑拔出的所述钢板桩所在的空格，形成钢筋混凝土底板，实现第二次封底，最终达到井底完全封闭的状态。

本发明利用钢板桩，形成挡土墙，防止了井内涌土与井外塌陷现象；又由于是在沉井内部打入钢板桩，利用了沉井自身的结构构造和稳定性来支撑钢板桩上部，不需要单独另设对钢板桩上部的支撑结构，简化了对钢板桩上部的支撑结构，缩减了成本；此外，由于直接从沉井内底部打入，高效地利用了钢板桩，进一步缩减了成本，提高了安全性能。

附图说明

图1是传统沉井的井内涌土井外塌陷现象的立面示意图；

图2是本发明实施方式一沉井内底层的平面结构示意图；

图3是本发明实施方式二沉井底层的平面结构示意图；

图4是本发明实施方式三沉井下沉过程中的立体结构示意图；

图5是本发明实施方式三沉井下沉到位的立体结构示意图；

图6是本发明实施方式二沉井施工过程的立体结构示意图；

图7是本发明实施方式四沉井施工过程的的立体结构示意图。

附图标记对照表：

1——沉井结构本体； 2——导向梁；      3——钢板桩；

4——隔水帷幕；     5——井外地面；    6——井内底面；

7——基桩；         8——长臂挖掘机；  9——千斤顶；

10——临时栈桥平台；11——井壁内壁面； 12——水平框架；

21——外侧面；    22——内侧面； 31——短连梁；

32——斜撑杆件；  33——角撑；   34——立面斜杆。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明进一步说明。

具有二次支护装置的沉井

本发明的分次支护的定义：沉井结构是对基坑内开挖面之上的一次支护结构，钢板桩与桩上部的水平支撑结构是对基坑内开挖面之下的二次支护结构。

导向梁是一次支护结构的物理组成之一部分，又是二次支护结构的功能组成之一部分，导向梁是两次支护结构的受力传递关键之构件。

参见图2为，为本发明实施方式一沉井内底层的平面结构示意图。具有二次支护装置的沉井结构，包括：沉井结构本体1，导向梁2和钢板桩3；导向梁2水平预置在沉井结构本体1内部的底层，并与沉井结构本体1的井壁内壁面11保持一定距离；多根钢板桩3抵靠在导向梁2上与井壁内壁面11相对的外侧面21上，并向下纵向插入到土层中，且穿越潜在的滑动面一段深度。如图6所示，为本发明实施方式二沉井施工过程的立体结构示意图。清楚显示，钢板桩3沿导向梁2的外侧面21打入到土层中的过程。打入后的钢板桩3，沿导向梁2形成挡土墙，穿越潜在的滑动面一段深度，阻碍了井外土涌入井内。导向梁2对钢板桩3起到了三个作用：(1)导向作用：钢板桩3沿导向梁2在水平方向上排列形成挡土墙，并沿导向梁2的外侧面21纵向插入土层中且穿越潜在的滑动面一段深度；(2)定位作用：结合土层固定钢板桩3的空间位置；(3)支撑作用：导向梁2结合井内的水平框架12及桁架结构(参见下面描述)，支撑钢板桩3上部抵抗井外土压力。

由于钢板桩3沿导向梁2形成挡土墙，当井外主动土压力大于井内被动土压力时，钢板桩3形成的挡土墙参与工作，有效的支撑住井外滑移土体，防止井内涌土井外塌陷现象。又由于是在沉井内部打入钢板桩3，导向梁2也是在沉井结构本体1原有的结构上同时形成，沉井结构本体1自身的结构庞大，具有一 定的稳定性，因此，利用了沉井自身的结构构造和稳定性来支撑钢板桩3，不需要像传统方法那样在沉井外围另设相对独立的、复杂的支撑结构，这种方法有效地简化了结构，缩减了成本；此外，由于钢板桩3在沉井中的有效抵挡土体的结构是在沉井底部的区域，直接从沉井底部打入钢板桩3，而不是从井外地面5打入，高效地利用了钢板桩3的长度结构。在实际工程中，由于钢板桩3的长度有一定的限制，因此从沉井底部打入钢板桩3，使钢板桩3可以抵挡更大的井外土压力，也可以保证沉井下沉到更深的深度。

图2中沉井结构本体1的内部底层包括水平框架12，导向梁2设置在水平框架12中，并沿井壁内壁面11形成圈梁(结构力学上也可称之为连续梁)，由于多个导向梁2被多个水平框架12隔开，因此形成了结构上的圈梁为非连续性的。在土质均匀的理想状态下，导向梁2可在沉井底层形成图梁，抵挡各个方向的井外土压力。在实际工程中，根据工程需要且为了节省钢板桩3的用量，可只在需要钢板桩3的一面，或多面打入。例如，沉井一侧的土质较坚硬，而另一侧的土质较软弱，那么可在土质较软的一侧设置导向梁2打入钢板桩3即可。

如图3所示，为本发明实施方式二沉井底层的平面结构示意图。当水平框架12的轴线跨度较大时将导致单跨导向梁跨度较大，单跨导向梁外侧面21与井壁内壁面11之间可以设有水平的短连梁31，短连梁31与导向梁2可互相垂直，也可呈一定倾斜角度。短连梁31可加强单跨导向梁2对钢板桩3的水平支撑能力。一个水平框架12中可设置多根短连梁31。

本发明实施例中，还可在导向梁2靠近沉井中心的内侧面22与水平框架12之间形成水平桁架结构。如图3所示，可在水平框架12中设置水平的斜撑杆件32和水平的角撑33。大幅度地提高单跨导向梁2的水平承载能力。

本发明实施例中，导向梁2的外侧面21与井壁内壁面11之间还可设有立面斜杆34。立面斜杆34的一端连接在导向梁2的外侧面21上，另一端与井壁内壁面11上高于导向梁2的壁面位置相连接。立面斜杆34可在竖直方向上支撑钢板桩3。在水平框架12上形成的用于支撑钢板桩3的其他桁架结构，都属于 本发明的保护范围。

本发明实施例中，如图6所示，沉井结构本体1的顶层可设有临时栈桥平台10，临时栈桥平台10用于安放打入或拔出钢板桩3的长臂挖掘机8或其他类型的打桩机械。长臂挖掘机8穿过水平框架12的空格实施打入或拔出钢板桩3。

本发明实施例中，钢板桩3可为工字钢、角钢、槽钢、H型钢、拉森钢板槽钢桩、各种圆形或矩形截面的钢管。

本发明实施例中，钢板桩和导向梁等结构除了可以应用在图2和图3中的方形沉井中，还可以用在圆形、或半圆形沉井当中。如图7所示，在圆形沉井结构中，导向梁2为环形导向梁，短连梁31水平设置在导向梁2的外侧面与井壁内壁面之间。

具有二次支护装置的沉井的施工方法

结合图4-6，详细说明具有二次支护装置的沉井施工方法，其包括如下步骤：

a、在地面打入基桩7，在基桩7顶部安放千斤顶9，在千斤顶9上制作沉井结构本体1，在沉井结构本体1内部的底层水平预置导向梁2，导向梁2与沉井结构本体1的井壁内壁面11保持一定距离；

此距离为桩墙厚度加上保证人员进出所需的最小空间尺寸之和，最小空间尺寸通常应大于500mm。

b、在井内挖土引导沉井结构本体1下沉；

沉井结构本体1的下沉可逐步进行，也可以一次下沉。

c、当获取到井内土层尚未达到且接近井底涌土状态时，即获取到井内井外土层有允许的变形接近且尚未达到极限状态时(留有安全系数)，停止井内挖土，沿导向梁2上与井壁内壁面11相对的外侧面21打入多根钢板桩3，使钢板桩3抵靠在导向梁2的外侧面21上，并向下纵向插入到土层中且穿越潜在的滑动面一段深度；

此时，打入钢板桩3是为了防止沉井再次下沉后，井内外土体的压力差进一步加大，从而出现井内涌入的现象，因此，在沉井再次下沉之前，打入钢板桩3。

d、在所述沉井结构本体1内向下继续挖土后，引导所述沉井结构本体1继 续下沉；

继续下沉的沉井，在钢板桩3形成的挡土墙的保护下，安全下沉。

e、当沉井结构本体1下沉到达设计深度时，终止下沉运动，分批次拆除千斤顶9，分批浇筑承台混凝土，直至完成全部的承台混凝土制作。此时，沉井的空间位置被永久性定位。

f、底层包括多个水平框架12，导向梁2设置在多个水平框架12中，水平框架12被导向梁2分割成多个空格，在底层中避开钢板桩3所在空格的区域，浇筑钢筋混凝土底板，实现第一次封底；

在拔出钢板桩3的步骤之前，需要对沉井结构本体1的底层，避开钢板桩3所在空格的区域，浇筑钢筋混凝土底板，浇筑完成后形成部分底板，此时部分底板一方面为沉井底层封底，另一方面，当钢板桩3拔出后，部分底板起到了阻碍井外土体涌入井内的作用。水平框架12中的空格除了被导向梁2分割外，还可被短连梁31、斜撑杆件32和角撑33所分割。部分底板形成在没有被分割的水平框架以及被分割的水平框架中的没有钢板桩的空格内。

g、分批拔出钢板桩3，分批次浇筑拔出的钢板桩3所在的空格，形成钢筋混凝土底板，实现第二次封底，最终达到井底完全封闭的状态。。

工程应用中，任一空格内的钢板桩拔出后，应尽快将此空格进行封底。

由于获取到需要打入钢板桩3时(即主动土压力与被动土压力接近且尚未达到静力极限平衡状态时)，才打入钢板桩3，这种方法根据实际工程中的土质环境，来决定是否打入钢板桩，灵活有效的有针对性的防止了井内涌土井外塌陷现象，节省了人力和材料，提高了安全性。

本发明实施例中，步骤d后进一步包括：

再将钢板桩3向下打入一层；

再在沉井结构本体1内部向下挖土一层；

再引导沉井结构本体1下沉一层；

重复上述三个步骤，直到沉井结构本体1下沉到达设计深度。

由于钢板桩3是抵靠在导向梁2的外侧面21上的，与导向梁2之间没有固 定连接，因此沉井完成一次下沉后，钢板桩3在土层中的深度位置不变；当沉井开始下一次下沉之前，为了确保下次下沉过程中不发生井内涌入现象，将钢板桩3再次向下打入土层内，并保持一端抵靠在导向梁2的外侧面21上，然后再引导沉井结构本体1下沉。不断重复上述步骤，直到沉井本体1下沉到预定深度，此时不需要再将钢板桩3打入土层中。这里所指的“层”是指土层，不限定为沉井的物理结构层，也不限定为沉井实际每次下沉的深度。实际工程中，有如下三种情况：

1.沉井下沉到底的过程中，不需要打入钢板桩。

2.沉井下沉到底的过程中，需一次打入钢板桩。

3.沉井下沉到底的过程中，需多次打入钢板桩。按运动状态描述，即沉井多次下沉与多次打入钢板桩为交替循环进行。

打入的钢板桩下端，需要始终保持穿越潜在的滑动面一段深度。此段深度由数学力学计算根据所需要的安全系数而确定。钢板桩整体稳定的数学力学模型可根据对O点取主动土压力和被动土压力的力矩平衡方程而计算获得。钢板桩的构件材料形式可按最大弯矩值而计算获得。

上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种具有二次支护装置的沉井，包括：

沉井结构本体，导向梁和钢板桩；

所述导向梁水平预置在所述沉井结构本体内部的底层，并与所述沉井结构本体的井壁内壁面保持一定距离，所述底层包括多个水平框架，所述导向梁设置在多个所述水平框架中；

多根所述钢板桩抵靠在所述导向梁上与所述井壁内壁面相对的外侧面上，并向下纵向插入到土层中。

2.如权利要求1所述的具有二次支护装置的沉井，其特征在于，所述导向梁沿所述井壁内壁面形成圈梁。

3.如权利要求2所述的具有二次支护装置的沉井，其特征在于，所述导向梁的所述外侧面与所述井壁内壁面之间设有水平的短连梁。

4.如权利要求3所述的具有二次支护装置的沉井，其特征在于，所述导向梁的内侧面上设有水平的斜撑杆件，所述斜撑杆件、所述水平框架以及所述导向梁共同组成水平面桁架结构。

5.如权利要求4所述的具有二次支护装置的沉井，其特征在于，所述导向梁的所述外侧面与所述井壁内壁面之间还设有立面斜杆。

6.一种具有二次支护装置的沉井的施工方法，其包括如下步骤：

a、在地面打入基桩，在所述基桩顶部安放千斤顶，在所述千斤顶上制作沉井结构本体，在所述沉井结构本体内部的底层水平预置导向梁，所述导向梁与所述沉井结构本体的井壁内壁面保持一定距离；

b、在井内挖土引导所述沉井结构本体下沉；

c、当获取到井内土层尚未达到且接近井底涌土状态时，停止井内挖土，沿所述导向梁上与所述井壁内壁面相对的外侧面打入多根钢板桩，使所述钢板桩抵靠在所述外侧面上，并向下纵向插入到土层中；

d、在所述沉井结构本体内向下继续挖土后，引导所述沉井结构本体继续下沉；

e、当所述沉井结构本体下沉到达设计深度时，终止下沉运动，分批次拆除所述千斤顶，分批次浇筑承台混凝土，直至完成全部的承台混凝土制作；

f、所述底层包括多个水平框架，所述导向梁设置在所述多个水平框架中，所述水平框架被所述导向梁分割成多个空格，在所述底层中避开所述钢板桩所在空格的区域，浇筑钢筋混凝土底板，实现第一次封底；

g、分批拔出所述钢板桩，分批次浇筑拔出的所述钢板桩所在的空格，形成钢筋混凝土底板，实现第二次封底，最终达到井底完全封闭的状态。

7.如权利要求6所述的具有二次支护装置的沉井的施工方法，其特征在于，设置在所述多个水平框架中的所述导向梁，沿所述井壁内壁面形成圈梁。

8.如权利要求7所述的具有二次支护装置的沉井的施工方法，其特征在于，所述导向梁的所述外侧面与所述井壁内壁面之间设有水平的短连梁。

9.如权利要求8所述的具有二次支护装置的沉井的施工方法，其特征在于，所述导向梁的内侧面上设有水平的斜撑杆件，所述斜撑杆件、所述水平框架以及所述导向梁共同组成水平面桁架结构。

10.如权利要求6所述的具有二次支护装置的沉井的施工方法，其特征在于，所述步骤d后，进一步包括：

再将所述钢板桩向下打入一层；

再在所述沉井结构本体内部向下挖土一层；

再引导所述沉井结构本体下沉一层；

重复上述三个步骤，直到所述沉井结构本体下沉到达设计深度。

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