CN1024029C - 地下构筑物的施工方法及其专用墙底成槽机 - Google Patents

Abstract

一种地下构筑物的施工方法及其专用的墙底成槽机、墙身与已埋置的柱桩的联锁件结合和通过墙底成槽机下沉，一旦桩柱全部沉插就位后，用逆作法修建内部结构、在挡土面竖向分缝加固，底层所留墙底门桩形孔道挖空面一侧薄壳墙破碎，钢筋结扎和浇注底板使墙柱与底板结成整体具有质量好，工作安全，而特别是工效高，可使原材料和劳动人员可大大减少，因此其工程造价大幅度下降。

Description

由于地理环境和全世界业务的交往，在松软质地层内修建大规模的地下和水下工程，日益为人们所重视。但是构筑物的规模越大，向地下修建的越深，对于周围地层支护工程就越困难而代价就越高。目前采用支护方法如;木材钢材，钢筋混土板桩，灌注桩，地下连续墙等等，都有自身难以克服的缺点。以致大量的地下和水下空间未能开发和利用。为此申请人针对这个实际问题，曾提出过新的设想，1985年5月提出并得到专利权申请号CN85202494的联锁钢筋混凝土板桩，它不仅能和常规钢筋混凝土板桩一样承受竖向和侧向荷载，而且由于在桩体内有联锁件，能使相邻桩的各条分缝，既能止漏又有足够的抗拉开能力。1987年10月又提出并得到专利权申请号CN87214255的组合联锁钢筋混凝土预制构件和垂直成槽取土机。它是用联锁钢筋混凝土板桩作为基本构件，组合成L型，T型，工型，ㄇ型，多肋型各种规格的薄壳钢筋混凝土预制构件。用这种构件再组合成地下构筑物各部分的实体，直接插进地层然后将各条分缝进行处理，构成地下和水下构筑物。

为更有效地发挥上述两项施工方法的功能，本发明的目的是用新的竖向成孔法和墙底成槽法，把各种用预制联锁钢筋混凝土构件组合成的地下构筑物实体，直接沉插进地层，在用逆作法修建内部工程过程中，把各个分段和分部进行联结，构成完全符合原设计要求的整体地下构筑物的施工方法。

本发明的又一目的是提供一种墙底成槽的专用墙底成槽机。

根据本发明的目的，以利用地下和水下永久构筑物自身的刚度 和强度。承受施工过程和修成以后的各种荷载，因此能省去许多临时支护和辅助工程。质量好又安全，更能提高工效，消除对环境的污染，更能大幅度降低工程造价。

用钢筋混凝土材料修建的地下和水下各种构筑物，大致可概括为;基桩，立桩，墙身三种类型。对于基桩和立柱，是按基桩或立柱断面大小，选用适当规格的桩柱底成孔机具，顺桩或柱身中心线，在桩或柱底部，向地层钻成拟定直径和深度的钻孔。凭桩柱自重或适当加压，使桩柱沿已成钻孔逐次插入地层直达设计高程。简称为桩柱底成孔法。对于墙身是在墙身底部设门框形孔道，在孔道内按设成槽机，或从墙身空腔内放进其他机身，把墙身下的地层，挖成纵向沟槽，凭墙身自重或适当加压，使墙身顺已成沟槽，逐次下沉达到设计高程。简称为墙底成槽法。

因此，本发明地下构筑物的施工方法，大致包括下列步骤

1）用适合桩柱体形和规格的桩柱底的潜水螺旋钻机，从桩柱底部向地层钻孔，凭桩柱自重或适当加压使其下沉达到设计高程;

2）在桩柱下沉的同时或之后通过桩柱体内所设的定位孔和射水孔，来控制桩柱部位和垂直度;

3）将组合联锁钢筋混凝土预制构件制成的墙身，其两端都有两扇侧墙，即尾端侧墙和首端侧墙顶端的联锁件分别与已插入地层立柱上的联锁件和临时钢插板结合，相应地构成尾端和首端竖井，墙身底部设门框形孔道并安装墙底成槽机;

4）用墙底成槽机在墙底挖成沟，凭墙身自重或适当加压，沉达设计高程后将纵向成槽机拆卸下来并从竖井中提出;

5）在墙身下沉中和下沉后通过墙身内所增设的定位孔、射水孔、回填孔调节墙身部位和垂直底;

6）墙身首端连接立柱或又一墙身的方向重复上述5）的方法;

7）当地下桩柱墙全部沉插就位以后，用逆作法向地下修建内部 结构并挖出空间;

8）在挡土面沿竖向分缝，用ㄇ钢板构成竖井，进行竖井分缝加固或处理;

9）用逆作法修建内部各层，达到最低层底板时，将住墙底部门框形孔道挖空面一侧薄壳墙的混凝土破碎，显露出墙底部空间，将底板钢筋等伸进结扎，浇注成整块底板，使墙柱与底板结成整体。在桩柱的沉插中，对于基桩的顶端接有立柱，通过它们之间设置临时支护钢管使用时下沉，达到设计高程后去除，随后与墙身连接。

而本发明的方法所使同的装置，主要有桩柱底潜水螺旋钻机和墙底成槽机，其中所述的桩柱底潜水螺旋钻机，其包括电机、变速装置、钻杆、吊环，其特点在于所述的电机为圆筒形潜水电机、变速装置，其出轴通过联轴节与所述的钻杆固定连接，并且在其外壳上均布地固定四个滑轮组件，还具有一用于实心型桩柱的外框架，它包括四根以上均布地位于同一圆周上的竖直支柱，二根以上径向地并均布地固定在支柱上的环箍和二支以上安置在紧靠支柱旁的输泥浆管，以及其中所述的滑轮组件的滑轮均与支柱的内侧相啮合。另一种外框架，它还用于圆形空腔桩柱的框架，其中框架上，沿所述竖直支柱的外端面上均平排地和径向朝外地设置与供油管道连接的高压可胀橡胶油管。还有一种可用于矩形空腔桩柱的框架，框架中在所述的竖直支柱和环箍的交点外侧径向地安装有油泵，并以每一竖排油泵的顶端为一列，每列上都固定一块竖向压定板。其中，所述的墙底成槽机，包括电动机组、传动链和链轮，其特点在于所述的电动机组为潜水电动机组，还有一或二根有匙形挖土刀的环形链条，各一安置在环形链条的环圈内，且直径相同的传动和从动齿轮，两固定地支承所述齿轮的齿轮轴，以及一可卸地将潜水电动机组固定在首或尾端竖井壁上的电机构架和两对可固定在墙底门框形孔道首尾两端侧壁上的定轴装置，所述的定轴装置可滑动地支承齿 轮轴。

使用本发明的方法和装置修建地下工程，可节省大量的施工材料和施工人员，使工程成本大大降低，而且还可提高工效和质量，减少环境的污染。

附图说明

图1a、b是桩柱底潜水螺旋钻机组示意图。

图2a、b是直插用外框架示意图。

图3a、b是短形空腔用外框架示意图。

图4a、b是圆型空腔用外框架示意图。

图5a、b、c、d是钻压预制空腔型钢筋混凝土桩柱工序示意图。

图6a、b是墙底成槽机示意图。

图7a、b、c、d是实心墙身示意图。

图8a是薄壳型多肋钢筋混凝土预制构件示意图。

图8b是沉放实心型墙示意图。

图8c是沉放空腔型墙示意图。

图8d是竖向成孔机成排孔法示意图。

参阅图1-4，竖向成孔法所用机具，除常规机具外，另一种桩柱底潜水螺旋钻机组和相适应的外框架组成。桩柱潜水钻机组图1包括潜水电动机和变速装置（1）其功能和外壳规格按实际需要选定。螺旋钻（2）的直径和长度按成孔大小和每次需要钻进的深度选定，一般可用直径0.3-0.5m或更大长度可用1-5m，机组和螺旋钻用联轴节（3）连接，潜水电动机组外壳顶置吊环（4），所用钢丝绳和电缆向上引出。在机组外壳上装设四组能上下滚动的滑轮（5）。

根据桩柱的体型和断面，需要的外框架除了在桩柱圆形空腔内，埋设竖向扁钢代替外框架以外、可有三种;一，用于沉插实心型桩柱称为直插式外框架，二，用于矩形空腔框架，三，用于圆形空腔框架。

外框架的作用;是控制底部潜水螺旋钻机组（外壳）只能上下移动而不能左右旋转，使壳内电动机组转动螺旋钻能向地层钻进。一、直插式外框架，如图2所示，是用四根或六根或八根均布的扁钢支柱（6），其长度约5→10m，宽度0.20m左右，厚度10m/m左右。用扁钢或角钢作环箍（7），其规格，环数和间距（8），按结构设计迭定，在各根扁钢支柱的底端设限位装置（9），使电动机组不致下降超出框架的底端，沿扁钢支柱侧设输泥浆管（10）。

二，矩形空腔框架，如图3所示，在选定扁钢支柱（6）和环箍（7）的交点外侧装设径向油泵（11），同一根支柱（6）上每两个或更多油泵的顶端，装设一根竖向压定板（12），油泵输油管（13）向上引出，由于压定板（12）的伸缩，使框架能固定在桩柱空腔壁任何高程上也能灵活松卸，在每根扁钢支柱（6）的上端，装设可开可闭的限位装置，以便能保留框架不动只提供钻机组清除弃土或松卸压定板（12），即在去除油压以后又能将整个钻机连同框架提出或移位。

三，圆形空腔框架，如图4所示，在每根扁钢支柱（6）的外侧面上，安装与支柱同长度的条形可胀橡胶油管（15），作用及操作同矩形空腔框架。

四，在桩柱底部圆型空腔壁上，埋设需要长度互成90°交角的四根扁钢（16），全长露出空腔壁一定高度（17），用作导轨控制螺旋钻机组的升降。

基桩和立柱的体型有圆形和矩形其断面有实心型，圆形空腔型，矩型空腔型。

实心型桩柱按技术设计埋设各种钢筋和施工需要的埋设件外，可增加定位，射水和回填孔，用常规方法制成。沉插时按地下建筑物设计在地平面上，测定桩柱的中心点，用常规钻机插设定位钢管（51），然后吊立螺旋钻机的直插式外框架，适当压入地层固定，放进螺旋钻机，将螺旋钻全长钻入地层，停钻提出钻机和钻上土料清 除，同时将外框架压下达到钻孔孔底，再把钻机放进外框架如前述工序钻孔，达到设计深度以后，提出外框架和机组，吊进预制桩柱，适当加压达到设计标高。钻孔时如有塌孔情况，应灌注泥浆固壁。如果能解决泥浆处理问题，可以沿实心型桩柱体心线设射水孔，沉插桩柱时用高压水将桩柱底端地层，冲成孔洞，凭桩柱自重或适当加压就能使桩柱下沉，在射水孔旁侧适当部位设定位孔，沉插时插进地层的定位钢管上，以控制桩柱的垂直度。

现参见图5，空腔型桩柱按设计已埋设各种钢筋预埋件和定位孔，射水孔。沉插前在地平面上按设计插立定位钢管。吊进预制桩柱，凭自重适当沉入地层，按桩柱空腔的断面吊进钻机，加油压将外框架固定在空腔底部空腔壁上，见图5A。开动钻机向地层内钻孔，达到一次允许下沉深度以后，提出钻机并清除弃土，如图5B，放松桩柱吊具，凭自重或适当加压，将桩柱空腔壁下的土层挤压进已有的钻孔内，如图5C所示，这次桩柱下沉深度，一般可达到钻孔的底部。然后再放进钻机清除挤进土料又下钻成孔，如图5D。如此继续循序操作达到设计高程。如果桩柱是分节制成，应按时增加接桩工序见图5D中（E）点。如果在基桩的顶端接有立柱，可在全长基桩的顶端下沉达到地平面时，就在桩顶焊接立柱，再在桩顶的外圈焊接与基桩外圈同直径和需要长度的临时支护钢管。使基桩和立柱同时下沉，达到设计高程以后，沿支护钢管和基桩顶的焊接缝割开，拔出支护钢管，使立柱仍能与相邻墙柱联结。用这种方法沉插的桩柱，达到设计部位以后，都可以在桩柱底端，将地层扩大成一定大小孔洞，浇注混凝土基座，提高桩柱承载力。如果在施工地区能解决处理泥浆排放问题。也可以用常规钻机钻孔排浆或高压水喷射排浆沉插上述桩柱。

墙底成槽法沉放墙身，是用墙底成槽机或其他机具，在墙底将地层挖成沟槽，凭墙身自重或适当加压，使墙身下沉。现将成槽机 的制作说明如下。

墙底成槽机为图4，它包括按照设计制造的一根或两根装有匙形挖土刀（18）的环形链条（19），在链条内圈用两组同直径同型号的两齿轮（20），将环形链条撑开成上下两条互相平行而方向相反的移动线（21），首尾两端的两根齿轮轴，用容易装拆的定轴装置（22），固定在墙身门框形孔道首尾两端的左右两侧墙壁上（23），环形链条的长度宽度和首尾端齿轮轴的距离（24），是根据墙身的长度和要求挖土功效选定，尾端齿轮设在墙身尾端竖井（25）内，利用装配在同一根轴上分左右两侧的两个传动齿轮（26）和传动链（27）转动，传动链是由安装在墙身尾端竖井壁上的潜水电动机组（28）以出轴上装两主动齿轮带动。首端齿轮是安装在墙底门框形孔道的首端出口。

为了便于施工，地下建筑物的墙可用实心型墙或空腔型墙。

实心型墙见图7和图8B墙身厚度小者用实心型，墙内钢筋和各种埋设件，全部安技术和施工设计浇制，另增加定位孔，回填孔（29）射水孔（30）墙身纵向长度（31）根据两端相邻立柱间距或施工分段选定。一般3→5m或更长。底部除两端侧墙外全长制成需要高度和宽度的门框孔道（32），其中按放墙底成槽机，墙身两端各有一定厚度和纵向长度的两扇钢筋混凝土侧墙（33），与已经插进地层的立柱（34）相联接的一端的空间构成尾端竖井（35）。在此井壁上安装墙底成槽机的动力机组并供上下工作或排泥浆用。向前进方向一端的两扇侧墙顶端加临时用钢插板（36），构成的空间为首端竖井（37）供上下工作及出土排泥浆用。

空腔型墙图8C，墙身厚度大者用空腔型，既能减少高标号混凝土用量，又能减轻吊运和沉放时墙身重量，一切工序完成后，用低标号混凝土回填，回复实心墙状态。

空腔型墙可用薄壳型多肋钢筋混凝土预制构件图8A组成，这种构件由整块面板和多根肋板构成，在面板肋板体内除埋设技术设 计施工设计规定的各种钢筋和埋设件外，另设置需要数量和规格的射水孔（38），在面板与肋板相交点中埋设定位钢管或造孔（39），面板厚度（40）约0.1→0.2m，竖向高度（41）与墙高同，可分节或整体制成，面板肋板底端成刀口形。纵向长度（42）根据结构或施工要求选定，一般3→5m或更长。肋板可制成平板（43）型或框格型（44），竖向高度（45）可与面板相等或在下端减短一节，组合成墙时在墙底构成无顶板的门框形孔道（46），肋板高度（47）根据墙身厚度和施工分缝选定，如墙厚为1m沿纵向中线分缝。则肋板高度约0.35→0.40m左右。肋板厚度（48）0.1→0.2m肋板与肋板的中心线间距（49）一般1m，面板两端和各条肋板的竖向面上，都按结构或施工需要埋设联锁件或联结钢筋（50），如果构件是分节制造，在每节顶端和第二节底部都伸出联结钢筋。

每两片同规格的薄壳型多肋钢筋混凝土预制构件，将相对应的各条肋板竖向面上的伸出钢筋或联锁件互相联结，组合成一段完整的空腔型墙身。称为尾端的两扇钢筋混凝土侧墙，与已经插进地层的立柱或墙身相联结，构成尾端竖井，供安装成槽机具及上下工作或排浆用。向前进方向一端的两扇侧墙顶端，加临时用钢插板，构成首端竖井，供安放机具出土排浆或上下工作用。图8C甲是墙底门框形孔道有顶板。图8C乙是墙底门框形孔道没有顶板。

由于所用施工机具不同，沉放墙身的方法有五种;一，墙底成槽机成槽法。二，桩柱底潜水螺旋钻机成排孔法。三，常规钻机成排孔法。四，各种抓斗，垂直成槽取土机等成槽泥浆固壁法。五，高压水冲射成槽法。这些方法可根据具体施工条件选用或配合使用。

一，墙底成槽机成槽法。

沿地下构筑物的墙身中心线，按预制墙身厚度和施工需要，在紧贴墙身两侧，用常规钻机插下两根控制墙身方位和垂直度的定位导向钢管（51），钢管长度与墙深略同，部位及垂直度必须满足设计 要求，墙底门框形孔道内安装墙底成槽机，尾端竖井壁上安装潜水电动机组以后，吊起墙身就位，将墙身尾端两扇墙上的联锁件底端（52）与已经插进地层立柱或墙上联锁件的顶端（53）相结合。放下墙身，使墙底门框孔道两边侧墙的底部接触地平面，楔进地层深度，不能太深，以开动墙底成槽机环形链条上的挖土刀恰能挖动地层土料为度，挖出土料由成槽机首端卸进首端竖井贮土孔内，再用机具提出清除。如此连续挖土，出土，在墙底形成沟槽，凭墙身自重或适当加压或在墙身两侧与地层接触面上灌进润滑泥浆，就能使整段墙身随着墙底沟槽的逐步挖深而下沉。为了防止墙身下沉不平衡，其下降速度和深度由悬吊墙身的机具控制。（达到设计高程以后）将动力机组和环形链首尾道两端的定轴装置拆开，全部墙身纵向成槽机具从竖井提出。用这种方法施工，最后支承墙身的地层，没有被扰动，它的地质资料，正是进行这项工程设计的依据，因此能让原设计者再作出符合实际的判断。

二，桩柱底潜水螺旋钻机成排孔法。

用薄壳多肋钢筋混凝土预制构件组合成的墙身图8D，各分格都是矩形直通墙底的竖井，放进适合规格的桩柱底潜水螺旋钻机，就能在各格竖井底部地层内钻成一定深度的钻孔。成排钻孔相邻处留存的孔壁（54）厚度，一般只略大于各格肋板的厚度约0.2m左右，凭墙身自重或适当加压，就能把所有孔壁土层挤压进已成的钻孔内，自然形成沟槽，可以使墙身下沉一节高度。如此按上述工序;钻孔，沉墙，再钻孔，再沉墙直达设计标高。

三，常规钻机成排孔法。

墙身吊装就位以后，将常规钻机架设在墙身顶面上。如果是实心型墙，把钻杆放进墙身回填孔内，钻头用可扩大钻头。如果是空腔型墙可用大直径钻头放进各格竖井内，向地层钻成一定深度的钻孔，将碎土混成泥浆，由两端竖井排出。形成一定深度的沟槽以后， 凭墙身自重或适当加压，就能使墙身下沉一定深度。如此连续作业直达设计高程。

四，各种抓斗机，垂直成槽机等成槽泥浆固壁法。

用适合规格的抓斗机或垂直成槽机，按照墙身厚度，在地层内挖成深度与墙高略同的沟槽，同时用泥浆固壁，然后将预制墙身吊放进沟槽内，排出泥浆，或作其他处理。用这种施工方法施工，应注意防止由于地平上超载，槽壁可能塌垮问题。

五，高压水冲射成槽法。

利用墙身内预留的射水孔，向墙底门框形孔道内的地层，喷射高压水，碎土成泥浆排出。墙身顺墙底形成的沟槽下沉，达到设计高程，对墙底地层再作处理。

无论用何种施工方法，在施工过程中都应有可靠的观测设备，随时监视整个墙身是否等速均衡下沉？如发现墙身两端有下沉快慢不同现象，应即时找出原因进行补正，例如可暂停下沉较快一端的成槽，加快下沉较慢一端的成槽，同时用吊重机具进行控制，使其恢复平衡。

当构筑物埋设在地下的各种桩柱墙身，全部沉插完成以后，从地平开始用逆作法向下修成地平面以下各层内部结构，并挖出空间，具体施工程序，多系常规施工方法，本发明不予叙述，仅有（一）地下构筑物外围挡土面上各条竖向分缝，如需要处理如何施工？（二）建筑物内部最低层底板与外围墙柱如何结合？两问题应予说明。

（一）外围墙柱挡土面竖向分缝处理问题;用本发明施工方法构成的各条竖向分缝，多数是用选定规格的联锁件结合，向联锁件管孔内灌进选定性能的固结浆液，就能使各条竖向分缝不漏水又有足够的强度和刚度。可以不再处理。如果在某些个别部位，由于特殊需要必须进行加固处理，则用特制可以容纳操作工人在里面进行工 作的形钢板竖井（55），以挡土面竖向分缝（56）为中线，紧贴墙柱面插入地层直达墙柱底端高程，挖去ㄇ形钢板竖井的土料，按设计要求下井处理，完成后拨出钢板竖井同时填实。

（二）用逆作法施工达到最低层底板面高程（58）以后，沿设计高程，将墙柱挖空面一侧的薄壳面板，即“墙底门框形孔道内侧墙和空腔柱的一侧墙”的混凝土破碎清除，保留原有钢筋，显露出墙柱下全部空部“除外侧墙部分”，按照设计结扎各种钢筋和埋设件，与最低层底板同时浇成整片钢筋混凝土，然后向墙柱空腔内填实混凝土，使全部墙柱与底板结成整体结构。

如果在沉插墙身过程中，在地层中遇到局部障物，也可用下沉形钢板竖井法，进行排除。

Claims (3)

1、一种地下构筑物的施工方法，其特征在于

1)用适合桩柱体形和规格的桩柱底的潜水螺旋钻机，从桩柱底部向地层钻孔，凭桩柱自重或适当加压使其下沉达到设计高程；

2)在桩柱下沉的同时或之后通过桩柱体内所设的定位孔和射水孔，来控制桩柱部位和垂直度；

3)将组合联锁钢筋混凝土预制构件制成的墙身，其两端都有两扇侧墙，即尾端侧墙和首端侧墙顶端的联锁件分别与已插入地层立柱上的联锁件和临时钢插板结合，相应地构成尾端和首端竖井，墙身底部设门框形孔道并安装墙底成槽机；

4)通过墙底成槽机在墙底挖成沟，凭墙身自重或适当加压；沉达设计高程后将纵向成槽机拆卸下来并从竖井中提出；

5)在墙身下沉中和下沉后通过墙身内所增设的定位孔、射水孔、回填孔调节墙身部位和垂直底；

6)墙身首端连接立柱或又一墙身的方向重复上述5)的方法；

7)当地下桩柱墙全身沉插就位以后，用逆作法向地下修建内部结构并挖出空间；

8)在挡土面沿竖向分缝，用ㄇ钢板构成竖井，进行竖井分缝加固或处理；

9)用逆作法修建内部各层，达到最低层底板时，将柱墙底部门框形孔道挖空面一侧薄壳墙的混凝土破碎，显露出墙底部空间，将底板钢筋等伸进结扎，浇注成整块底板，使墙柱与底板结成整体。

2、根据权利要求1所述方法，其特征在于基桩的顶端接有立柱，通过它们之间设置临时支护钢管使它们同时下沉，达到设计高程后去除，随后与墙身连接。

3、一种根据权利要求1所述方法的专用墙底成槽机，包括电动机组、传动链和链轮，其特征在于所述的电动机组为潜水电动机组，还有一或二根有匙形挖土刀的环形链条，各一安置在环形链条的环圈内，且直径相同的传动和从动齿轮，两固定地支承所述齿轮的齿轮轴，以及一可卸地使潜水电动机组固定在首或尾端竖井壁上的电机构架和两对可固定在墙底门框形孔道首尾两端侧壁上的定轴装置，所述的定轴装置可滑动地支承齿轮轴。

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