CN108130910A - 一种主动控制基坑位移的支撑系统及其设计方法 - Google Patents

一种主动控制基坑位移的支撑系统及其设计方法 Download PDF

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李想
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Abstract

本发明涉及一种主动控制基坑位移的支撑系统及其设计方法，支撑系统包括围护结构，可调节的加力装置、混凝土横向支撑体系，立柱体系；加力装置横向设置，其两端分别与围护结构和混凝土横向支撑体系连接；混凝土横向支撑体系为整体杆系结构或板式结构中的一种或组合；立柱体系对混凝土横向支撑体系竖向支撑。本发明兼顾支撑系统稳定性和围护结构位移主动控制；混凝土支撑体系不易失稳，保证了整个体系的稳定性；在加力装置施加轴力时，整体杆系结构或板式结构的混凝土支撑体系产生的不利次内力较少，安全性高；尤其适用于形状复杂、大跨度的基坑，充分利用混凝土支撑灵活布置的优点。

Description

一种主动控制基坑位移的支撑系统及其设计方法
技术领域
本发明涉及一种基坑内的支撑系统，具体来说，是一种主动控制基坑位移的支撑系统及其设计方法，属于基坑工程技术领域。
背景技术
基坑开挖会引起周边地层的沉降和位移，从而影响邻近地铁隧道、建筑物的安全。现有的支撑系统的种类及存在的问题如下：
1、混凝土支撑体系，这种体系的稳定性较高，但是发生位移后无法采用措施进行补救，因此它无法主动控制围护结构的位移；此外，混凝土支撑体系多为超静定结构，混凝土构件受到弯、压、剪、扭的力，受力情况非常复杂，如在系统内部的构件中加入千斤顶施加轴力，会对整个体系产生次应力，易导致混凝土的构件受力和取值不一样，难以满足安全度的要求。
2、伺服式钢支撑体系，这种体系采用的是一个千斤顶连接一根钢支撑的方式，是一种长条形的结构，虽可以控制围护结构的位移，但是对于复杂形状的基坑无法适用。此外，大面积基坑开挖的情况，钢支撑的跨度较大，容易出现失稳的情况，一旦失稳，会出现连锁失效反应，增加基坑的风险。
3、钢支撑与混凝土支撑组合体系，常见的形式为伺服式钢支撑组合混凝土围檩，但是这仍然无法解决第2条中所述的缺点；另一种常见的形式是将混凝土支撑中的内部构件替换成伺服式钢支撑，但是混凝土体系超静定结构，当伺服式钢支撑施加轴力时，会对体系产生次应力，体系的安全度削弱，基坑风险增加。
此外，现有技术应对大面积基坑时，施工中也会采用基坑分坑施工的方法，将大面积基坑分割成多个小基坑进行开挖和支护，这种方案需要施工多个分坑之间的分隔墙，大大增加了施工工期和造价。
综上所述，现有技术无法兼顾主动控制位移和体系稳定的优势，施工工期长，造价高。
发明内容
本发明的目的是提供一种主动控制基坑位移的支撑系统及其设计方法，兼有主动控制围护结构位移和支撑体系稳定的优点，通过加力装置可以控制围护结构的位移，保证混凝土支撑体系稳定；并且，在大面积开挖时可避免分区，节省造价和工期。
本发明采取以下技术方案：
一种主动控制基坑位移的支撑系统，包括围护结构，可调节的加力装置、混凝土横向支撑体系3，立柱体系；所述加力装置横向设置，其两端分别与围护结构和混凝土横向支撑体系3连接；所述混凝土横向支撑体系3为整体杆系结构或板式结构的一种或组合；所述立柱体系对所述混凝土横向支撑体系3竖向支撑。
进一步的，围护结构是地下连续墙。
进一步的，所述围护结构是排桩17，所述排桩17通过围檩18与加力装置连接。
进一步的，所述混凝土横向支撑体系3由钢筋混凝土构成，立柱体系是型钢格构柱、钢管、混凝土、钢管混凝土中的一种或几种。
更进一步的，所述立柱体系由多根立柱4构成，立柱4下端插入立柱桩或土体中。
更进一步的，加力装置两端设有预埋件垫板10，预埋件垫板上伸出锚固钢筋6，所述锚固钢筋6预埋在待现浇的横向支撑体系3与围护结构的内部。
再进一步的，加力装置与围护结构连接一侧，通过滑动铰支座连接预埋件垫板10，通过锚固钢筋6连接到围护结构中。
再进一步的，围护结构是排桩17，排桩17靠近基坑内部一侧设置围檩18，滑动铰支座通过预埋件垫板10和锚固钢筋6连接围檩18。
更进一步的，所述围檩为钢围檩，钢围檩直接与滑动铰支座焊接或螺栓连接，滑动铰支座与加力装置连接。
再进一步的，滑动铰支座包括加力装置垫板、滚珠/棒8和滑槽9，滚珠/棒8置于加力装置垫板和滑槽9之间，加力装置垫板和滑槽9之间能够产生相对滑动。
再进一步的，滚珠/棒8为高强度材质。
再进一步的，加力装置通过外界的控制系统12控制，对围护结构施加横向推力。
进一步的，所述加力装置是千斤顶。
进一步的，部分或全部的相邻加力装置之间，设有混凝土墩自锁装置。
更进一步的，所述混凝土墩自锁装置包括混凝土墩14，所述混凝土墩14一端与混凝土横向支撑体系3连接，另一端具有楔块承载部，楔块承载部上设有由一对相互配合楔块构成的楔块组，楔块组顶住围护结构。
一种主动控制基坑位移的支撑系统的设计方法，配置成整体杆系结构或板式结构的混凝土横向支撑体系3，将可调节推力的加力装置，横向上固定设置在围护结构与混凝土横向支撑体系3之间，采用立柱体系对混凝土横向支撑体系3进行支撑。
进一步的，施工时，包括以下步骤：
S1、定位并施工地下围护结构、立柱体系；
S2、开挖第一层土体至第一层支撑底部的深度，架设混凝土支撑模板，放置钢筋笼，并与立柱体系连接；浇筑混凝土，形成第一道混凝土横向支撑体系3；
S3、第一道混凝土横向支撑体系3养护到设计强度时，开挖第二层土体至第二层支撑底部的深度，架设混凝土支撑模板，放置钢筋笼，并与立柱体系连接；浇筑混凝土，形成第二道混凝土横向支撑体系3；
S4、步骤S2、S3之间，及S3、S4之间至少其中之一，待混凝土横向支撑体系3养护到设计强度时，安装加力装置，加力装置两端分别与混凝土横向支撑体系3及围护结构连接；加力装置通过油管连接外界的控制系统12，在开挖过程中，若围护结构产生较大位移时，通过控制系统12控制油压，对围护结构施加向基坑外的横向推力，减小围护结构的位移，实现位移的主动控制；
S5、若需开挖第三层或第三层以下土体至对应的支撑底部的深度，重复S3、S4的步骤；
进一步的，步骤S1中，围护结构是地下连续墙2，地下连续墙2的钢筋笼中预埋锚固钢筋6和预埋件垫板10，锚固钢筋6和预埋件垫板10预埋的位置与加力装置安装的位置一致；步骤S4中，加力装置的非活络头端焊接固定在预埋件垫板10上，通过锚固钢筋6连接第二道混凝土横向支撑体系3；另一边的活络头13焊接在加力装置垫板上，加力装置垫板限制于滑槽9中，加力装置垫板和滑槽9中间放置滚珠/棒8，使得加力装置垫板和滑槽间可以相对滑动，形成滑动铰支座，滑槽9焊接在预埋件垫板10上，通过锚固钢筋6连接地下连续墙2。
进一步的，步骤S3中，浇筑混凝土后，还形成围檩18和混凝土墩20；混凝土墩20靠近围檩18一侧，设置注浆孔19；步骤S4中，当围檩18和混凝土墩20产生间隙时，利用注浆孔19灌注灌浆料使间隙闭合。
进一步的，围护结构采用地下连续墙，步骤S3中，浇筑混凝土后，还形成混凝土墩20；混凝土墩20靠近地下连续墙一侧，设置注浆孔19；步骤S4中，当围檩18和混凝土墩20产生间隙时，利用注浆孔19灌注灌浆料使间隙闭合。
进一步的，步骤S4中，在部分或全部的相邻加力装置之间，设置混凝土墩自锁装置，在混凝土墩自锁装置的混凝土墩14上放置下楔块15和上楔块16，上楔块和下楔块的角度小于材料的自锁角，当地下连续墙2和下楔块15产生间隙时，敲击上楔块16，使地下连续墙2和下楔块15的间隙闭合。本发明的有益效果在于：
1)兼顾支撑系统稳定性和围护结构位移主动控制。利用加力装置对围护结构施加向基坑外的横向推力，减小围护结构位移；混凝土支撑体系不易失稳，保证了整个体系的稳定性。
2)在加力装置施加轴力时，整体杆系结构和板式结构的混凝土支撑体系产生的不利次内力较少，安全性高。
3)尤其适用于形状复杂的基坑，充分利用混凝土支撑灵活布置的优点。
4)大面积基坑开挖过程中，无需进行分坑开挖，不需要施工分隔墙，减少工程造价、材料消耗，缩短工期，绿色环保。
5)本系统中的滑动铰支座，可以确保在发生立柱隆起等竖向位移情况下加力装置的稳定性，风险降低。
6)混凝土墩自锁装置设计巧妙，进一步保证了整个系统的稳定性。
7)混凝土墩注浆孔装置设计巧妙，进一步保证了整个系统的稳定性。
附图说明
图1是本发明实施例一中的主动控制基坑位移的支撑系统的俯视图。
图2是图1的立面剖视图。
图3是图1中A-A部位的加力装置的详图。
图4是图1中B-B部位的加力装置的详图。
图5是实施例二中的主动控制基坑位移的支撑系统的俯视图。
图6是图5的立面剖视图。
图7是图5中C-C部位的混凝土墩和注浆孔装置的详图。
图中的附图标记，1、千斤顶；2、地下连续墙；3、混凝土横向支撑体系；4、立柱；5、立柱桩；6、锚固钢筋；7、千斤顶垫板；8、滚珠/棒；9、滑槽；10、预埋件垫板；11、油管；12、控制系统；13、加力装置活络头；14、混凝土墩；15、下楔块；16、上楔块；17、排桩；18、围檩；19、注浆孔；20、混凝土墩块。
具体实施方式：
下面结合附图和具体实施例对本发明进一步说明：
实施例1：
如图1-4所示，此实施例采用地下连续墙作为围护结构，具体实施时，包括以下步骤：
1)定位并施工地下连续墙2、立柱4和立柱桩5，其中，地下连续墙2的钢筋笼中预埋锚固钢筋6和预埋件垫板10，锚固钢筋6和预埋件垫板10预埋的位置与千斤顶安装的位置一致。考虑施工误差，预埋件垫板10可适当使用比设计尺寸更大的钢板。立柱4插入立柱桩5中，具体插入深度可根据设计要求和受力调整。
2)开挖第一层土体至第一层支撑底部的深度，架设混凝土支撑模板，放置钢筋笼，并与立柱4焊接；浇筑混凝土，形成第一道混凝土横向支撑3。
3)待第一道混凝土横向支撑3养护到设计强度时，开挖第二层土体至第二层支撑底部的深度，架设混凝土支撑模板，放置钢筋笼，并与立柱4连接，在对应千斤顶位置放入锚固钢筋6和预埋件垫板10；浇筑混凝土，形成第二道混凝土横向支撑3和混凝土墩14。
4)待第二道混凝土横向支撑3和混凝土墩14养护到设计强度时，安装千斤顶1，千斤顶1的非活络头端焊接固定在预埋件垫板10上，通过锚固钢筋6连接第二道混凝土横向支撑3；另一边的活络头13焊接在千斤顶垫板7上，千斤顶垫板7限制于滑槽9中，千斤顶垫板7和滑槽9中间放置钢滚珠8，使得千斤顶垫板7和滑槽间可以相对滑动，形成滑动铰支座，滑槽9焊接在预埋件垫板10上，通过锚固钢筋6连接地下连续墙2。在混凝土墩14上放置下楔块15和上楔块16，上楔块和下楔块的角度小于材料的自锁角。
如图1所示，千斤顶间距可根据设计要求按需确定。
此外，千斤顶的活络头端，可以直接连接到预埋件垫板10上，进而通过锚固钢筋6连接地下连续墙2，但并不是优选方案。混凝土墩14、下楔块15和上楔块16是优选方案，但非必要构件。
5)千斤顶1通过油管连接外界的控制系统12，在开挖过程中，若围护结构产生较大位移时，通过控制系统12控制油压，对地下连续墙2施加向基坑外的横向推力，减小地下连续墙2的位移，实现位移的主动控制；当地下连续墙2和下楔块15产生间隙时，可敲击上楔块16，使地下连续墙2和下楔块15的间隙闭合。
6)开挖第三层土体至第三层支撑底部的深度，重复3、4、5的步骤。
7)开挖第四层土体至坑底，完成所有开挖。
实施例2：
如图3、图5-7所示，此实施例采用排桩作为围护结构，具体实施时，包括以下步骤：
1)定位并施工排桩17、立柱4和立柱桩5。立柱4插入立柱桩5中，具体插入深度可根据设计要求和受力调整。
2)开挖第一层土体至第一层支撑底部的深度，架设混凝土支撑模板，放置钢筋笼，并与立柱4焊接；浇筑混凝土，形成第一道混凝土横向支撑3。
3)待第一道混凝土横向支撑3养护到设计强度时，开挖第二层土体至第二层支撑底部的深度，架设混凝土支撑模板，放置钢筋笼，并与立柱4连接，在对应千斤顶位置放入锚固钢筋6和预埋件垫板10；浇筑混凝土，形成第二道混凝土横向支撑3、围檩18和混凝土墩20；混凝土墩20靠近围檩18的一侧，设置注浆孔19。
4)待第二道混凝土横向支撑3和混凝土墩20养护到设计强度时，安装千斤顶1，千斤顶1的非活络头端通过螺栓固定在预埋件垫板10上，通过锚固钢筋6连接第二道混凝土横向支撑3；另一边的活络头13通过螺栓固定在千斤顶垫板7上，千斤顶垫板7限制于滑槽9中，千斤顶垫板7和滑槽9中间放置钢滚珠8，使得千斤顶垫板7和滑槽间可以相对滑动，形成滑动铰支座，滑槽9通过螺栓固定在预埋件垫板10上，通过锚固钢筋6连接围檩18。
如图5所示，千斤顶间距可根据设计要求按需确定。
此外，千斤顶的活络头端，可以直接连接到预埋件垫板10上，进而通过锚固钢筋6连接围檩18，但并不是优选方案。如图7所示，采用混凝土墩20和注浆孔19是优选方案，但非必要构件。
5)千斤顶1通过油管连接外界的控制系统12，在开挖过程中，若围护结构产生较大位移时，通过控制系统12控制油压，对围檩18施加向基坑外的横向推力，减小排桩17的位移，实现位移的主动控制；当围檩18和混凝土墩20产生间隙时，可利用注浆孔19灌注灌浆料使间隙闭合
6)开挖第三层土体至坑底，完成所有开挖。
以上是本发明的两项实施例，本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进，在不脱离本发明总的构思的基础上，这些变换或改进都应当属于本发明要求保护的范围之内。

Claims (21)

1.一种主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:
包括围护结构，可调节的加力装置、混凝土横向支撑体系(3)，立柱体系；
所述加力装置横向设置，其两端分别与围护结构和混凝土横向支撑体系(3)连接；
所述混凝土横向支撑体系(3)为整体杆系结构或板式结构中的一种或组合；
所述立柱体系对所述混凝土横向支撑体系(3)竖向支撑。
2.如权利要求1所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:围护结构是地下连续墙。
3.如权利要求1所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:所述围护结构是排桩(17)，所述排桩(17)通过围檩(18)与加力装置连接。
4.如权利要求1所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:所述混凝土横向支撑体系(3)由钢筋混凝土构成，立柱体系是型钢格构柱、钢管、混凝土、钢管混凝土中的一种或几种。
5.如权利要求1或4所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:所述立柱体系由多根立柱(4)构成，立柱(4)下端插入立柱桩或土体中。
6.如权利要求1所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:加力装置两端设有预埋件垫板(10)，预埋件垫板上伸出锚固钢筋(6)，所述锚固钢筋(6)预埋在待现浇的横向支撑体系(3)与围护结构的内部。
7.如权利要求6所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:加力装置与围护结构连接一侧，通过滑动铰支座连接预埋件垫板(10)，通过锚固钢筋(6)连接到围护结构中。
8.如权利要求7所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:围护结构是排桩(17)，排桩(17)靠近基坑内部一侧设置围檩(18)，滑动铰支座通过预埋件垫板(10)和锚固钢筋(6)连接围檩(18)。
9.如权利要求3所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:所述围檩为钢围檩，钢围檩直接与滑动铰支座焊接或螺栓连接，滑动铰支座与加力装置连接。
10.如权利要求8或9所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:滑动铰支座包括加力装置垫板、滚珠/棒(8)和滑槽(9)，滚珠/棒(8)置于加力装置垫板和滑槽(9)之间，加力装置垫板和滑槽(9)之间能够产生相对滑动。
11.如权利要求10所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:滚珠/棒(8)为高强度材质。
12.如权利要求10所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于:加力装置通过控制系统(12)控制，对围护结构施加横向推力。
13.如权利要求1-12任意一项所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于：所述加力装置是千斤顶。
14.如权利要求1-12任意一项所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于：部分或全部的相邻加力装置之间，设有混凝土墩自锁装置。
15.如权利要求14所述的主动控制基坑位移的支撑系统，其特征在于：所述混凝土墩自锁装置包括混凝土墩(14)，所述混凝土墩(14)一端与混凝土横向支撑体系(3)连接，另一端具有楔块承载部，楔块承载部上设有由一对相互配合楔块构成的楔块组，楔块组顶住围护结构。
16.一种主动控制基坑位移的支撑系统的设计方法，其特征在于：配置成整体杆系结构或板式结构的混凝土横向支撑体系(3)，将可调节推力的加力装置，横向上固定设置在围护结构与混凝土横向支撑体系(3)之间，采用立柱体系对混凝土横向支撑体系(3)进行支撑。
17.如权利要求16所述的主动控制基坑位移的支撑系统的设计方法，其特征在于：施工时，包括以下步骤：
S1、定位并施工地下围护结构、立柱体系；
S2、开挖第一层土体至第一层支撑底部的深度，架设混凝土支撑模板，放置钢筋笼，并与立柱体系连接；浇筑混凝土，形成第一道混凝土横向支撑体系(3)；
S3、第一道混凝土横向支撑体系(3)养护到设计强度时，开挖第二层土体至第二层支撑底部的深度，架设混凝土支撑模板，放置钢筋笼，并与立柱体系连接；浇筑混凝土，形成第二道混凝土横向支撑体系(3)；
S4、步骤S2、S3之间，及S3、S4之间至少其中之一，待混凝土横向支撑体系(3)养护到设计强度时，安装加力装置，加力装置两端分别与混凝土横向支撑体系(3)及围护结构连接；加力装置通过油管连接外界的控制系统(12)，在开挖过程中，若围护结构产生较大位移时，通过控制系统(12)控制油压，对围护结构施加向基坑外的横向推力，减小围护结构的位移，实现位移的主动控制；
S5、若需开挖第三层或第三层以下土体至对应的支撑底部的深度，重复S3、S4的步骤。
18.如权利要求17所述的主动控制基坑位移的支撑系统的设计方法，其特征在于：
步骤S1中，围护结构是地下连续墙(2)，地下连续墙(2)的钢筋笼中预埋锚固钢筋(6)和预埋件垫板(10)，锚固钢筋(6)和预埋件垫板(10)预埋的位置与加力装置安装的位置一致；
步骤S4中，加力装置的非活络头端焊接固定在预埋件垫板(10)上，通过锚固钢筋(6)连接第二道混凝土横向支撑体系(3)；另一边的活络头(13)焊接在加力装置垫板上，加力装置垫板限制于滑槽(9)中，加力装置垫板和滑槽(9)中间放置滚珠/棒(8)，使得加力装置垫板和滑槽间可以相对滑动，形成滑动铰支座，滑槽(9)焊接在预埋件垫板(10)上，通过锚固钢筋(6)连接地下连续墙(2)。
19.如权利要求17所述的主动控制基坑位移的支撑系统的设计方法，其特征在于：
步骤S3中，浇筑混凝土后，还形成围檩(18)和混凝土墩(20)；混凝土墩(20)靠近围檩(18)一侧，设置注浆孔(19)；
步骤S4中，当围檩(18)和混凝土墩(20)产生间隙时，利用注浆孔(19)灌注灌浆料使间隙闭合。
20.如权利要求17所述的主动控制基坑位移的支撑系统的设计方法，其特征在于：
围护结构采用地下连续墙，步骤S3中，浇筑混凝土后，还形成混凝土墩(20)；混凝土墩(20)靠近地下连续墙一侧，设置注浆孔(19)；
步骤S4中，当围檩(18)和混凝土墩(20)产生间隙时，利用注浆孔(19)灌注灌浆料使间隙闭合。
21.如权利要求17所述的主动控制基坑位移的支撑系统的设计方法，其特征在于：步骤S4中，在部分或全部的相邻加力装置之间，设置混凝土墩自锁装置，在混凝土墩自锁装置的混凝土墩(14)上放置下楔块(15)和上楔块(16)，上楔块和下楔块的角度小于材料的自锁角，当地下连续墙(2)和下楔块(15)产生间隙时，敲击上楔块(16)，使地下连续墙(2)和下楔块(15)的间隙闭合。
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