CN107794927A - 一种具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，包括以下步骤:深基坑土体分层步骤：将深基坑土体由上至下划分为N层土方，第N层为硬岩地质土方；深基坑支护步骤：在深基坑边界施工支护结构；第一层至第N‑1层土方开挖步骤；第N层土方开挖步骤：硬岩地质土方位于支护结构周围的部分区域为支护区域，其余部分为开挖区域；在完成第一层至第N‑1层土方开挖步骤之后，采用第一凿岩机械凿除开挖区域的硬岩，开挖区域的硬岩凿除完成之后，在第N层土方上方完成该层第二横支撑梁的施工，之后采用第二凿岩机械凿除支护区域的硬岩。本发明采用第一凿岩机械对开挖区进行开挖，工艺简单，施工安全性较高。

Description

一种具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法
技术领域
本发明涉及土方开挖技术领域，尤其涉及一种具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法。
背景技术
目前，常规深基坑土方开挖遵循“开槽支撑，先撑后挖，分层开挖，严禁超挖”的原则进行施工。即根据深基坑的高度将基坑由上至下分为多层，开挖时，首先，先在深基坑外侧设置竖向的支护桩或地下连续墙(即支护结构)，在第一层土方的施工作业面上完成第一道横支撑梁的施工，在完成第一道横支撑梁的施工后直接采用挖掘机挖去第一横支撑梁下方的土方，并开挖至第二层土方的施工作业面位置停止；其次，以第二层土方的施工作业面为支撑面施工第二道横支撑梁，直接采用挖掘机挖去第二道横支撑梁下方的土方，并开挖至第三层土方的施工作业面位置停止；紧接着，重复上述施工横支撑梁后再开挖的步骤对其他各层的土方进行开挖，直至开挖完全；但是，由于已固定完成的横支撑梁限制了作业空间，且硬岩地质层的土质硬度较大，而挖掘机等只能适用于比较松软的地质，故在开挖之前为了松动硬岩地质层常采用小药量松动爆破凿除，但是，采用小药量松动爆破的方法存在以下缺陷：
每次需钻探较多爆破孔，爆破前后需要进行大量安全防护和安全检查工作，工艺繁琐，成本高，且具有一定的危险性。
发明内容
为了克服现有技术的不足，本发明的目的在于提供具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其可采用第一凿岩机械对开挖区进行开挖，工艺简单，施工安全性较高。
本发明的目的采用如下技术方案实现：
一种具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，包括以下步骤：
深基坑分层步骤：在深基坑放线测量完毕后，将深基坑土体由上至下划分为N层土方，N≥1，其中，第N层为硬岩地质土方；
深基坑支护步骤：在深基坑边界施工支护结构；
第一层至第N-1层土方开挖步骤：在完成深基坑支护步骤之后，依照由上至下逐层开挖的顺序，并按照每层土方开挖的步骤完成第一层至第N-1层土方的开挖，其中，每层土方开挖的步骤包括以下步骤：先在待施工土方的施工作业面上完成该层第一横支撑梁的施工，后对待施工土方进行开挖。
第N层土方开挖步骤：硬岩地质土方位于所述支护结构周围的部分区域为支护区域，其余部分为开挖区域；在完成第一层至第N-1层土方开挖步骤之后，采用第一凿岩机械凿除开挖区域的硬岩，开挖区域的硬岩凿除完成之后，在第N层土方上方完成该层第二横支撑梁的施工，之后采用第二凿岩机械凿除支护区域的硬岩。
进一步地，该第一凿岩机械的整机工作重量为30吨级及以上。
进一步地，所述第二凿岩机械的整机工作重量为30吨级以下。
进一步地，在采用第一凿岩机械对开挖区域进行土方开挖时，并将开挖出来的土回填至开挖区域，并使回填的土与支护区域的上表面齐平以配合形成为施工作业面，之后以该施工作业面为支撑面完成所述第二支撑梁的施工。
进一步地，在完成第二支撑梁的施工后，将回填的土掏运出开挖区域外。
进一步地，在采用第一凿岩机械对开挖区域的进行开挖前，将开挖区域分成多个小开挖区，之后采用多台所述第一凿岩机械对多个小开挖区域同时进行开挖，并在每个小开挖区完成开挖之后将开挖的硬岩回填至小开挖区。
进一步地，所述小开挖区的宽度为5m。
进一步地，在采用第一凿岩机械对开挖区域的硬岩地质进行开挖时，先对开挖区与所述第一横支撑梁对应的部位进行开挖。
进一步地，所述第一横支撑梁和第二横支撑梁分别固定在所述支护结构。
进一步地，所述支护结构为支护桩或地下连续墙。将深基坑土体由上至下划分
相比现有技术，本发明的有益效果在于：
本发明通过支护结构和横支撑梁的配合，实现对深基坑整体的支护和第1层至第N-1层的支护，避免对第N层造成影响，并在支护区域的硬岩地质与支护桩的配合下实现对第N层的支撑，无需先施工横支撑梁即可对开挖区进行开挖，且第N层具有较大的施工作业空间，利于凿岩机械对第N层的凿岩操作，并配合第一凿岩机械和第二凿岩机械对第N层进行开挖，相对小药量松动爆破，整个施工作业程序简单安全。
附图说明
图1为本发明具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法的施工流程图；
图2为本发明具有硬岩地质的深基坑的土方开挖的三维结构示意图；
图3为本发明具有硬岩地质的深基坑的支护结构受力图；
图4为本发明具有硬岩地质的深基坑的支护结构受力变形图。
图中：10、第一横支撑梁；20、支护结构。
具体实施方式
下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。
如图1所示的一种具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，包括以下步骤：
深基坑分层步骤：在深基坑放线测量完毕后，将深基坑土体由上至下划分为N层土方，N≥1，其中，第N层为硬岩地质土方；
深基坑支护步骤：在深基坑边界施工支护结构20；
第一层至第N-1层土方开挖步骤：在完成深基坑支护步骤之后，依照由上至下逐层开挖的顺序，并按照每层土方开挖的步骤完成第一层至第N-1层土方的开挖，其中，每层土方开挖的步骤包括以下步骤：先在待施工土方的施工作业面上完成该层第一横支撑梁10的施工，后对待施工土方进行开挖。
第N层土方开挖步骤：硬岩地质土方位于所述支护结构20周围的部分区域为支护区域，其余部分为开挖区域；在完成第一层至第N-1层土方开挖步骤之后，采用第一凿岩机械凿除开挖区域的硬岩，开挖区域的硬岩凿除完成之后，在第N层土方上方完成该层第二横支撑梁的施工，之后采用第二凿岩机械凿除支护区域的硬岩。
通过在深基坑边界施工支护结构20，对深基坑整体进行支护；并在第一层至第N-1层土方均施工第一横支撑梁10，以对各层土方进行支撑，而避免第一层至第N-1层对第N层土方造成影响；而在开挖第N层土方时，将硬岩地质土方分为支护区域和开挖区域，由于硬岩地质的土具有弹性且受刚性约束，其与支护结构20共同配合对硬岩地质土方进行支撑，此处的支护区域面积以可确保基坑安全为准，即无需先施工第二横支撑梁即可对开挖区进行开挖，且第N层具有较大的施工作业空间，利于第一凿岩机械对第N层的凿除操作，并配合第一凿岩机械和第二凿岩机械对开挖区进行开挖，之后完成第N层的第二横支撑梁的施工，后凿除支护区域的硬岩，以完成深基坑的整体开挖；凿岩过程更简单相对采用小药量松动爆破的方式，整个施工作业程序简单安全。
由于先预留了支护区域的硬岩暂代第二横支撑梁为第N层提供支护作用，使得第N-1层与第N层之间具有较大的施工作业空间可供凿岩机械的凿臂伸入并进行凿岩动作，故，优选地，该第一凿岩机械的整机工作重量为30吨级及以上，根据公知常识可知，整机工作重量越大，凿岩机械的整体体积越大，凿岩机械的凿臂体积越大；根据公知常识可知，相对现有整机工作重量为30吨级以下的凿岩机械，第一凿岩机械的凿除硬岩的施工效率高得多，其中，单机施工效率统计数据如下(其中：Rb为岩石饱和抗压强度)：5MPa≤Rb≤10MPa时，PC120凿岩机械(整机工作重量为12吨级的凿岩机械)每小时凿岩50～80m3，PC200凿岩机械(整机工作重量为20吨级的凿岩机械)每小时凿岩80～150m3，PC300凿岩机械(整机工作重量为30吨级的凿岩机械)每小时凿岩120～200m3；10MPa≤Rb≤20MPa时，PC120凿岩机械每小时凿岩15～50m3，PC200凿岩机械每小时凿岩30～80m3，PC300凿岩机械每小时凿岩80～120m3；20MPa≤Rb≤35MPa时，不建议采用PC120凿岩机械，PC200凿岩机械每小时凿岩小于30m3，PC300凿岩机械每小时凿岩30～80m3；即开挖区域采用第一凿岩机械进行开挖，大大地提高了凿岩效率，缩短施工时间。
由于第二支撑梁的施工限位了施工作业空间，为了使施工更顺利，进一步地，所述第二凿岩机械的整机工作重量为30吨级以下，第二凿岩机械的凿臂体积较小，可深入被限制的施工作业空间内。
现有的施工过程中，施工支撑梁时需要先设置施工平面，即采用现有的施工作业面或者重新搭建施工架等方式完成支撑梁的施工；进一步地，本实施例的施工步骤中，在采用第一凿岩机械对开挖区域进行土方开挖时，并将开挖出来的土回填至开挖区域，并使回填的土与支护区域的上表面齐平以配合形成为施工作业面，之后以该施工作业面为支撑面完成所述第二支撑梁的施工；首先采用该施工作业面为支撑面，无需再搭建施工架，可简化施工工艺，再者，回填的土可进一步保障第N层土方的稳定性。
更进一步地，在完成第二支撑梁的施工后，将回填的土掏运出开挖区域外，由于回填的土经第一凿岩机械进行凿除之后，以得到松动作用，可实现便捷快速的掏运回填的土。
具体地，在采用第一凿岩机械对开挖区域的进行开挖前，将开挖区域分成多个小开挖区，之后采用多台所述第一凿岩机械对多个小开挖区域同时进行开挖，并在每个小开挖区完成开挖之后将开挖的硬岩回填至小开挖区，合理规划作业面，分区域流水作业加快施工进度；其中，可根据机械投入和工期要求安排多个小开挖区同步施工。
优选地，小开挖区的宽度为5m，以方便第一凿岩机械作业。
由公知常识可知，第N层与第一支撑梁对应的部位可为第二支撑梁的施工部位，优选地，在采用第一凿岩机械对开挖区域的硬岩地质进行开挖时，先对开挖区与所述第一横支撑梁10对应的部位进行开挖，使得第二横支撑梁的施工和其他剩余区域的开挖可分区段流水施工，方便进行施工资源配置，加快了整个施工进度。
优选地，所述第一横支撑梁10和第二横支撑梁分别固定在所述支护结构20，可采用固定铰支座连接。
具体地，所述支护结构20为支护桩或地下连续墙。
需要说明的是，上述的支护区域的面积需经过应通过安全计算确定，计算方法和程序介绍如下：
如图2所示，在假设N＝4，且支护体系由“支护结构+四道内横支撑梁”构成的情况下进行分析，第一道第一横支撑梁10与支护结构20通过冠梁连接，其他第一横支撑梁10与支护结构20通过腰梁连接；本施工方法预留宽度为L的支护区域代替第四道横支撑梁作为临时支撑。任意相邻的两横支撑梁间距从上往下依次为L4-L1，第三道第一横支撑梁10与支护区域高差为L2，支护区域高度为L1，总高差H。基坑外侧岩层上有m层不同性状的土层，从上往下高度依次为h1，h2……hm。
第一步：基本假设和模型简化
1.支护结构20及下部预留支护区域的硬岩均为理想弹性体，受力变形在弹性极限范围内。
2.实体模型在Y轴方向具有均匀性，即三维模型转化为X-Z平面上的二维模型。
3.第一横支撑梁10与支护结构20之间为固定铰支座连接。支护结构20及预留支护区域的硬岩底部受刚性约束。
4.支护区域的硬岩与两侧未开挖的原岩之间仅考虑黏聚剪切作用。
5.预留支护区域的硬岩只受支护桩侧向挤压作用，土台与支护结构20变形相同。
6.基坑外侧土体对支护结构20土压力取静止土压力，基坑外侧岩层对支护结构20无侧向压力作用。
经简化后可粗略画基坑支护结构20受力图(如图3所示)和变形图(如图4所示)；
第二步：模型求解
1.根据支护结构20参数计算等效弹性模量E1和惯性矩I1；查地质勘探报告可知原岩设计弹性模量E2，假定支护区域最小宽度(L＝L1)计算支护区域惯性矩为I2。即0≤Z＜L1时，抗弯截面系数为E1I1+E2I2；当L1≤Z＜H时，抗弯截面系数为E1I1。
2.查地质勘探报告计算静止土压力q(z)
3.本结构为三次超静定结构，取悬臂结构为基本结构，列变形协调方程组如下：
Wz＝δ11N1+δ12N2+δ13N3+Δ1q＝0(z＝L1+L2+L3+L4)
Wz＝δ21N1+δ22N2+δ23N3+Δ2q＝0(z＝L1+L2+L3)
Wz＝δ31N1+δ32N2+δ33N3+Δ3q＝0(z＝L1+L2)
其中δij为柔度系数，Δiq为静止土压力q(z)引起的位移；可根据材料力学和结构力学计算柔度矩阵和土压力引起的位移。
4.求解变形协调方程组，得三个未知力N1、N2和N3。
5.根据静止土压力q(z)和支撑力N1～N3计算z＝L1时的剪力FL1和弯矩ML1，并计算0≤Z＜L1最大剪力Fmax和弯矩Mmax。
6.分析0≤Z＜L1时对应的应力状态，计算最大剪应力τ。
7.根据地质勘察报告可知土体黏聚力c和内摩擦角ψ，由此可计算允许剪应力[τ]，最大剪应力τ小于允许剪应力[τ]，则支护区域作为临时结构是安全的；否则应扩大土台宽度并重新进算。
8.进行土体抗倾覆验算，如能通过验算，则支护区域作为临时结构是安全的；否则应扩大支护区域宽度并重新进算。
上述实施方式仅为本发明的优选实施方式，不能以此来限定本发明保护的范围，本领域的技术人员在本发明的基础上所做的任何非实质性的变化及替换均属于本发明所要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于，包括以下步骤：
深基坑分层步骤：在深基坑放线测量完毕后，将深基坑土体由上至下划分为N层土方，N≥1，其中，第N层为硬岩地质土方；
深基坑支护步骤：在深基坑边界施工支护结构；
第一层至第N-1层土方开挖步骤：在完成深基坑支护步骤之后，依照由上至下逐层开挖的顺序，并按照每层土方开挖的步骤完成第一层至第N-1层土方的开挖，其中，每层土方开挖的步骤包括以下步骤：先在待施工土方的施工作业面上完成该层第一横支撑梁的施工，后对待施工土方进行开挖。
第N层土方开挖步骤：硬岩地质土方位于所述支护结构周围的部分区域为支护区域，其余部分为开挖区域；在完成第一层至第N-1层土方开挖步骤之后，采用第一凿岩机械凿除开挖区域的硬岩，开挖区域的硬岩凿除完成之后，在第N层土方上方完成该层第二横支撑梁的施工，之后采用第二凿岩机械凿除支护区域的硬岩。
2.如权利要求1所述的具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于：该第一凿岩机械的整机工作重量为30吨级及以上。
3.如权利要求1所述的具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于：所述第二凿岩机械的整机工作重量为30吨级以下。
4.如权利要求1所述的具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于：在采用第一凿岩机械对开挖区域进行土方开挖时，并将开挖出来的土回填至开挖区域，并使回填的土与支护区域的上表面齐平以配合形成为施工作业面，之后以该施工作业面为支撑面完成所述第二支撑梁的施工。
5.如权利要求4所述的具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于：在完成第二支撑梁的施工后，将回填的土掏运出开挖区域外。
6.如权利要求4所述的具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于：在采用第一凿岩机械对开挖区域的进行开挖前，将开挖区域分成多个小开挖区，之后采用多台所述第一凿岩机械对多个小开挖区域同时进行开挖，并在每个小开挖区完成开挖之后将开挖的硬岩回填至小开挖区。
7.如权利要求6所述的具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于：所述小开挖区的宽度为5m。
8.如权利要求7所述的具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于：在采用第一凿岩机械对开挖区域的硬岩地质进行开挖时，先对开挖区与所述第一横支撑梁对应的部位进行开挖。
9.如权利要求1所述的具有硬岩地质的深基坑土方开挖方法，其特征在于：所述第一横支撑梁和第二横支撑梁分别固定在所述支护结构。
10.如权利要求1所述的具有硬岩地质的审基坑土方开挖方法，其特征在于：所述支护结构为支护桩或地下连续墙。
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