CN106759375A - 一种高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系，包括若干个沿基坑周边地面竖直钻入的冻结管，若干个由基坑边坡坡面钻入、且呈规则排列的钢管式土钉，以及设于基坑边坡坡面外侧壁上的混凝土防冲刷面板；在所述冻结管下端、位于地下水位线以下设有垂直于基坑周边地面的冻土帷幕防水墙，其中位于地下水位线以上的钢管式土钉内部设有冻结管、末端设有冻土锚固头，其余钢管式土钉末端钻入冻土帷幕防水墙内锚固；本发明的优点在于，不仅支护成本低、施工工期短、不会污染环境，而且解决了上层土钉易被拔出、下层土钉抗拔承载力不足的问题，同时还具有强大的挡水能力。

Description

一种高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系及施工方法

技术领域

本发明涉及一种冻土钉墙支护施工工程，尤其是涉及一种高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系及施工方法。

背景技术

由于土地资源的紧缺，城镇建设中高层及超高层建筑大量涌现，深基坑工程越来越多，深基坑支护一般施工方法复杂、安全风险大、工程造价高，选择合适的支护方法对保证基坑安全、节约施工成本尤为重要。目前，在高水位的软土地区常采用的支护方式有钻孔咬合桩和地下连续墙。钻孔咬合桩是钻孔灌注桩与水泥土搅拌桩相互咬合的一种基坑支护结构，由钢筋混凝土灌注桩承担水平向的土压力，水泥土搅拌桩结合钻孔灌注桩共同挡水；地下连续墙施工需先修筑导墙，然后在导墙内分段挖竖直槽，挖槽过程中采用泥浆护壁，然后吊放钢筋笼，水下浇筑混凝土，一段一段连接成一堵地下钢筋混凝土连续墙，成为永久性的支护结构。上述两种方法支护高水位软土基坑技术较为成熟，但具有如下缺点：①支护成本特别高；②支护施工工期长且施工难度大；③施工中需要泥浆护壁，易污染环境。

土钉墙支护是一种原位土体加固技术，其受力特点是通过斜向土钉对基坑边坡土体的加固，增加边坡的抗滑力和抗滑力矩，达到稳定基坑边坡的作用，该支护方法施工方法简单、支护成本很低，经济效益明显。土钉支护一般适用于可塑、硬塑或坚硬状态的粘性土土层，在软土地区，由于软土强度低，土钉与土之间的摩擦力较小，土钉的抗拔承载力不足，土钉易被拔出，故无法应用土钉墙；另外，土钉墙没有挡水能力，也不适用于高水位基坑。

目前，高水位软土基坑支护存在的主要问题有如下几点：

1、钻孔咬合桩和地下连续墙能够支护高水位软土基坑，但支护成本高、支护施工工期长、施工方法复杂、易污染环境。

、土钉墙支护成本低、工期短、无污染，但在软土基坑中土钉的抗拔承载力不足，故无法应用到软土基坑。

、土钉墙支护无防水能力，不适用于地下水位高于坑底的基坑支护。

在高水位软土地区进行基坑支护，如想达到支护成本低、支护工艺简单、支护工期短、无环境污染的目的，可以考虑采取类似土钉墙支护的方式，但必须解决两个问题：一是土钉抗拔承载力不足的问题，二是土钉墙不能挡水的问题。

发明内容

本发明目的是：提供一种高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系及施工方法，其支护成本低、施工工期短、不会污染环境，而且解决了上层土钉易被拔出、下层土钉抗拔承载力不足的问题，同时还具有强大的挡水能力。

本发明的技术方案是：一种高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系，包括若干个沿基坑周边地面竖直钻入的冻结管，若干个由基坑边坡坡面钻入、且呈规则排列的钢管式土钉，以及设于基坑边坡坡面外侧壁上的混凝土防冲刷面板；在所述冻结管下端、位于地下水位线以下设有垂直于基坑周边地面的冻土帷幕防水墙，其中位于地下水位线以上的钢管式土钉内部设有冻结管、末端设有冻土锚固头，其余钢管式土钉末端钻入冻土帷幕防水墙内锚固。

作为优选的技术方案，所述钢管式土钉包括钻头以及多节中空钢管，所述多节中空钢管的节与节之间采用螺纹连接。

作为优选的技术方案，所述钢管式土钉钻入深度位于基坑滑裂面以下。

作为优选的技术方案，所述冻土帷幕防水墙顶端与所述基坑滑裂面交叉。

一种高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系的施工方法，包括以下步骤：

第一步：在基坑周边打设冻结管，冻结管安装完毕后开始冻结并在地下水位线以下形成冻土帷幕防水墙；

第二步：分层开挖地下水位线上层土体，每层开挖完毕后安装前端带钻头的钢管式土钉，在该层钢管式土钉内部安装冻结管，连接冷源，对钢管式土钉端头进行冻结，形成扩大的冻结锚固头，然后在基坑边坡坡面上安装预制混凝土防冲刷面板；

第三步：分层开挖地下水位线下层土体，每层开挖完毕后安装前端带钻头的钢管式土钉，该层钢管式土钉伸入冻土帷幕防水墙内锚固，然后在基坑边坡坡面上安装预制混凝土防冲刷面板；

第四步：施工地下结构，待地下结构施工完成后，由下向上逐层拔出多节中空钢管，最后停止冻结，施工完成。

作为优选的技术方案，所述钢管式土钉包括钻头以及多节中空钢管，所述多节中空钢管的节与节之间采用螺纹连接。

本发明的优点是：

1．本发明提出一种适用于深度小于10米的高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系，施工用材料可以完全回收，施工成本仅为人工费和机械费，支护费用极低，解决了在高水位软土基坑中采用钻孔咬合桩和地下连续墙支护成本高的问题；

2．本发明打设冻结管用时很少，打设完冻结管就可以开挖，支护工期短，解决了钻孔咬合桩和地下连续墙支护施工工期长的问题，同时施工过程无需泥浆护壁，不会污染环境；

3．本发明一、二层土钉端部设有冻土锚固头，锚固头的外表面积为原来土钉面积的100倍左右，大大增加了土钉的抗拔承载力，解决了一、二层土钉易被拔出的问题；

4．本发明下层钢管式土钉锚固在冻土帷幕防水墙内，冻土帷幕防水墙无侧限抗压强度约为6-10MPa，冻土与土钉间的粘结力足以锚固下层土钉，冻土墙位于潜在滑裂面外侧，解决了下层土钉抗拔承载力不足的问题；

5．本发明冻土帷幕防水墙具有强大的挡水能力，由冻土帷幕防水墙作为基坑外围的挡水构件，解决了土钉墙结构不能挡水的问题；

6．本发明钢管式土钉为分段螺旋连接，支护完成后进行冻土解冻，解冻后的冻土失去对土钉的粘结力，土钉用很小的力就可以分段拔出，实现回收再利用。

附图说明

下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明钢管式土钉的结构示意图；

其中：1基坑，2冻结管，3钢管式土钉，31钻头，32多节中空钢管，33螺纹，4混凝土防冲刷面板，5地下水位线，6冻土帷幕防水墙，7冻土锚固头，8基坑滑裂面。

具体实施方式

实施例：

（1）施工工艺流程

打设冻结孔→安装冻结管→开始冻土帷幕冻结→分层开挖（地下水位线）上层土体（第一、二层土）→安装第一、二层钢管式土钉→冻结第一、二层钢管式土钉形成冻土锚固头→安装预制混凝土（防冲刷）面板→分层开挖（地下水位线）下层土体→安装钢管式土钉→安装预制混凝土（防冲刷）面板→地下工程施工→由下向上逐层拔出钢管式土钉→分层回填土→停止冻结。

（2）冻结设备安装

冻结设备安装施工操作要点:施工过程中应加强对每个施工工序的管理，控制好冻结孔成孔质量、冻结管安装质量、冻结站安装质量、做好冻结过程的检测。

）冻结孔开孔施工

①开孔间距误差控制在±20mm内，在打钻设备就位前，用仪器精确确定开孔孔位，以提高定位精度。

②准确丈量钻杆尺寸，控制钻进深度。

③按要求钻进、用灯光测斜，偏斜过大则进行纠偏。钻进3m时，测斜一次，如果偏斜不符合设计要求，立即采取调整钻孔角度及钻进参数等措施进行纠偏，如果钻孔仍然超出设计规定，则进行补孔。

）冻结管试漏与安装

冻结管（含测温管）采用丝扣联接加焊接，管子端部采用底盖板和底锥密封。冻结管安装完，进行水压试漏，初压力0.8MPa，经30分钟观察，降压≤0．05MPa，再延长15分钟压力不降为合格，否就近重新钻孔下管。

）冻结系统安装与调试

①按1.5倍制冷系数选配制冷设备，为确保冻结施工顺利进行，冷冻站安装足够的备用制冷机组。冷冻站运转期间，要有两套的配件，备用设备完好，确保冷冻机运转正常，提高制冷效率。

②管路用法兰连接，在盐水管路和冷却水循环管路上要设置伸缩接头、阀门和测温仪、压力表、流量计等测试元件。盐水管路经试漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保温，保温厚度为50mm，保温层的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈与冻结管的连接用高压胶管，每根冻结管的进出口各装阀门一个，以便控制流量。

③冷冻机组的蒸发器及低温管路用棉絮保温，盐水箱和盐水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保温。

④机组充氟和冷冻机加油按照设备使用说明书的要求进行。首先进行制冷系统的检漏和氮气冲洗，在确保系统无渗漏后，再充氟加油。

⑤设备安装完毕后进行调试和试运转。在试运转时，要随时调节压力、温度等各状态参数，使机组在有关工艺规程和设备要求的技术参数条件下运行。

⑥冷冻站安装完成后要按《矿山井巷工程施工及验收规范》要求进行试漏和抽真空，确保安装质量符合设计要求。

（3）冻土帷幕防水墙冻结施工

1）冻结试运转

在冻结试运转过程中，定时检测盐水温度、盐水流量和冻土帷幕扩展情况，必要时调整冻结系统运行参数。冻结系统运转正常后进入积极冻结。

）积极冻结

积极冻结，就是充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度。积极冻结盐水温度一般控制在-25～-28℃之间。

）维护冻结

维护冻结，就是通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求。维持冻结盐水温度一般控制在-22～-25℃之间，维护冻结时间由地下结构施工的时间决定。

（4）土方开挖

1）测量放线

根据地下工程施工的要求，确定基坑边坡的下边线位置，并根据坡度大小，放出边坡的上边线。每层土方开挖完毕并修整完边坡后，根据施工准备阶段制定的施工方案放出土钉的位置线，然后进行其他工作。

）土方开挖

基坑开挖应按设计要求分层开挖，分层开挖高度由设计要求土钉的竖向距离确定，超挖不低于土钉向下0.5m。分层开挖长度也宜分段进行，分段长度按土体可能维持不塌的自稳时间和施工流程相互衔接情况而定。

）修理边坡

在挖土过程中及时进行侧壁的修补，保证坡度满足施工要求，因为此项工艺直接关系到预制混凝土防冲刷面板的安装，故要严格按要求施工。

（5）钢管式土钉安装

1）土钉成孔

土钉成空前，应按设计要求定出孔位并作出标记和编号，成孔过程中遇到障碍需要调整孔位时，不得损害支护原定的安全程度。成孔过程中应做好成孔记录，按土钉编号逐一记载成孔质量和成孔事故处理。

）土钉安装

本发明采用的土钉为前端带钻头的中空钢管，无需像普通土钉一样先成孔、再放置钢筋、后进行孔内灌浆，本发明土钉成孔与土钉安装一次进行，成孔结束土钉即完成安装。

（6）冻土锚固头冻结

1）土钉内放置冻结管

根据设计的冻土锚固头长度，在钢管式土钉内放置冻结管，冻结管应深入土钉底部，冻结管长度由冻土锚固头的设计长度确定。

）积极冻结

积极冻结，就是充分利用设备的全部能力，尽快加速冻土发展，在设计时间内把盐水温度降到设计温度。积极冻结盐水温度一般控制在-25～-28℃之间。冻土锚固头一般设计半径为300mm，积极冻结时间可根据土热参数计算获得。

）维护冻结

维护冻结，就是通过对冻结系统运行参数的调整，提高或保持盐水温度，降低或停止冻土的继续发展，维持结构施工的要求。维持冻结盐水温度一般控制在-22～-25℃之间，维护冻结时间由地下结构施工的时间决定。

（7）钢管式土钉回收

拆除预制混凝土面板，在土钉钢管内进行热水循环，将土钉周围的冻土融化，接着反方向旋转土钉，将土钉从土层中旋出，分节卸下土钉管，回收再利用。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (6)

1.一种高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系，其特征在于，包括若干个沿基坑周边地面竖直钻入的冻结管，若干个由基坑边坡坡面钻入、且呈规则排列的钢管式土钉，以及设于基坑边坡坡面外侧壁上的混凝土防冲刷面板；在所述冻结管下端、位于地下水位线以下设有垂直于基坑周边地面的冻土帷幕防水墙，其中位于地下水位线以上的钢管式土钉内部设有冻结管、末端设有冻土锚固头，其余钢管式土钉末端钻入冻土帷幕防水墙内锚固。

2.根据权利要求1所述的高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系，其特征在于，所述钢管式土钉包括钻头以及多节中空钢管，所述多节中空钢管的节与节之间采用螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系，其特征在于，所述钢管式土钉钻入深度位于基坑滑裂面以下。

4.根据权利要求1所述的高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系，其特征在于，所述冻土帷幕防水墙顶端与所述基坑滑裂面交叉。

5.一种如权利要求1-4任一项所述的高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步：在基坑周边打设冻结管，冻结管安装完毕后开始冻结并在地下水位线以下形成冻土帷幕防水墙；

第二步：分层开挖地下水位线上层土体，每层开挖完毕后安装前端带钻头的钢管式土钉，在该层钢管式土钉内部安装冻结管，连接冷源，对钢管式土钉端头进行冻结，形成扩大的冻结锚固头，然后在基坑边坡坡面上安装预制混凝土防冲刷面板；

第三步：分层开挖地下水位线下层土体，每层开挖完毕后安装前端带钻头的钢管式土钉，该层钢管式土钉伸入冻土帷幕防水墙内锚固，然后在基坑边坡坡面上安装预制混凝土防冲刷面板；

第四步：施工地下结构，待地下结构施工完成后，由下向上逐层拔出多节中空钢管，最后停止冻结，施工完成。

6.根据权利要求5所述的高水位软土基坑冻土钉墙支护结构体系的施工方法，其特征在于，所述钢管式土钉包括钻头以及多节中空钢管，所述多节中空钢管的节与节之间采用螺纹连接。