CN109457737A - 一种定向隔离深层土体位移高压气柱桩及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及定向隔离深层土体位移高压气柱桩，包括高压气柱、系统操作盒和空压机；高压气柱包括A侧高压气囊、B侧高压气囊、中间隔板和连接盘；高压气柱上下端设有连接盘，每节高压气柱通过连接盘连接；A侧高压气囊与B侧高压气囊结构相同，两者由中间隔板隔开；高压气囊外侧装有土压力传感器，A侧高压气囊内部装有位移计；中间隔板内设有管路通道，高压气囊内的充气管通过气管口进入到管路通道，上端的连接盘顶部设有气管接头。本发明的有益效果是：本发明采用在高压气囊提供压力与位移，能通过自动化系统实时消除基坑开挖引起的深层土体位移；本发明装置可以重复使用，相对比较经济和环保，同时不会影响基坑正常施工。

Description

一种定向隔离深层土体位移高压气柱桩及施工方法

技术领域

本发明涉及一种定向隔离深层土体位移高压气柱桩及施工方法，属于基坑外围环境保护领域。

背景技术

随着城市化的进程，城市地下工程也越来越多，加之城市用地紧张，基坑周边的环境条件变得越来越复杂，并且基坑对周边环境所产生影响的变形控制标准也日益严格。现在所采用的被动区的控制技术一般包括基坑内土体加固、基坑分区段开挖、增大围护结构刚度等措施。然而这些措施会显著增加成本，延长工期，同时缺乏灵活性，对变形控制要求高的情况难以满足，并且不能动态控制基坑开挖引起的变形。在主动区设置隔离桩也能在一定程度上减小坑外土体位移，但是不能满足微小变形的控制要求。

国内外学者从隔离桩设计的理念出发，根据概念设计的原则，提出隔离桩的设计的实用计算方法、有效控制措施及施工中应注意的问题，认为隔离桩的正确设置可以降低工程质量问题的发生，并认为隔离桩不宜采用沉管振拔桩形式。隔离桩已在地铁工程、基坑工程及地基处理工程中广泛应用，其中有些工程较为成功，有些工程则并未取得理想的效果。隔离桩作为一种有效的保护措施已经在地铁深基坑工程中得到比较广泛的应用，但是目前对其作用原理仍缺乏系统的理论研究和规律性的认识。在隔离桩发挥隔离作用时，虽说土体运动是因，但是它却受到桩的形状、数量和布置的制约，因而必须将桩一士体系当作整体来考虑。所以，对于隔离桩来说，研究桩、土之间的相互作用就显得格外重要。现有的研究要么关注开挖过程桩的力学特性，要么关注隔离桩工程中的变形，而没有同时对其受力作用机理系统研究。实际上，对于隔离桩工程而言，变形控制应放在第一位，而桩的力学特性也非常重要，可为桩体的优化设计提供评判依据。

尽管，传统的隔离桩是一种能够将临近工程活动各自产生的地基应力隔离开来的桩基础构件，使其不相重叠和相互影响，在实践中己证实为一种行之有效有变形控制法。在软粘性地基条件下，为了消除新建建筑对相邻老旧建筑地基不均匀沉降的影响，采用隔离桩技术是一种可靠的技术措施。但是对一定深度范围内的土体，其水平位移在有隔离桩情况下反而增大，此为隔离桩对这部分土体存在水平向“牵引作用”。若基坑外存在既有地下隧道且隧道恰好处于此范围内，隧道水平位移可因隔离桩的“牵引作用”反而可能比无隔离桩时增大，隔离桩对控制隧道变形反而不利。针对传统隔离桩法的不足，提出了一种定向隔离深层土体位移高压气柱桩。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种定向隔离深层土体位移高压气柱桩及施工方法。

这种定向隔离深层土体位移高压气柱桩，包括高压气柱、系统操作盒和空压机。高压气柱包括A侧高压气囊、B侧高压气囊、中间隔板和连接盘。高压气柱上下端设有连接盘，每节高压气柱通过连接盘连接。A侧高压气囊与B侧高压气囊结构相同，两者由中间隔板隔开。高压气囊外侧装有土压力传感器，A侧高压气囊内部装有位移计。中间隔板内设有管路通道，高压气囊内的充气管通过气管口进入到管路通道，上端的连接盘顶部设有气管接头。每节高压气柱通过出气管连接自动化系统，自动化系统置于系统操作盒中。自动化系统包括压力阀、压力表、多通道显示仪表、压力调控器、位移接收仪和土压接收仪。压力阀连接空压机，多通道显示仪表连接压力表、位移接收仪和土压接收仪。压力调控器包括变送器、直流电源、负载和电流表，压力调控器通过直流电源供电，其值可由电流表显示，由变送器实现不同负载的控制。

所述高压气柱的直径为100～400mm，每节段高度为2～3m。由于基坑开挖对于不同深度土体位移的大小影响不同，要准确的控制深层土体位移就需要尽量减小高压气囊的长度，但为了减少施工过程中的连接工作，可以改变高压气柱的长度。

所述A侧高压气囊和B侧高压气囊的长度应稍小于每节高压气柱的长度，A侧高压气囊和B侧高压气囊的长度宜为1.8～2.8m。气囊采用合成橡胶、天然橡胶与纤维加强层硫化后制成，既有很好的抗胀强度，又有弹性、柔韧性，工作压力0～800kPa。在充气达到高压后，气囊体积膨胀以阻隔弥补深层土体的位移。高压气囊两侧均装有土压力传感器，其量测范围为0～2000kPa，位移计的量测范围为0～100mm，可以用来观察深层土体的侧向压力变化和深层土体的位移变化，通过自动化系统反馈到多通道显示仪表上。

所述中间隔板分隔两个气囊，目的是定向阻隔深层土体位移。中间隔板采用PVC板，厚度5～10mm，宽度90～380mm，同时中间隔板内部的管路通道为高压气柱内的信号线及充气管提供通道。

所述连接盘上留有螺栓孔和密封橡皮圈，每节高压气柱通过螺栓连接。连接盘直径为100～400mm，螺栓孔的孔径大小满足M8～M16的螺栓要求。密封橡皮圈防止地下水进入管路通道内，影响信号的传输。

所述出气管连接着高压气柱上的气管接头，出气管为高压PU气管，孔径8～12mm，壁厚5～12mm，工作压力10～12kg。

所述压力阀为薄膜式或内弹簧活塞式压力阀，公称压力：1.0MPa～2.0MPa，壳体试验压力：P＝1.5PN，密封试验压力：P＝1.1PN，调节阀0.10～1.2MPa。

所述多通道显示仪表设有16～32个测量通道，独立显示，基本误差优于±0.2％F·S，16位A/D转换器，测量速度0.2秒/每通道。

所述压力调控器可调压力范围为-0.1MPa～10MPa，环境温度-30～80℃，触点容量24VDC/220VAC，精度等级0.1％，长期稳定性≤±0.2％FS/年，防护等级IP65。

所述空压机的功率：75～185kw，排量：10～34m3/min，排气压力：0.8～1.25MPa。

这种定向隔离深层土体位移高压气柱桩的施工方法，包括以下步骤：

1)首先根据需要保护的地下构筑物离基坑外围的距离确定需要设立高压气柱桩的位子及高压气柱桩相应的布设方法，采用双排错位布置或者梅花形布置；

2)接着在基坑开挖前，根据地连墙的深度或是被保护的地下构筑物的深度来确定需要钻孔的深度，接着钻机就位，开始钻孔；

3)钻孔完成后，马上下放高压气柱，下放一段连接一段，下放完成后及时通过计算的每段初始土体侧向土压力给每段高压气柱充气，保证不会出现塌孔；

4)观察高压气柱外侧的压力变化及内部位移的变化，通过空压机适当调整气囊内的压力大小，使得两侧高压气囊内的位移大小相同，且不再发生变化，记录下此时气囊内的压力大小、外侧土体测压力和位移计上的位移值；

5)当基坑开挖后，由于被动区卸荷，导致基坑外侧主动区的土体产生相应的应力场与位移场，此时靠近基坑侧的A侧高压气囊则会首先出现压力减小，位移增大的现象，进而引起B侧高压气囊的压力与位移变化，这时压力调控器根据初始采集的数值自动进行气压调节，直到两侧气囊内的压力恢复到初始值，并且B侧高压气囊内的位移和气囊外侧侧向土压值与初始值相近；

6)通过反复调节不同深度的两侧高压气囊内的压力大小，使得远离基坑的B侧高压气囊内的位移维持初始值，且气囊外侧的侧向土压也与初始值接近；这样就保证了高压气柱桩群在B侧高压气囊外侧的土体不发生位移的变化；

7)基坑开挖结束，地下结构完成后，放空高压气囊内的空气，取出高压气柱，以便重复利用，并对留下的孔洞用双液水泥浆及时填充。

本发明的有益效果是：

(1)本发明采用在高压气囊提供压力与位移，能通过自动化系统实时消除基坑开挖引起的深层土体位移。本发明装置可以重复使用，相对比较经济和环保，同时不会影响基坑正常施工。

(2)本发明通过采集各种数据，实时调整高压气囊压力，能更加准确合理的阻隔基坑开挖产生的不利位移，对于坑外构筑物的变形能起到及时有效的保护。

附图说明

图1是定向隔离深层土体位移的高压气柱的示意图；

图2是系统操作盒的示意图；

图3是压力调控器原理图。

附图标记说明：1——高压气柱；2——A侧高压气囊；3——B侧高压气囊；4——中间隔板；5——管路通道；6——气管口；7——位移计；8——土压力传感器；9——螺栓孔；10——螺栓；11——密封橡皮圈；12——连接盘；13——气管接头；14——自动化系统；15——压力阀；16——出气管；17——压力表；18——空压机；19——多通道显示仪表；20——压力调控器；21——位移接收仪；22——土压接收仪；23——系统操作盒；24——变送器；25——直流电源；26——负载；27——电流表。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本发明。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

实施例1

首先是高压气柱1的设计，高压气柱1主要包含A侧高压气囊2、B侧高压气囊3、中间隔板4和上下连接盘12。高压气囊外侧装有土压力传感器8，A侧高压气囊2内部装有位移计7。B侧高压气囊3结构与A侧高压气囊2相同，由中间隔板4隔开。中间隔板4内设有管路通道5，高压气囊内的充气管通过气管口6进入到管路通道5，并且在连接盘12顶部设有气管接头13。连接盘12上留有螺栓孔9和密封橡皮圈11，可通过螺栓10将每节高压气柱1连接在一起。密封橡皮圈11能阻隔地下水进入到管路通道5内部。

系统操作盒23是由每节高压气柱1的自动化系统14组成。自动化系统14包括压力表17、压力调控器20、压力阀15、位移接收仪21、土压接收仪22和多通道显示仪表19，其中压力调控器20通过直流电源25供电，其值可由电流表27显示，由变送器24实现不同负载26的控制。出气管16连接着高压气柱1上的气管接头13，压力阀15与空压机18连接在一起。自动化系统14通过监测土体侧向压力、土体测向位移和两侧高压气囊内的压力的变化，与初始采集值对比后，自动调节两个高压气囊内的压力，来实现隔离基坑开挖引起的深层土体位移。这套系统能保证高压气柱1实现自动调压，并实现监测的数据与初始设定值维持相等的。该发明能及时有效的切断基坑开挖引起坑外不同深度土体的位移，达到保护基坑周围环境的效果。

在此实施例中，所述出气管16为高压PU气管，孔径8～12mm，壁厚5～12mm，工作压力10～12kg。所述压力阀15为薄膜式或内弹簧活塞式压力阀，公称压力：1.0MPa～2.0MPa，壳体试验压力：P＝1.5PN，密封试验压力：P＝1.1PN，调节阀0.10～1.2MPa。所述多通道显示仪表19设有16～32个测量通道，独立显示，基本误差优于±0.2％F·S，16位A/D转换器，测量速度0.2秒/每通道。所述压力调控器20可调压力范围为-0.1MPa～10MPa，环境温度-30～80℃，触点容量24VDC/220VAC，精度等级0.1％，长期稳定性≤±0.2％FS/年，防护等级IP65。所述空压机18的功率：75～185kw，排量：10～34m³/min，排气压力：0.8～1.25MPa。

在此实施例中，高压气柱1的直径为100～400mm，每节段高度为2～3m，每节段可以通过连接盘12连接。由于基坑开挖对于不同深度土体位移的大小影响不同，要准确的控制深层土体位移就需要尽量减小高压气囊的长度，但为了减少施工过程中的连接工作，可以改变高压气柱1的长度。

在此实施例中，A侧高压气囊2和B侧高压气囊3的长度应稍小于每节段高压气柱1的长度，宜为1.8～2.8m，气囊采用合成橡胶、天然橡胶与纤维加强层硫化后制成，既有很好的抗胀强度，又有弹性、柔韧性，工作压力0～800kPa。在充气达到高压后，气囊体积膨胀阻隔弥补深层土体的位移。高压气囊外侧都装有土压力传感器8，其量测范围为0～2000kPa，位移计7测量范围为0～100mm，可以用来观察深层土体的侧向压力变化和深层土体的位移变化，通过自动化系统14反馈到多通道显示仪表19上。

在此实施例中，中间隔板4起到了分隔两个气柱的作用，目的是定向阻隔深层土体位移。中间隔板4采用PVC板，厚度5～10mm，宽度90～380mm，同时中间隔板4内部由管路通道5为高压气柱1内的信号线及充气管提供通道。

在此实施例中，连接盘12直径为100～400mm，其上预留了螺栓孔9，孔径大小满足M8～M16的螺栓要求，通过螺栓将每节高压气柱1连接在一起。连接盘12设有密封橡皮圈11能起到防止地下水进入管路通道5内，影响信号的传输。

实施例2

所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩的施工方法，包括以下步骤：

1、根据需要保护的地下构筑物离基坑外围的距离确定需要设立高压气柱桩的位子及高压气柱桩相应的布设方法，可采用双排错位布置或者梅花形布置。

2、在基坑开挖前，根据地连墙的深度或是被保护的地下构筑物的深度来确定需要钻孔的深度，接着钻机就位，开始钻孔。

3、钻孔完成后，马上开始下放高压气柱1，下放一节后，在孔口与下一节通过螺栓连接，直至满足要求。在高压气柱1下放完成后，通过计算的每段初始土体侧向土压力给每段高压气柱1充气，保证不会出现塌孔。

4、观察高压气柱1外侧的压力变化及内部位移的变化，通过空压机18适当调整气囊内的压力大小，使得两侧高压气囊内的位移大小相同，且不再发生大的变化，记录下此时气囊内的压力大小、外侧土体测压力和位移计上的位移值。

5、当基坑开挖后，由于被动区卸荷，导致基坑外侧主动区的土体会产生相应的应力场与位移场，此时靠近基坑侧的A侧高压气囊2则会首先出现压力减小，位移增大的现象，进而引起B侧高压气囊3的压力与位移变化，这时压力调控器20会根据初始采集的数值自动进行气压调节，直到两侧气囊内的压力恢复到初始值，并且B侧高压气囊3内的位移和气囊外侧侧向土压值与初始值相近。通过反复调节不同深度的两侧高压气囊内的压力大小，使得远离基坑的B侧高压气囊3内的位移维持初始值，且气囊外侧的侧向土压也与初始值接近。这样就保证了高压气柱桩群在B侧高压气囊3外侧的土体不发生位移的变化。

6、基坑开挖结束，地下结构完成后，放空高压气囊内的空气，取出高压气柱1，以便重复利用。对留下的孔洞用双液水泥浆及时填充。

Claims (9)

1.一种定向隔离深层土体位移高压气柱桩，其特征在于，包括高压气柱(1)、系统操作盒(23)和空压机(18)；高压气柱(1)包括A侧高压气囊(2)、B侧高压气囊(3)、中间隔板(4)和连接盘(12)；高压气柱(1)上下端设有连接盘(12)，每节高压气柱(1)通过连接盘(12)连接；A侧高压气囊(2)与B侧高压气囊(3)结构相同，两者由中间隔板(4)隔开；高压气囊外侧装有土压力传感器(8)，A侧高压气囊(2)内部装有位移计(7)；中间隔板(4)内设有管路通道(5)，高压气囊内的充气管通过气管口(6)进入到管路通道(5)，上端的连接盘(12)顶部设有气管接头(13)；每节高压气柱(1)通过出气管(16)连接自动化系统(14)，自动化系统(14)置于系统操作盒(23)中；自动化系统(14)包括压力阀(15)、压力表(17)、多通道显示仪表(19)、压力调控器(20)、位移接收仪(21)和土压接收仪(22)；压力阀(15)连接空压机(18)，多通道显示仪表(19)连接压力表(17)、位移接收仪(21)和土压接收仪(22)；压力调控器(20)包括变送器(24)、直流电源(25)、负载(26)和电流表(27)。

2.根据权利要求1所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩，其特征在于，所述高压气柱(1)的直径为100～400mm，每节高度为2～3m。

3.根据权利要求1所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩，其特征在于，所述A侧高压气囊(2)和B侧高压气囊(3)的长度小于每节高压气柱(1)的长度，A侧高压气囊(2)和B侧高压气囊(3)的长度均为1.8～2.8m；气囊采用合成橡胶、天然橡胶与纤维加强层硫化后制成。

4.根据权利要求1所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩，其特征在于，所述中间隔板(4)采用PVC板，厚度5～10mm，宽度90～380mm。

5.根据权利要求1所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩，其特征在于，所述连接盘(12)上留有螺栓孔(9)和密封橡皮圈(11)，每节高压气柱(1)通过螺栓(10)连接；连接盘(12)直径为100～400mm，螺栓孔(9)适用于孔径大小M8～M16的螺栓。

6.根据权利要求1所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩，其特征在于，所述出气管(16)连接高压气柱(1)上的气管接头(13)，出气管(16)为高压PU气管，孔径8～12mm，壁厚5～12mm。

7.根据权利要求1所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩，其特征在于，所述压力阀(15)为薄膜式或内弹簧活塞式压力阀。

8.根据权利要求1所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩，其特征在于，所述多通道显示仪表(19)设有16～32个测量通道。

9.一种如权利要求1所述的定向隔离深层土体位移高压气柱桩的施工方法，包括以下步骤：

1)确定需要设立高压气柱桩的位子及高压气柱桩相应的布设方法，采用双排错位布置或者梅花形布置；

2)接着在基坑开挖前，确定需要钻孔的深度，接着钻机就位，开始钻孔；

3)钻孔完成后，下放高压气柱(1)，下放一段连接一段，下放完成后通过计算的每段初始土体侧向土压力给每段高压气柱(1)充气；

4)观察高压气柱(1)外侧的压力变化及内部位移的变化，通过空压机(18)适当调整气囊内的压力大小，使得两侧高压气囊内的位移大小相同，且不再发生变化，记录下此时气囊内的压力大小、外侧土体测压力和位移计上的位移值；

5)当基坑开挖后，由于被动区卸荷，导致基坑外侧主动区的土体产生相应的应力场与位移场，此时靠近基坑侧的A侧高压气囊(2)则首先出现压力减小，位移增大的现象，进而引起B侧高压气囊(3)的压力与位移变化，这时压力调控器(20)根据初始采集的数值自动进行气压调节，直到两侧气囊内的压力恢复到初始值，并且B侧高压气囊(3)内的位移和气囊外侧侧向土压值与初始值相近；

6)通过反复调节不同深度的两侧高压气囊内的压力大小，使得远离基坑的B侧高压气囊(3)内的位移维持初始值，且气囊外侧的侧向土压也与初始值接近；

7)基坑开挖结束，地下结构完成后，放空高压气囊内的空气，取出高压气柱(1)，并用双液水泥浆填充留下的孔洞。