CN105735322B - 一种刚柔复合防渗可回收支护结构的设计施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种刚柔复合防渗可回收支护结构体系的设计施工方法，包括如下步骤：（一）型钢支护桩的施工；（二）H型钢冠梁、H型钢腰梁安装；（三）钢面板安装；（四）依次竖向分层分段开挖，重复步骤(二)、（三），施工至设计深度，即完成刚柔复合防渗可回收支护结构体系的施工；（五）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填的工作的开始，即可进行回收工作。本发明构建的刚柔复合防渗可回收支护结构体系真正体现了基坑工程的作为基础施工所采取的临时安全措施的特点，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。

Description

一种刚柔复合防渗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、矿山、市政等基础设施边坡开挖支护技术领域，具体涉及基坑、边坡、市政管道等开挖的刚柔复合防渗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。在地下空间利用、矿产资源开采过程中，当面临复杂的地质条件时，往往需要采取边坡支护措施，以防止边坡蠕变，有些时候还需要考虑地下水的影响。伴随着岩土工程领域的技术、机械及土木工程材料等的发展，边坡支护技术得到了有效发展，相应地出现了土钉墙、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形式。与此同时，为控制地下水对边坡支护及地下施工的影响，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、放坡空间有限的情况下，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，更多的时候是边坡土体的蠕变导致周边地表裂缝及建筑物不均匀下沉等事故。理论上讲，采取足够的安全措施，可保证任何需求状态下的基坑安全。但从技术经济成本的角度出发，目前，绝大部分基坑工程作为一种基础施工所必须的临时措施，使用寿命一般不超过2年，在基础施工完毕后被废弃或者拆除，与主体工程相比，基坑工程的造价就非常的昂贵了。即使少数基坑采用了支护结构与主体结构一体化的设计，基础工程施工效率降低、人工成本及后续施工缝渗漏的潜在风险，也是非常高的。

在当前的建筑材料中，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射高聚物材料，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。本专利基于型钢的力学及可加工特性与高聚物注浆技术的特性研究，发明了一种刚柔复合防渗可回收支护结构的设计施工方法，为土木、水利、矿山、市政等行业的基坑、边坡、市政管道开挖提供了全新的支护技术，回收价值高，且可重复利用。目前国内还未见关于刚柔复合防渗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、市政管道开挖支护的发展需求和目前支护技术存在的不足，发明了一种刚柔复合防渗可回收支护结构的设计施工方法。本发明是在首次在基坑支护结构体系中引入机械制造和标准化生产的理念，并基于土压力理论研发而来的；在施工工艺上，通过独立设计研发的平面定位装置，将型钢支护桩的桩位精度控制在毫米级别，同时充分发挥型钢优异的力学及加工性能、高聚物材料的膨胀特性及优秀的操作工艺，实现本发明的设计目的。利用该发明可快速对基坑、边坡、市政管道沟槽等进行开挖支护，真正意义上实现并完成了基坑工程作为一个临时性工程的使命，通过对支护结构的回收，大大的降低基坑支护成本，为基坑、边坡、市政管道等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：

一种刚柔复合防渗可回收支护结构的设计施工方法，根据相关资料完成设计与验算工作后，进行支护结构的施工，施工过程具体包括如下步骤：

（一）型钢支护桩施工，其具体步骤如下：

（1）型钢支护桩加工：根据设计要求，在型钢支护桩的顶部、腰梁对应位置进行冠梁安装孔、腰梁安装孔的加工、后期回收用的吊装孔加工，并穿入回收钢缆。根据设计需要，型钢支护桩也可以采用钢管桩代替。

（2）型钢支护桩成孔施工：在指定地面位置，利用桩机进行型钢支护桩成孔施工，施工过程中严格控制成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直度两个方面。

（3）植入型钢支护桩：利用吊车、独立设计研发的平面定位装置，精确的将型钢支护桩植入确定的桩孔正中心，满足设计的定位精度要求。

（4）桩孔回填，对桩孔采用适合地层需要的材料进行回填，以保证型钢支护桩的稳定及开挖边坡土体的稳定，回填材料可以为低标号混凝土、砂石及高分子材料。

（二）H型钢冠梁、H型钢腰梁安装，其具体步骤如下：

（1）H型钢冠梁、H型钢腰梁加工：根据基坑形状，加工桩顶H型钢冠梁、H型钢腰梁，采用机械拉弯加工工艺及打孔处理，包括冠梁安装孔、腰梁安装孔，以方便H型钢冠梁、H型钢腰梁的螺栓连接。

（2）H型钢冠梁、H型钢腰梁的拼接安装：随着基坑开挖的进行，首先采用水准仪对H型钢冠梁、H型钢腰梁的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用螺栓对H型钢冠梁、H型钢腰梁与型钢支护桩固定连接。

（三）钢面板安装，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1m，分层分段安装，采用人工方法进行清理型钢支护桩附近的土体。

（2）在清理后的型钢支护桩桩表面安装钢面板，具体实施步骤如下：

a.钢面板加工：首先按型钢支护桩间距、适合人工操作的高度确定钢面板尺寸，对钢面板进行裁剪，若采用螺丝固定钢板，需提前对钢板进行打孔处理。根据钢面板的安装方式，或者采用螺丝固定或者采用焊接工艺。

b.钢面板安装：安装前，采用水准仪对面板进行定位与校正，随后根据设计和施工需要，可采用螺丝连接或者焊接工艺进行钢面板安装，将钢面板牢固的固定在型钢支护桩上。

c.钢面板后注浆：为保证钢面板与侧壁土体紧密结合，在钢面板背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。

（四）依次竖向分层分段开挖，重复步骤(二)、（三），施工至设计深度，即基坑开挖至基底标高，即完成刚柔复合防渗可回收支护结构的施工，根据计算结果，在体系的对应位置设置对撑钢梁或锚杆，以增强结构体系的刚度和稳定性。

（五）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填工作的开始，即可进行回收工作，具体回收步骤如下：

（1）随回填工作的进展，首先回收下部钢面板。

（2）回填至腰梁部位，开始回收H型钢腰梁。

（3）回填工作与钢面板、H型钢腰梁的回收工作依次交替进行。

（4）桩顶H型钢冠梁拆除回收。

（5）吊车配合液压千斤顶对型钢支护桩拔出回收。

与现行的支护技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本专利技术提出的支护结构的使用功能很好的体现了基坑工程的特点：安全可靠、技术先进、经济指标优越。基坑工程作为保证地下结构施工期间安全的临时措施，安全可靠是首要因素，技术先进、经济指标优越是评价支护结构的优劣的可靠标准。

（2）材料特性发挥完美，充分将钢材的力学及加工性能、高聚物材料的快速膨胀性能结合起来，结构传力受力方式明确、结构安全可靠。

（3）构件采用机械加工标准化生产。本专利技术提出的基坑支护结构体系中的构件可采用机械加工标准化生产工艺，同时通过施工工艺环节控制，将安装精度控制在毫米级，便于安装的同时，也便于回收利用，形成标准专业化做法后可重复使用。

（4）施工快捷，不需养生。型钢支护桩、钢面板、H型钢冠梁、H型钢腰梁等均可无间歇地连续作业，施工快捷。高聚物材料在反应后15分钟内即形成90%左右的强度，不需养生，与传统的支护结构体系相比，可节省40%以上的施工工期。

（5）综合经济效益更具优势。与传统支护技术相比，刚柔复合防渗可回收支护结构的最大特点是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，并节省了大量的施工工期。

因此，本发明研发的刚柔复合防渗可回收支护结构的设计施工方法，在基坑、边坡、市政管道开挖等工程施工过程中具有明显优势。与现行的支护技术相比，刚柔复合防渗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，首次引入机械制造和标准化生产的理念，改变过去一个支护项目发挥使用功能即被遗弃的局面，本支护结构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的特点。

（2）结构体系受力分工明确：刚柔复合防渗可回收支护结构体系结构受力分工明确。高聚物材料形成的薄膜很好的弥合了支护结构与土体的结构刚度的差异，使得结构与侧壁土体的变形协调，并起到防渗和土体的侧向蠕变作用；土压力通过型钢面板由型钢支护桩、型钢腰梁、冠梁承担，结构受力合理，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：刚柔复合防渗可回收支护结构体系的型钢支护桩、钢面板、H型钢冠梁、H型钢腰梁等实现机械化加工，通过独立设计研发的平面定位装置，将支护结构中最关键的型钢支护桩的桩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，形成具备防渗止水功能的高聚物面层，同时利用高聚物对侧壁土体的软弱部位进行补强，使得结构周围土体相对均匀，不存在明显的薄弱环节。

（5）结构回收率高、重复利用率高：刚柔复合防渗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，回收后的构件也能为后续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、侧壁防渗效果还是结构体系的回收利用等方面都和现行的支护技术明显不同，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 型钢支护桩加工节点大样图;

图2 型钢支护桩构造剖面图;

图3 刚柔复合防渗可回收支护结构剖立面图;

图4 钢面板安装节点大样图;

图5 刚柔复合防渗可回收支护结构平剖图;

图6 刚柔复合防渗可回收支护结构完成后的立面图;

附图标记：1-型钢支护桩，2-冠梁安装孔，3-吊装孔，4-腰梁安装孔，5-回收钢缆，6-地面，7-桩孔，8-回填材料，9- H型钢冠梁，10- H型钢腰梁，11- 基坑开挖，12- 螺栓，13-钢面板，14- 螺丝，15- 高聚物，16- 基底。

具体实施方式

实施例：

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种刚柔复合防渗可回收支护结构的设计施工方法，其特征在于，在基坑支护结构中，首次引入机械制造和标准化生产的理念，根据相关资料完成设计与验算工作后，才进行支护结构的施工。施工过程具体包括如下步骤：

（一）型钢支护桩施工，其具体步骤如下：

（1）型钢支护桩加工：根据设计要求，在型钢支护支护桩1的顶部、腰梁对应位置进行冠梁安装孔2、腰梁安装孔4的加工、后期回收用的吊装孔3加工，并穿入回收钢缆5，如图1所示。根据设计需要，型钢支护桩也可以采用钢管桩代替。

（2）型钢支护桩成孔施工：在指定地面6位置，利用桩机进行型钢支护桩成孔施工，施工过程中严格控制成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直度两个方面。

（3）植入型钢支护桩1：利用吊车、独立设计研发的平面定位装置，精确的将型钢支护桩1植入确定的桩孔7正中心，满足设计的定位精度要求。

（4）桩孔7回填，对桩孔采用适合地层需要的材料进行回填，以保证型钢支护桩的稳定及开挖边坡土体的稳定，回填材料8可以为低标号混凝土、砂石及高分子材料，如图2所示。

（二）H型钢冠梁9、H型钢腰梁10安装，其具体步骤如下：

（1）H型钢冠梁9、H型钢腰梁10加工：根据基坑形状，加工桩顶H型钢冠梁9、H型钢腰梁10，采用拉完加工工艺，并对H型钢进行打孔处理，包括冠梁安装孔2、腰梁安装孔4，以方便H型钢冠梁9、H型钢腰梁10的螺栓12连接。必要局部可采用电焊工艺补充接茬部位。

（2）H型钢冠梁9、H型钢腰梁10的拼接安装：随着基坑开挖11的进行，首先采用水准仪对H型钢冠梁9、H型钢腰梁10的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用螺栓12对H型钢冠梁、H型钢腰梁与型钢支护桩固定连接，如图3所示。

（三）钢面板13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1m，分层分段安装，采用人工方法进行清理型钢支护桩1附近的土体。

（2）在清理后的型钢支护桩桩表面安装钢面板13，具体实施步骤如下：

a.钢面板13加工：首先按型钢支护桩间距、适合人工操作的高度确定钢面板尺寸，对钢面板进行裁剪，若采用螺丝14固定钢板，需提前对钢板进行打孔处理。根据钢面板13的安装方式，或者采用螺丝固定或者采用焊接工艺。

b.钢面板13安装：安装前，采用水准仪对面板进行定位与校正，随后根据设计和施工需要，可采用螺丝14连接或者焊接工艺进行钢面板安装，将钢面板13牢固的固定在型钢支护桩1上，如图4所示。

c.钢面板后注浆：为保证钢面板与侧壁土体紧密结合，在钢面板背后注入快速凝结硬化高聚物15材料，形成一定强度的薄层高聚物15面层结构，如图5所示。

（四）依次竖向分层分段开挖，重复步骤(二)、（三），施工至设计深度，即基坑开挖至基底16标高，即完成刚柔复合防渗可回收支护结构的施工，根据计算结果，在体系的对应位置设置对撑钢梁或锚杆，以增强结构体系的刚度和稳定性，如图6所示。

（五）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填的工作的开始，即可进行回收工作，具体回收步骤如下：

（1）随回填工作的进展，首先回收下部钢面板13。

（2）回填至腰梁部位，开始回收H型钢腰梁10。

（3）回填工作与钢面板13、H型钢腰梁10的回收工作依次交替进行。

（4）桩顶H型钢冠梁9拆除回收。

（5）吊车配合液压千斤顶对型钢支护桩1拔出回收。

显然，上述实施例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他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发明创造的保护范围之中。

Claims (1)

1.一种刚柔复合防渗可回收支护结构的设计施工方法，其特征在于，在基坑支护结构中，首次引入机械制造和标准化生产的理念，根据相关资料完成设计与验算工作后，才进行支护结构的施工，施工过程具体包括如下步骤：

（一）型钢支护桩施工，其具体步骤如下：

（1）型钢支护桩加工：根据设计要求，在型钢支护桩的顶部、腰梁对应位置进行冠梁安装孔、腰梁安装孔的加工、后期回收用的吊装孔加工，并穿入回收钢缆，根据设计需要，型钢支护桩也可以采用钢管桩代替；

（2）型钢支护桩成孔施工：在指定地面位置，利用桩机进行型钢支护桩成孔施工，施工过程中严格控制成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直度两个方面；

（3）植入型钢支护桩：利用吊车、独立设计研发的平面定位装置，精确的将型钢支护桩植入确定的桩孔正中心，满足设计的定位精度要求；

（4）桩孔回填，对桩孔采用适合地层需要的材料进行回填，以保证型钢支护桩的稳定及开挖边坡土体的稳定，回填材料可以为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）H型钢冠梁、H型钢腰梁安装，其具体步骤如下：

（1）H型钢冠梁、H型钢腰梁加工：根据基坑形状，加工桩顶H型钢冠梁、H型钢腰梁，采用机械拉弯加工工艺及打孔处理，包括冠梁安装孔、腰梁安装孔，以方便H型钢冠梁、H型钢腰梁的螺栓连接；

（2）H型钢冠梁、H型钢腰梁的拼接安装：随着基坑开挖的进行，首先采用水准仪对H型钢冠梁、H型钢腰梁的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用螺栓对H型钢冠梁、H型钢腰梁与型钢支护桩固定连接；

（三）钢面板安装，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1m，分层分段安装，采用人工方法进行清理型钢支护桩附近的土体；

（2）在清理后的型钢支护桩桩表面安装钢面板，具体实施步骤如下：

a.钢面板加工：首先按型钢支护桩间距、适合人工操作的高度确定钢面板尺寸，对钢面板进行裁剪，若采用螺丝固定钢板，需提前对钢板进行打孔处理，根据钢面板的安装方式，或者采用螺丝固定或者采用焊接工艺；

b.钢面板安装：安装前，采用水准仪对面板进行定位与校正，随后根据设计和施工需要，可采用螺丝连接或者焊接工艺进行钢面板安装，将钢面板牢固的固定在型钢支护桩上；

c.钢面板后注浆：为保证钢面板与侧壁土体紧密结合，在钢面板背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；

（四）依次竖向分层分段开挖，重复步骤(二)、（三），施工至设计深度，即基坑开挖至基底标高，即完成刚柔复合防渗可回收支护结构的施工，根据计算结果，在体系的对应位置设置对撑钢梁或锚杆，以增强结构体系的刚度和稳定性；

（五）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填工作的开始，即可进行回收工作，具体回收步骤如下：

（1）随回填工作的进展，首先回收下部钢面板；

（2）回填至腰梁部位，开始回收H型钢腰梁；

（3）回填工作与钢面板、H型钢腰梁的回收工作依次交替进行；

（4）桩顶H型钢冠梁拆除回收；

（5）吊车配合液压千斤顶对型钢支护桩拔出回收。