CN109056745A - 一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法，包括如下步骤：（一）装配式支护结构侧墙的施工；（二）首层支撑体系安装；（三）土方开挖及装配式支护结构侧墙接缝高聚物注浆；（四）内部装配式支撑体系分层安装；（五）依次竖向分层分段开挖，重复步骤（三）、(四)，开挖至基底标高；（六）地下空间的基坑封底处理；（七）基坑顶部密封处理，完善内部空间能力的分割使用，即完成施工。本发明构建的该地下空间一体化结构具有施工快捷、可回收重复利用、经济环保指标优越等诸多优点，为地下管廊、地下空间利用等建造提供了安全可靠、可高效回收重复利用、经济指环保标优越的新方法，发展应用前景可观。

Description

一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法

技术领域

本发明属于土木、水利、市政等地下基础设施的开挖支护建造领域，具体涉及一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法。

背景技术

新中国成立以来，我国土木、水利、市政等地下基础设施建设取得了举世瞩目的成就。在地下空间开发利用过程中，往往采取的建设程序为先边坡支护或基坑支护措施，然后进行地下空间结构的建设，以保证地下工程建设过程及此期间周边环境的安全稳定，即增加了地下空间的建设成本和工期，遗弃的支护结构也对土地资源的利用构成了另一个负担。伴随着岩土工程技术、机械及土木工程材料等的发展，边坡支护及基坑支护技术得到了有效发展，相应地出现了以砂石、水泥、钢筋、混凝土等传统建筑材料为结构主体的土钉墙、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。与此同时，为控制地下水对支护结构及地下工程施工的影响，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、侧壁土层较软易扰动的情况下，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，更多情况下是侧壁土体的蠕变诱发了周边地表裂缝及建筑物的不均匀沉降等事故。理论上讲，采取足够的安全措施，可保证任何需求状态下的边坡或基坑安全。随着国家在地下空间开发及综合利用方面的重视，加快地下综合管廊、地下空间多层次的开发利用，逐渐被工程界重视起来。但从基坑支护的本质来看，其作为保护地下主体结构施工和周边环境的安全，而采取的临时性支挡、加固、保护与地下水控制的措施，且基坑越深、周边环境越复杂，基坑工程的造价也就越高，更重要的一点是，基坑的使用寿命一般不超过2年，在地下主体结构施工完毕后即被废弃或者拆除，实质上来讲，支护结构的设计建造施工的标准与地下空间结构本质上保持一致，由此可见，采用了支护结构与地下主体结构一体化的设计施工，安全和技术上是可行的。将基坑支护与地下工程分开设计与建造，使得地下空间开发的成本就非常昂贵了，其中发挥临时作用的基坑工程造价占的比重较大，且基本上不具有任何回收价值。

在当前普遍采用的建筑材料中，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入高聚物材料，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。本专利基于钢材的力学及可加工特性与高聚物注浆技术的特性研究，在本团队前期的研究基础上，包括已经申请的编号为201310123667.6、201610078440.8和201610077784.7专利的基础上，并充分利用钢质地下连续墙结构无瑕疵，回收效率高等特点，发明了一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法，为土木、水利、市政等行业的地下空间开发利用提供了全新的建造技术，首次采用压力防渗技术进行地下空间结构的设计，主要部件采用工厂预制加工，既具有回收价值高、可重复利用也可避免遗弃支护结构、地下结构拆除困难等特点。目前国内还未见关于柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构的相关报道。

发明内容

本发明针对地下空间开发需求，将地下空间和基坑支护两个独立设计建造项目进行整合设计建造，发明了一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法。本发明是从土木工程结构寿命分析和降低地下空间开发成本的角度出发，首次提出并采用压力防渗理念进行刚柔复合装配式可回收地下空间和基坑支护的一体化设计，并在基坑支护和地下空间结构开发过程中引入机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，并基于土压力理论研发而来的。根据相关资料完成设计工作后，工厂预制加工好相应的支护结构侧墙、支撑系统部件，再结合高聚物注浆技术进行现场地下空间结构的装配施工，在地下空间完成使用功能后进行回填的同时拆除结构预制部件，回收后的预制部件，可重复利用及标准化设计施工；在施工工艺上，通过精确加工和安装施工，可将柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构的施工精度提高并控制在毫米级别，同时充分发挥钢材优异的力学及加工性能、高聚物材料的快速膨胀、防渗特性及精确的施工安装工艺，实现本发明的设计目的。利用该发明可快速对土木、水利、市政等地下空间项目进行开挖建造，使用完毕后，通过对预制结构的高效率回收，可大大的降低地下空间开发成本，真正意义上实现了支护结构作用的提升，也为地下空间开发提供了技术先进、安全可靠、经济指标优越的新方法和新途径。

本发明采取的技术方案为：

一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法，施工过程具体包括如下步骤：

（一）装配式支护结构侧墙的施工，其具体步骤如下：

(1)装配式支护结构侧墙部件加工：根据设计计算结果，采用钢材按一定的尺寸在工厂预制加工好装配式支护结构侧墙部件，在支护结构侧墙的顶部、墙身对应位置进行支撑体系安装固定孔、后期回收用的吊装孔加工；

(2)支护结构侧墙成槽施工：在指定地面位置，利用成槽机械进行支护结构侧墙的槽孔施工，施工过程中严格控制好成槽精度，包括平面定位精度和槽孔垂直精度；

(3)植入支护结构侧墙部件：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的支护结构侧墙部件植入确定的槽孔位置，满足设计的定位精度要求；

(4)支护结构侧墙部件外侧回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证支护结构侧墙部件周边土体的稳定，回填材料为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）首层支撑体系安装的具体步骤如下：

(1)首层支撑体系的加工：根据地下空间特征和支护结构设计结果，精确加工首层支撑体系的冠梁、支撑梁、立柱等的安装孔的打孔处理，采用机械拉弯加工工艺，以方便首层支撑体系与支护结构侧墙的螺栓连接；

(2)首层支撑体系的拼接安装：支护结构侧墙施工完毕后，基坑开挖前或开挖至首层支撑体系部位时，首先采用水准仪对首层支撑体系的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，然后采用高强螺栓将首层支撑体系与支护结构侧墙顶部进行固定连接；

（三）土方开挖及装配式支护结构侧墙接缝高聚物注浆，其具体施工步骤如下：

(1)分层分段开挖基坑内部土方，每层开挖深度控制在1m左右，采用人工方法进行清理支护结构侧墙附近的土体；

(2)支护结构侧墙接缝处高聚物注浆：为防止侧壁土体、地下水从支护结构侧墙接缝处挤出，引发周边环境风险，在分层分段开挖过程中，在支护结构侧墙接缝部位注入快速膨胀硬化的高聚物材料，形成连续且具有一定强度和韧性的高聚物薄层结构；

（四）内部装配式支撑体系分层安装，其具体施工步骤如下：

(1)内部装配式支撑体系的加工：根据地下空间特征和支护结构设计结果，精确加工内部支撑体系的腰梁、内部支撑梁、结构立柱等的安装孔的打孔处理，采用机械拉弯加工工艺，以方便内部装配式支撑体系与支护结构侧墙的螺栓连接；

(2)内部装配式支撑体系的拼接安装：分层开挖至内部装配式支撑体系标高时，首先采用水准仪对内部装配式支撑体系的标高进行控制，紧接着用吊车配合对其位置进行初步固定，然后采用高强螺栓将内部装配式支撑体系与支护结构侧墙进行固定连接；

（五）依次竖向分层分段开挖，重复步骤（三）、(四)；

（六）地下空间的基坑封底处理，其具体施工步骤如下：

(1)基坑范围内的地下空间开挖至基底标高时，首先进行防潮、防锈蚀、防渗处理，然后进行底板的安装施工，让支护结构侧墙、内部装配式支撑体系、底板等有机的组合成一体；

(2)进行基坑封底前的抗浮处理；

（七）基坑顶部密封处理，包括防渗防潮层、构造面板及回填施工，完善内部空间功能的分割使用，即完成柔性复合装配式可回收支护与地下空间一体化结构的施工。

进一步地，还包括一体化结构完成使用功能后，随着地下空间的回填便可有步骤的进行回收工作，具体回收步骤如下：

(1)基坑封底结构的拆除回收；

(2)回填过程中分层拆除回收内部装配式支撑体系；

(3)首层支撑体系拆除回收；

(4)吊车配合液压千斤顶完成对装配式支护结构侧墙部件的拔出回收。

进一步地，所述支护结构侧墙部件为地下连续墙或钢桩、面板等部件。

与现行的支护技术及地下空间建造技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本专利技术提出的柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构的使用功能很好的体现了地下空间开发本质需要，安全可靠、技术先进，既可发挥使用功能，且不给地下土层带来遗留问题，而且显著了的降低了地下空间开发的工程造价。是区分与评价地下空间开发优劣的可靠标准。

（2）材料特性发挥完美，充分将钢材的力学、加工性能及预制钢质构建无瑕疵、高聚物材料的快速膨胀、防渗性能结合起来，结构传力受力方式明确、结构安全可靠。有效的克服了传统地下空间施工工艺带来的结构局部强度弱化的缺陷。

（3）支护结构侧墙、支撑系统部件采用机械精确加工，进行标准化生产。本专利技术提出的柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构体系中的支护结构侧墙、支撑系统部件均采用标准化的生产工艺进行机械精确加工，同时通过施工环节对工艺的精确控制，将安装精度控制在毫米级，便于安装的同时，也便于回收重复利用，因而对于一类问题，也就实现了标准化的设计与施工。

（4）施工快捷，不需养生。支护结构侧墙、支撑系统部件等已工厂化生产，在现场按施工顺序连续作业，采用压力防渗进行节点处理，施工快捷，不需养生。高聚物材料在反应后15分钟内即形成90%左右的强度、韧性及抗渗性能，与传统的地下空间结构体系相比，可节省50%以上的施工工期。

（5）本专利提供同一套的柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构可满足在一定深度范围内、周边环境各异的地下空间设计与建造任务。

（6）综合经济环保效益更具优势。与传统支护技术、地下空间建造技术相比，柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构的最大特点是施工期间，可减少泥浆、粉尘、砼等对环境的污染，地下空间结构使用阶段安全可靠，同时后续回收价值高，且可重复使用，适用范围更广。

因此，本发明研发的柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法，在土木、水利、市政等项目的地下空间建造过程中具有明显优势。与现行的各自独立的支护技术、地下空间建造技术相比，柔性复合装配式支护与地下结构一体化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、地下空间结构整体设计理念：将基坑支护结构融入到地下空间结构设计中来，实现二者结构设计与使用功能上的统一，并在地下空间结构体系中引入机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，改变了过去每一个项目的支护结构、地下空间均独立设计并在独立发挥完使用功能即被遗弃的局面。本柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构采用了标准化的设计与施工，对同一类问题，可以采用一种解决模式，简化了设计与施工过程，在发挥完使用功能后，可实现预制结构的高效回收和重复利用。

（2）柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构体系受力分工明确：高聚物材料的韧性很好的发挥了“柔”的作用，填充且弥合了支护结构侧墙与侧壁土体之间的刚度差异，缓和支护结构侧墙与侧壁土体的应力突变，并同时起到地下连续墙接缝部位的防渗和控制土体的侧向蠕变作用；支护结构侧墙、支撑系统部件共同发挥“刚”的作用，土压力由支护结构侧墙、支撑系统部件承担，结构受力合理，此外，支护结构侧墙、支撑系统部件可根据地下空间的安全需要进行合理预制加工，使得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：柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化结构体系中的支护结构侧墙、支撑系统部件等可实现机械化精确加工，现场通过独立设计的平面定位矫正平台，将地下空间结构中最关键的支护结构侧墙的定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）地下空间侧壁防渗效果明显，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，形成具有韧性及防渗滞水功能的高聚物薄层结构，同时利用高聚物材料在快速膨胀过程中对侧壁土体的软弱部位进行补强，使得结构周围土体结合相对紧密，不存在明显的薄弱环节。此外地下空间结构的节点部位采用压力防渗技术进出，针对性强且安全可靠。

（5）结构回收率高、重复利用率高：柔性复合装配式可回收支护与地下空间开发一体化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，回收后的预制部件也能为后续同一类设计模式下的地下空间开发项目的多次周转使用。

综上所述，本发明无论从设计理念、受力机理、标准化施工、侧壁防渗处理效果还是地下空间结构体系的回收重复利用价值等方面都和现行的单一支护技术、地下空间建造技术具有明显的不同，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，并成功应用于地下空间开发工程，发展应用前景可观。

附图说明

图1支护结构侧墙加工节点大样图；

图2柔性复合装配式可回收支护与地下空间一体化结构剖面构造图；

图3柔性复合装配式可回收支护与地下空间一体化结构立面局部构造图；

附图标记如下：

1-支护结构侧墙，2-安装固定孔，3-吊装孔，4-地面， 5-槽孔，6-回填材料，7-冠梁，8-支撑梁，9-立柱，10-螺栓，11-高聚物材料，12-腰梁，13-内部支撑梁，14-结构立柱，15-基坑封底，16-顶部密封处理。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法，其特征在于，在支护结构设计中，首次提出柔性复合与压力防渗相结合的设计理念，从基坑工程和节约土地资源的本质出发，运用机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，根据相关资料完成设计工作后，工厂预制加工好相应的支护结构侧墙、支撑系统部件，再结合高聚物注浆技术进行现场地下空间结构的装配施工，在地下空间完成使用功能后进行回填的同时拆除结构预制部件，回收后的预制部件，可重复利用及标准化设计施工，且不将任何构件遗弃土地内，有助于土地资源的二次开发利用。施工过程具体包括如下步骤：

（一）装配式支护结构侧墙的施工，其具体步骤如下：

(1)装配式支护结构侧墙1部件加工：根据设计计算结果，采用钢材按一定的尺寸在工厂预制加工好装配式支护结构侧墙部件，可以为地下连续墙，也可为钢桩、面板等部件，在支护结构侧墙的顶部、墙身对应位置进行支撑体系安装固定孔2、后期回收用的吊装孔3的加工；

(2)支护结构侧墙成槽施工：在指定地面4位置，利用成槽机械进行支护结构侧墙的槽孔5施工，施工过程中严格控制好成槽精度，包括平面定位精度和槽孔垂直精度；

(3)植入支护结构侧墙1部件：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的支护结构侧墙部件植入确定的槽孔位置，满足设计的定位精度要求；

(4)支护结构侧墙部件外侧回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证支护结构侧墙1部件周边土体的稳定，回填材料6为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）首层支撑体系安装的具体步骤如下：

(1)首层支撑体系的加工：根据地下空间特征和支护结构设计结果，精确加工首层支撑体系的冠梁7、支撑梁8、立柱9等的安装孔的打孔处理，必要时采用机械拉弯加工工艺，以方便首层支撑体系与支护结构侧墙的螺栓10连接；

(2)首层支撑体系的拼接安装：支护结构侧墙1施工完毕后，基坑开挖前或开挖至首层支撑体系部位时，首先采用水准仪对首层支撑体系的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，然后采用高强螺栓10将首层支撑体系与支护结构侧墙顶部进行固定连接；

（三）土方开挖及装配式支护结构侧墙接缝高聚物注浆，其具体施工步骤如下：

(1)分层分段开挖基坑内部土方，每层开挖深度控制在1m左右，采用人工方法进行清理支护结构侧墙1附近的土体；

(2)支护结构侧墙接缝处高聚物注浆：为防止侧壁土体、地下水从支护结构侧墙接缝处挤出，引发周边环境风险，在分层分段开挖过程中，在支护结构侧墙接缝部位注入快速膨胀硬化的高聚物材料11，形成连续且具有一定强度和韧性的高聚物薄层结构，能很好的起到防止接缝渗漏；

（四）内部装配式支撑体系分层安装，其具体施工步骤如下：

(1)内部装配式支撑体系的加工：根据地下空间特征和支护结构设计结果，精确加工内部支撑体系的腰梁12、内部支撑梁13、结构立柱14等的安装孔的打孔处理，必要时采用机械拉弯加工工艺，以方便内部装配式支撑体系与支护结构侧墙的螺栓10连接；

(2)内部装配式支撑体系的拼接安装：分层开挖至内部装配式支撑体系标高时，首先采用水准仪对内部装配式支撑体系的标高进行控制，紧接着用吊车配合对其位置进行初步固定，然后采用高强螺栓10将内部装配式支撑体系与支护结构侧墙1进行固定连接；

（五）依次竖向分层分段开挖，重复步骤（三）、(四)；

（六）地下空间的基坑封底15处理，其具体施工步骤如下：

(1)基坑范围内的地下空间开挖至基底标高时，首先进行防潮、防锈蚀、防渗处理，然后进行底板的安装施工，让支护结构侧墙、内部装配式支撑体系、底板等有机的组合成一体。

(2)必要时，进行基坑封底前的抗浮处理。

（七）基坑顶部密封处理16，包括防渗防潮层、构造面板及回填施工，完善内部空间功能的分割使用，即完成柔性复合装配式可回收支护与地下空间一体化结构的施工；

（八）一体化结构完成使用功能后，随着地下空间的回填便可有步骤的进行回收工作，具体回收步骤如下：

(1)基坑封底15结构的拆除回收；

(2)回填过程中分层拆除回收内部装配式支撑体系；

(3)首层支撑体系拆除回收；

(4)吊车配合液压千斤顶完成对装配式支护结构侧墙1部件的拔出回收。

显然，上述实施方式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它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专利的保护范围之中。

Claims (3)

1.一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法，其特征在于，施工过程具体包括如下步骤：

（一）装配式支护结构侧墙的施工，其具体步骤如下：

(1)装配式支护结构侧墙部件加工：根据设计计算结果，采用钢材按一定的尺寸在工厂预制加工好装配式支护结构侧墙部件，在支护结构侧墙的顶部、墙身对应位置进行支撑体系安装固定孔、后期回收用的吊装孔加工；

(2)支护结构侧墙成槽施工：在指定地面位置，利用成槽机械进行支护结构侧墙的槽孔施工，施工过程中严格控制好成槽精度，包括平面定位精度和槽孔垂直精度；

(3)植入支护结构侧墙部件：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的支护结构侧墙部件植入确定的槽孔位置，满足设计的定位精度要求；

(4)支护结构侧墙部件外侧回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证支护结构侧墙部件周边土体的稳定，回填材料为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）首层支撑体系安装的具体步骤如下：

(1)首层支撑体系的加工：根据地下空间特征和支护结构设计结果，精确加工首层支撑体系的冠梁、支撑梁、立柱等的安装孔的打孔处理，采用机械拉弯加工工艺，以方便首层支撑体系与支护结构侧墙的螺栓连接；

(2)首层支撑体系的拼接安装：支护结构侧墙施工完毕后，基坑开挖前或开挖至首层支撑体系部位时，首先采用水准仪对首层支撑体系的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，然后采用高强螺栓将首层支撑体系与支护结构侧墙顶部进行固定连接；

（三）土方开挖及装配式支护结构侧墙接缝高聚物注浆，其具体施工步骤如下：

(1)分层分段开挖基坑内部土方，每层开挖深度控制在1m左右，采用人工方法进行清理支护结构侧墙附近的土体；

(2)支护结构侧墙接缝处高聚物注浆：为防止侧壁土体、地下水从支护结构侧墙接缝处挤出，引发周边环境风险，在分层分段开挖过程中，在支护结构侧墙接缝部位注入快速膨胀硬化的高聚物材料，形成连续且具有一定强度和韧性的高聚物薄层结构；

（四）内部装配式支撑体系分层安装，其具体施工步骤如下：

(1)内部装配式支撑体系的加工：根据地下空间特征和支护结构设计结果，精确加工内部支撑体系的腰梁、内部支撑梁、结构立柱等的安装孔的打孔处理，采用机械拉弯加工工艺，以方便内部装配式支撑体系与支护结构侧墙的螺栓连接；

(2)内部装配式支撑体系的拼接安装：分层开挖至内部装配式支撑体系标高时，首先采用水准仪对内部装配式支撑体系的标高进行控制，紧接着用吊车配合对其位置进行初步固定，然后采用高强螺栓将内部装配式支撑体系与支护结构侧墙进行固定连接；

（五）依次竖向分层分段开挖，重复步骤（三）、(四)；

（六）地下空间的基坑封底处理，其具体施工步骤如下：

(1)基坑范围内的地下空间开挖至基底标高时，首先进行防潮、防锈蚀、防渗处理，然后进行底板的安装施工，让支护结构侧墙、内部装配式支撑体系、底板等有机的组合成一体；

(2)进行基坑封底前的抗浮处理；

（七）基坑顶部密封处理，包括防渗防潮层、构造面板及回填施工，完善内部空间功能的分割使用，即完成柔性复合装配式可回收支护与地下空间一体化结构的施工。

2.如权利要求1所述的一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法，其特征在于，还包括一体化结构完成使用功能后，随着地下空间的回填便可有步骤的进行回收工作，具体回收步骤如下：

(1)基坑封底结构的拆除回收；

(2)回填过程中分层拆除回收内部装配式支撑体系；

(3)首层支撑体系拆除回收；

(4)吊车配合液压千斤顶完成对装配式支护结构侧墙部件的拔出回收。

3.如权利要求1所述的一种柔性复合装配式支护与地下结构一体化设计施工方法，其特征在于，所述支护结构侧墙部件为地下连续墙或钢桩、面板等部件。