CN109295986A - 一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法，包括如下步骤：（一）前排桩、后排桩的施工；（二）型钢冠梁安装；（三）土方分层开挖、面板安装及高聚物注浆；（四）腰梁及对拉连杆安装；（五）依次竖向分层分段开挖，重复步骤（三）、(四)，开挖至基底标高，即完成柔性复合格构式可回收双排桩支护结构体系的施工；（六）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填便可有步骤的进行回收工作。本发明构建的支护结构体系具有结构受力更合理、抵抗侧向土压力更强、避免穿越红线、安全可靠、施工快捷、技术先进、可回收重复利用、经济环保指标优越等诸多优点，发展应用前景可观。

Description

一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法

技术领域

本发明属于土木、水利、矿山及交通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格构式可回收双排桩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、矿山及交通等地下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，首次将传统空间结构的优良力学性能引入到地下开发所必须的基坑支护结构中来，发明了一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法，为土木、水利、矿山及交通等行业的基坑、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，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格构式可回收双排桩支护结构的相关报道。

发明内容

本发明针对基坑、边坡、地铁站口、市政管道等项目开挖支护的发展需求和目前支护技术存在的不足，发明了一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法。本发明是从基坑工程的本质出发，首次提出柔性复合的设计理念并将传统空间结构的优良力学性能引入到地下开发所必须的基坑支护结构中来，同时充分发挥钢材良好的机械精确制造及现场装配标准化生产的技术优势，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钢质前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆等部件，再结合高聚物注浆技术进行现场支护结构的装配施工，可在基坑回填后，拆除回收格构式双排桩支护结构，并可重复利用及标准化设计施工；在施工工艺上，通过独立设计的平面定位矫正平台，该平面定位矫正平台根据前排桩、后排桩的截面形状进行设计，刚好满足后者从其中传入，且自身具有自我调平功能，借助平面定位矫正平台事先设定的中心分别与前排桩、后排桩的中心重合，能高精确的实现前排桩、后排桩的施工需要，并将柔性复合装配式可回收双排桩支护结构的定位精度提高并控制在毫米级别，也便于对拉连杆的高安装精度，共同构建格构式可回收双排桩支护结构，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基坑、边坡、地铁站口、市政管道沟槽等项目进行开挖支护，使用完毕后，通过对支护结构的高效率回收，可大大的降低基坑支护成本，真正意义上实现并完成了基坑工程作为一个临时安全措施的使命，为基坑、边坡、地铁站口、市政管道等项目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，同时也可避免支护结构穿越红线引起的工程纠纷。

本发明采取的技术方案为：

一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法，根据相关资料完成设计工作后，先工厂预制加工好相应的钢质前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆等部件，再结合高聚物注浆技术进行现场支护结构的装配施工，在基坑回填后，拆除回收双排桩支护结构，施工过程具体包括如下步骤：

（一）前排桩、后排桩的施工，其具体步骤如下：

（1）前排桩、后排桩部件加工：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前排桩、后排桩部件，在前排桩、后排桩对应位置进行冠梁安装固定孔、腰梁安装孔、对拉连杆孔及后期回收用的吊装孔加工，并穿入回收钢缆；

（2）前排桩、后排桩施工：在指定地面位置，利用钻机进行前排桩、后排桩桩孔的施工，施工过程中严格控制好成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直精度；

（3）植入前排桩、后排桩部件：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的前排桩、后排桩植入确定的桩孔位置，满足设计的定位精度要求；

（4）桩孔外侧回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证前排桩、后排桩周边土体的稳定，回填材料为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）型钢冠梁的具体加工安装步骤如下：

（1）型钢冠梁的加工：根据基坑形状和基坑支护计算结果，精确加工桩顶型钢冠梁及冠梁安装孔，必要时采用机械拉弯加工工艺，以方便型钢冠梁与前排桩、后排桩的螺栓连接；

（2）型钢冠梁的拼接安装：前排桩、后排桩施工完毕后，基坑开挖前，首先采用水准仪对型钢冠梁的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用高强螺栓对型钢冠梁与前排桩、后排桩顶部进行螺栓固定连接；

（三）土方分层开挖、钢面板安装及高聚物注浆，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1m，采用人工方法清理前排支护桩附近的土体；

（2）在清理后的前排桩表面安装钢面板、并进行板后注入快速凝结硬化高聚物材料，形成具有一定强度的薄层高聚物面层结构；

（四）腰梁及对拉连杆安装，其具体施工步骤如下：

（1）根据计算结果，在需要设置对拉连杆的部位先安装腰梁，腰梁与前排桩采用螺栓连接；

（2）对拉连杆依次穿过腰梁、前排桩、后排桩，并采用高强螺栓连接固定；

（五）依次竖向分层分段开挖，重复步骤（三）、(四)，开挖至基底标高，即完成柔性复合格构式可回收双排桩支护结构体系的施工。

在所述支护结构完成使用功能后，随着基坑回填的节奏，进行有步骤的进行支护结构的回收工作，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，开始回收腰梁及对拉连杆；

（3）所述回填工作与钢面板、腰梁及对拉连杆的回收工作依次交替进行；

（4）拆除回收桩顶冠梁；

（5）采用吊车配合液压千斤顶来依次对所述前排桩、后排桩进行拔出回收，然后回填桩孔。

与现行的支护技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本专利技术提出的新型支护结构的使用功能很好的体现了基坑工程的本质特点：安全可靠、技术先进、经济指标优越。基坑工程作为保证地下主体结构施工的而采取的临时安全措施，安全可靠是首要因素，首次将传统空间结构的优良力学性能引入到地下开发所必须的基坑支护结构中来，使得双排桩支护结构的受力更加合理和安全可靠。技术先进、经济指标优越是区分与评价支护结构优劣的可靠标准，本格构式双排桩支护结构，很好了满足了上述所有标准，不仅如此，本支护结构还可以避免传统支护结构穿越红线导致的工程纠纷。

（2）材料特性发挥完美，充分将钢材的力学、加工性能及钢质前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆等部件无瑕疵、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。有效的克服了传统双排桩支护结构施工工艺带来的结构局部强度弱化的缺陷。

（3）前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆等部件采用机械精确加工，进行标准化生产。本专利技术提出的基坑支护结构体系中的相关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，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。前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆等部件已工厂化生产，在现场按施工顺序连续作业，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，与传统支护结构体系相比，可节省50%以上的施工工期。

（5）本专利提供同一套的支护结构可满足在一定深度范围内、周边环境各异的基坑支护设计与施工任务。

（6）综合经济环保效益更具优势。与传统支护技术相比，柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法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，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，适用范围更广。

因此，本发明研发的柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法，在基坑、边坡、地铁站口、市政管道开挖等项目的施工过程中具有明显优势。与现行的支护技术相比，柔性复合格构式可回收双排桩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，从基坑工程的本质出发，首次提出柔性复合的设计理念并将传统空间结构的优良力学性能引入到地下开发所必须的基坑支护结构中来，同时充分发挥钢材良好的机械精确制造及现场装配标准化生产的技术优势，改变了过去每一个项目的支护结构独立设计并在发挥完使用功能即被遗弃的局面。本支护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，可实现支护结构的高效回收和重复利用，真正体现出基坑工程作为临时安全措施的本质特点。

（2）柔性复合格构式可回收双排桩支护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，并同时起到接缝部位的防渗和控制土体的侧向蠕变作用；土压力由前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆共同组成的柔性复合格构式可回收双排桩支护结构发挥“刚”的作用，有别与传统的双排桩支护组成的门架受力体系，腰梁及对拉连杆的存在也使得前排桩、后排桩的相互作业更加紧密，构成一种半空间桁架结构，力学原理不同，受力结构也更加合理，此外，支护结构部件可根据基坑工程安全需要合理预制加工，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：柔性复合格构式可回收双排桩支护结构体系中的前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆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，将支护结构中最关键的前排桩、后排桩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）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。

（5）结构回收率高、重复利用率高：柔性复合格构式可回收双排桩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，回收后的支护构件也能为后续同一类设计模式下的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、侧壁防渗处理效果还是结构体系的回收重复利用价值等方面都和现行的支护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，并成功应用于基坑支护工程，发展应用前景可观。

附图说明

图1为前排桩加工示意图；

图2为柔性复合格构式可回收双排桩支护结构剖面构造图；

图3为柔性复合格构式可回收双排桩支护结构关键节点构造图；

图4为对拉连杆构造大样图。

图中附图标记为：

1-前排桩，2-后排桩，3-冠梁安装固定孔，4-腰梁安装孔，5-对拉连杆孔，6-吊装孔，7-回收钢缆，8-地面，9-桩孔，10-回填材料，11-型钢冠梁，12-螺栓，13-钢面板，14-高聚物材料，15-腰梁，16-对拉连杆，17-基底。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

本发明提供的一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法，在支护结构设计中，从基坑工程的本质出发，支护桩设置为两排，首次提出柔性复合的设计理念并将传统空间结构的优良力学性能引入到地下开发所必须的基坑支护结构中来，同时充分发挥钢材良好的机械精确制造及现场装配标准化生产的技术优势，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前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆等部件，再结合高聚物注浆技术进行现场支护结构的装配施工；在基坑回填过程中，拆除回收支护结构，并可重复利用及标准化设计施工。施工过程具体包括如下步骤：

（一）前排桩1、后排桩2的施工，其具体步骤如下：

（1）前排桩1、后排桩2部件加工：根据设计计算结果，支护桩设置两排，分别为前排桩1和后排桩2，采用钢材按一定的尺寸在工厂预制加工好前排桩1、后排桩2部件，在前排桩1、后排桩2对应位置进行冠梁安装固定孔3、腰梁安装孔4、对拉连杆孔5及后期回收用的吊装孔6加工，并穿入回收钢缆7；

（2）前排桩1、后排桩2施工：在指定地面8位置，利用钻机进行前排桩、后排桩桩孔9的施工，施工过程中严格控制好成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直精度；

（3）植入前排桩1、后排桩2部件：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的前排桩1、后排桩2植入确定的桩孔9位置，满足设计的定位精度要求；

（4）桩孔外侧回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证前排桩、后排桩周边土体的稳定，回填材料10可为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）型钢冠梁11的具体加工安装步骤如下：

（1）型钢冠梁11的加工：根据基坑形状和基坑支护计算结果，精确加工桩顶型钢冠梁11及冠梁安装孔，必要时采用机械拉弯加工工艺，以方便型钢冠梁11与前排桩1、后排桩2的螺栓12连接；

（2）型钢冠梁11的拼接安装：前排桩1、后排桩2施工完毕后，基坑开挖前，首先采用水准仪对型钢冠梁11的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用高强螺栓12对型钢冠梁11与前排桩1、后排桩2顶部进行固定连接；

（三）土方分层开挖、钢面板13安装及高聚物注浆，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1m，采用人工方法清理前排支护桩1附近的土体；

（2）在清理后的前排桩表面安装钢面板13、并进行板后注入快速凝结硬化高聚物材料14，形成具有一定强度的薄层高聚物面层结构；

（四）腰梁15及对拉连杆16安装，其具体施工步骤如下：

（1）根据计算结果，在需要设置对拉连杆16的部位先安装腰梁15，腰梁15与前排桩1采用螺栓12连接；

（2）对拉连杆16依次穿过腰梁15、前排桩1、后排桩2，并采用高强螺栓12连接固定。

（五）依次竖向分层分段开挖，重复步骤（三）、(四)，开挖至基底17标高，即完成柔性复合格构式可回收双排桩支护结构体系的施工；

（六）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填的节奏，便可有步骤的进行支护结构的回收工作，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15部位，开始回收腰梁及对拉连杆16；

（3）回填工作与钢面板13、腰梁15及对拉连杆16的回收工作依次交替进行；

（4）桩顶冠梁11拆除回收；

（5）吊车配合液压千斤顶依次对前排桩1、后排桩2进行拔出回收，桩孔回填。

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 (2)

1.一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法，其特征在于，根据相关资料完成设计工作后，先工厂预制加工好相应的钢质前排桩、后排桩、冠梁、腰梁及对拉连杆等部件，再结合高聚物注浆技术进行现场支护结构的装配施工，在基坑回填后，拆除回收双排桩支护结构，施工过程具体包括如下步骤：

（一）前排桩、后排桩的施工，其具体步骤如下：

（1）前排桩、后排桩部件加工：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前排桩、后排桩部件，在前排桩、后排桩对应位置进行冠梁安装固定孔、腰梁安装孔、对拉连杆孔及后期回收用的吊装孔加工，并穿入回收钢缆；

（2）前排桩、后排桩施工：在指定地面位置，利用钻机进行前排桩、后排桩桩孔的施工，施工过程中严格控制好成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直精度；

（3）植入前排桩、后排桩部件：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将加工好的前排桩、后排桩植入确定的桩孔位置，满足设计的定位精度要求；

（4）桩孔外侧回填：采用适合地层需要的材料进行回填，以保证前排桩、后排桩周边土体的稳定，回填材料为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）型钢冠梁的具体加工安装步骤如下：

（1）型钢冠梁的加工：根据基坑形状和基坑支护计算结果，精确加工桩顶型钢冠梁及冠梁安装孔，必要时采用机械拉弯加工工艺，以方便型钢冠梁与前排桩、后排桩的螺栓连接；

（2）型钢冠梁的拼接安装：前排桩、后排桩施工完毕后，基坑开挖前，首先采用水准仪对型钢冠梁的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用高强螺栓对型钢冠梁与前排桩、后排桩顶部进行螺栓固定连接；

（三）土方分层开挖、钢面板安装及高聚物注浆，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1m，采用人工方法清理前排支护桩附近的土体；

（2）在清理后的前排桩表面安装钢面板、并进行板后注入快速凝结硬化高聚物材料，形成具有一定强度的薄层高聚物面层结构；

（四）腰梁及对拉连杆安装，其具体施工步骤如下：

（1）根据计算结果，在需要设置对拉连杆的部位先安装腰梁，腰梁与前排桩采用螺栓连接；

（2）对拉连杆依次穿过腰梁、前排桩、后排桩，并采用高强螺栓连接固定；

（五）依次竖向分层分段开挖，重复步骤（三）、(四)，开挖至基底标高，即完成柔性复合格构式可回收双排桩支护结构体系的施工。

2.如权利要求1所述的一种柔性复合格构式可回收双排桩支护结构的设计施工方法，其特征在于，所述支护结构完成使用功能后，随着基坑回填的节奏，进行有步骤的进行支护结构的回收工作，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，开始回收腰梁及对拉连杆；

（3）所述回填工作与钢面板、腰梁及对拉连杆的回收工作依次交替进行；

（4）拆除回收桩顶冠梁；

（5）采用吊车配合液压千斤顶来依次对所述前排桩、后排桩进行拔出回收，然后回填桩孔。