CN110144901A - 一种带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构及施工方法，包括预制高压气囊桩体、自动调控系统和注浆系统。本发明的有益效果是：本发明采用预制高压气囊隔离桩代替传统隔离柱，并在基坑底部附近一定深度范围内的土体内布设高压气囊，利用其充高压气体形成的膨胀压力，改变周边的应力场，截断应力的传递路径，消除刚性隔离桩的水平向“牵引作用”，弥补传统隔离桩自身变形产生的位移变形；本发明通过预制高压气囊的充气膨胀来协助预制桩抵抗土体的变形，以实现实时调控深层土体位移，较传统隔离桩效果更好，弥补了传统隔离桩因为刚度不足的位移变形，减小了主动区外侧深层土体的位移。

Description

一种带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构及施工方法

技术领域

本发明涉及一种深基坑开挖时用于保护周边建筑物的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构及施工方法，属土木工程施工技术领域。

背景技术

随着地下空间的大量开发，加之城市用地紧张，大型基坑工程越来越多，基坑周边的环境条件变得越来越复杂，出现了大量邻近构筑物的大型基坑。基坑开挖对周围环境的影响不仅体现在对坑外地表变形的影响，更体现在坑外地表以下一定深度范围内的土体因基坑内的卸荷作用产生的整体位移与形变，从而间接影响周围构筑物的安全。基坑对周边环境的影响变形控制要求在不断提高，因此需要寻求一种更加合理有效的基坑外围保护措施。

目前，所采用的被动区保护措施一般包括坑内土体加固、加大支护结构刚度、基坑内设置横隔墙、基坑分区开挖等措施。然而，这些被动区保护措施会显著增加成本，延长工期。主动区的保护措施有隔离桩法、隔断墙法和注浆加固法等。采用常规隔离桩法能起到一定的水平承载作用，与围护桩按一定比例共同分担土压力，阻断地基中土体应力的传递，减少了作用在围护桩上的土压力，从而也就限制了围护桩的侧向变形。隔离桩对地表浅层附近土体的水平位移明显减小，但地表以下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。隔断墙法与隔离桩性质相同，但其造价高昂，并且施工方法更复杂，工期较长。当地下构筑物离基坑较近时，由于上述两种施工方法的扰动较大，不宜采用。当基坑开挖已经造成周边设施沉降变形过大时，常规隔离桩技术便失去效果。

跟踪注浆法是近年来基坑工程实践中发明和发展起来的一种灵活有效，既能缩短工期，又能节省资金的基坑周围建筑动态保护的好方法。跟踪注浆是由喷射头喷射出去的双液浆会迅速凝固，相当于在原有土体中楔入新的体积，一方面引起瞬时的超孔隙压力，另一方面，由于凝固体的强度大于一般的土体，它部分地置换了原有土体，可起到加固土体的作用。注浆是在原状土体内加入新的体积，它包含加固与挠动两个相反的方向，注浆时一定要抑制负作用的产生，主要体现在注浆量的控制及蹿孔现象的控制上。其次，注浆作为一种辅助性的手段，在施工时必定会与主体施工产生各种矛盾，如主体施工对注浆条件的限制，以及注浆负作用，如土、浆的流窜及注浆引起的土体隆起对土体施工和支撑的影响。同时，注浆加固法不可控因素较多，该方法不能准确判定浆液在土体里面的走向与相应的加固区域，只能盲目的注浆起到阻止地下构筑位移的作用，但效果并不理想，甚至压力控制不当可能加大周边构筑物的变形。因此目前亟需提供一种更加精确并且能时时动态控制坑外土体位移的保护措施，为今后基坑保护工程提供一种新的解决方案。

综上所述，提供一种基坑开挖对周边构筑物(建筑、管线、隧道等设施)的保护系统和施工方法是本领域技术人员的一个重要技术问题。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种带注浆功能的预制高压气囊预制隔离桩结构及施工方法，用以保护基坑周边建筑、管线、隧道等设施。通过设置带注浆功能的预制高压气囊隔离桩，利用刚性隔离桩的水平承载作用，与围护桩按一定比例共同分担土压力，阻断地基中土体应力的传递，减少作用在围护桩上的土压力，限制围护桩的侧向变形；同时，在基坑底部附近一定深度范围内的土体内，利用高压气囊的膨胀压力，改变周边的应力场，截断应力的传递路径，消除刚性隔离桩的水平向“牵引作用”，并在基坑施工完成后进行气囊内注浆，有效地控制浆液的扩散范围，保护基坑周边构筑物。本发明兼顾了刚性隔离桩和跟踪注浆的双重保护作用。

带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，包括预制高压气囊桩体、自动调控系统和注浆系统；其中注浆系统主要由注浆阀和注浆泵组成；预制高压气囊桩体内部设置管路通道，管路通道内布设进气管和通讯电缆；管路通道外侧设置高压气囊，高压气囊外布设土压力计和分隔板；每节预制高压气囊桩体端部设置桩端钢板；高压气囊通过进气管接头与进气管相连接，进气管穿过管路通道与自动调控系统和注浆系统连接；自动调控系统包括气压传感器、压力调控器、压力阀、土压力计、多通道显示仪表和空压机；进气管上设置压力阀和注浆阀。

作为优选：预制高压气囊桩体由钢筋混凝土制成，预制高压气囊桩体的截面为方形或圆形，每节桩长为6m～10m，圆形桩身直径为300mm～800mm。

作为优选：每节预制高压气囊桩体上的高压气囊在桩体的侧面对称布设，每节预制高压气囊桩体上设置2～3个高压气囊，每个高压气囊长3m～5m；高压气囊采用合成橡胶、天然橡胶与纤维加强层硫化后制成；高压气囊之间通过分隔板分隔，分隔板采用PVC板，厚度5～10mm。

作为优选：预制高压气囊桩体中心设置管路通道，管路通道的直径为6cm～8cm。

作为优选：每节预制高压气囊桩体之间通过桩端钢板焊接，或通过预留的螺栓孔进行法兰连接，或通过硫磺胶泥锚接；桩端钢板上留有钢环，钢环的高度为10mm～20mm，钢环的直径与管路通道直径相同；螺栓孔的孔径为8mm～16mm。

作为优选：进气管与气压传感器、压力调控器、压力阀、多通道显示仪表和空压机相连接。

作为优选：压力调控器主要由变送器、直流电源、负载和电流表组成。

带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构的施工方法，包括以下步骤：

1)对施工范围进行围挡隔离，组织人员进场、设备进场调试；

2)根据基坑深度、被保护设施的距离，确定预制高压气囊桩体的埋设位置，并按单排、双排或梅花形布桩；同时，确定预制高压气囊桩桩节长度以及高压气囊的布设深度和范围，明确高压气囊个数，并在现场安装完成；

3)在基坑未开挖前，通过传统的预静压沉桩或锤击沉桩施工；施工过程中，在高压气囊外侧粘贴保护膜；沉桩完成后，根据气囊深度范围内的土压力计计算侧向土压力，给高压气囊施加一定的压力，使得两侧高压气囊内的位移大小相同，保证桩土平衡，记录下此时高压气囊内的压力；

4)基坑施工过程中，通过气压传感器监测高压气囊内气压的大小，根据多通道显示仪表读取的气压传感器测得的每段高压气囊内的压力和外侧的土压力计测得的土压力值的变化，利用空压机调整高压气囊内的压力值，使气囊产生一定的膨胀压力，截断周边土体中应力的传递，调控深层土体位移；

5)在基坑开挖完成，地下结构施工结束后，通过注浆系统将双液浆由进气管注入高压气囊内，填充气囊。

作为优选：所述步骤2)中，制作预制高压气囊桩体和安装高压气囊的方法为：首先是预制高压气囊桩体的加工制作，准备好预制模板，绑扎好钢筋笼，将管路通道、分隔板、钢环和进气管接头预埋在相应位置，然后浇筑混凝土，进行养护；在预制高压气囊桩体养护完成之后，进行高压气囊的安装，将高压气囊粘贴到设置好的凹槽内，并将进气管与进气管接头相连，进气管穿过管路通道延伸到地表。

本发明的有益效果是：

1、本发明采用预制高压气囊隔离桩代替传统隔离柱，并在基坑底部附近一定深度范围内的土体内布设高压气囊，利用其充高压气体形成的膨胀压力，改变周边的应力场，截断应力的传递路径，消除刚性隔离桩的水平向“牵引作用”，弥补传统隔离桩自身变形产生的位移变形。

2、本发明不像注浆保护一样不可预测，在基坑施工完成后进行气囊内注浆，有效地控制浆液的扩散范围，保护基坑周边构筑物，兼顾了刚性隔离桩和跟踪注浆的双重保护作用，利用刚性隔离桩的水平承载作用，与围护桩按一定比例共同分担土压力，阻断地基中土体应力的传递，减少了作用在围护桩上的土压力，限制了围护桩的侧向变形。

3、本发明通过预制高压气囊的充气膨胀来协助预制桩抵抗土体的变形，以实现实时调控深层土体位移，较传统隔离桩效果更好，弥补了传统隔离桩因为刚度不足的位移变形，减小了主动区外侧深层土体的位移。

附图说明

图1是带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构示意图；

图2是图1的A-A剖面图；

图3是预制高压气囊隔离桩-基坑-隧道保护剖面图；

图4是预制高压气囊隔离桩调压和测试系统图；

图5是压力调控器原理图。

附图标记说明：1——预制高压气囊桩体；2——高压气囊；3——钢环；4——土压力计；5——螺栓孔；6——管路通道；7——桩端钢板；8——进气管接头；9——分隔板；10——自动调控系统；11——基坑支撑；12——进气管；13——气压传感器；14——多通道显示仪表；15——压力调控器；16——空压机；18——压力阀；19——围护桩(墙)；20——注浆泵；21——注浆阀；22——变送器；23——直流电源；24——负载；25——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。

带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，包括预制高压气囊桩体1、自动调控系统10和注浆系统。其中注浆系统主要由注浆阀21和注浆泵20组成。预制高压气囊桩体1是本发明的核心设计，桩体可采用钢筋混凝土，断面可设计成方形、圆形或其他形状。预制高压气囊桩体1内部设置管路通道6，管路通道6内布设进气管12和通讯电缆。管路通道6外侧设置高压气囊2，气囊可根据被保护的建筑、管线、隧道等设施的需要，在深层土体位移最大的基坑底部上、下一定范围内设置。高压气囊2外布设土压力计4、分隔板9。在每节预制高压气囊桩体1端部设置桩端钢板7。高压气囊2通过进气管接头8与进气管12相连接，进气管12穿过管路通道6与自动调控系统10连接。自动调控系统10包括气压传感器13、压力调控器15、压力阀18、土压力计4、多通道显示仪表14和空压机16。进气管12与注浆阀21和注浆泵20相连接。进气管12上设置压力阀18和注浆阀21，地下主体结构施工完成后，关闭压力阀18和空压机16，开启注浆阀21和注浆泵20，使得A液管与B液管内的水泥浆和水玻璃进入注浆阀21后混合，填充高压气囊2。本发明可以通过自动调控系统10实时调控高压气囊2内的压力大小，改变桩侧不同深度的土压力，并通过高压气囊2的体积膨胀来抵抗土体的水平位移，从而调控土体的水平位移，以控制周边构筑物的变形，具有刚性隔离桩和跟踪注浆的保护作用。

预制高压气囊桩体1的截面为方形或圆形，每节桩长为6m～10m，圆形桩身直径为300mm～800mm之间，桩身混凝土强度根据设计需要确定。各桩节之间采用桩端钢板7焊接，或利用预留的螺栓孔5进行法兰连接，或采用硫磺胶泥锚接，螺栓孔5的孔径大小满足M8～M16的螺栓要求。

每节预制高压气囊桩体1上的高压气囊2可根据实际需要在桩体的侧面对称布设，每节桩上设置2～3个高压气囊2，每个高压气囊2长3m～5m。高压气囊2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。高压气囊2之间采用分隔板9分隔，分隔板9采用PVC板，厚度5～10mm。高压气囊2与进气管12相连，进气管12管径10mm～20mm，各高压气囊2内的气压可以进行调控。

每个高压气囊2外侧都布设有土压力计4，通过土压力计的变化判定和实时调整高压气囊2内的压力大小。土压力计4的量测范围为0～2000kPa。

预制高压气囊桩体1中心设置管路通道6，通道直径6cm～8cm，桩端钢板7上留有钢环3，钢环高度10mm～20mm，直径与通道直径相同。进气管12为高压PU气管，孔径8～12mm，壁厚5～12mm，工作压力10～12kg。

自动调控系统10通过进气管12连接预制高压气囊桩体1上的进气管接头8，进气管12与气压传感器13、压力调控器15、压力阀18、多通道显示仪表14、空压机16相连接。通过气压传感器13监测高压气囊2内气压的大小，并由多通道显示仪表14显示每个高压气囊2内部的压力大小和外侧的土压力计4的压力大小，通过监测这些压力变化，设定压力调控器15上的调控压力值，当高压气囊2外侧的土压力小于初始地层土压力后，压力调控器15自动开启压力阀18对高压气囊2进行补压。自动调控系统10能实时调控高压气囊2内的压力大小，使得外侧土压力保持稳定。

压力调控器15主要由变送器22、直流电源23、负载24、电流表25组成。

所述的压力阀18可以为Y42X型薄膜式、内弹簧活塞式等，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。所述的气压传感器DATA-52的量程为0～10(MPa)，精度为0.1％FS；输出信号：0～5V(三线制)；供电电压：9～36VDC；介质温度：-20～85℃(常温型)；环境温度：常温(-20～85℃)；零点温漂移：≤±0.05％FS℃；量程温度漂移：≤±0.05％FS℃。所述的多通道显示仪表14，可以为VX8124R型，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。所述的压力调控器15可以为HE10型，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％。所述的空压机16可以为SGP220A，其功率为75～185kw，排量为10～34m³/min，排气压力为0.8～1.25MPa。所述的土压力计4的型号为YB95型，其准确度级别(级)：0.2，量程范围：0～2MPa，输出灵敏系数S(με/MPa)：1000-30，外形尺寸D(mm)：直径28～48mm，厚度4.2～8.0mm。

当深层土体应力场在变化时，自动调控系统10能通过对土压力计4监测数据进行判定，并对高压气囊2内的压力进行调整。高压气囊2产生膨胀压力，抵抗土体位移，并切断土中应力的传递。

在基坑开挖完成，地下结构施工结束后，关闭压力阀18，开启注浆阀21，双液浆由注浆泵20进入进气管12，再进入高压气囊2填充。

所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构的施工方法，包括以下施工方法：

1)为确保工程顺利进行、文明施工及安全，对施工范围进行围挡隔离；组织人员进场、设备进场调试。

2)首先根据基坑深度、被保护设施的距离，确定预制高压气囊桩体1的埋设位置，并可根据需要按单排、双排或梅花形布桩。同时，还应确定预制高压气囊桩桩节长度以及高压气囊的布设深度和范围，明确高压气囊2个数，并在现场安装完成。首先是预制高压气囊桩体1的加工制作，准备好预制模板，绑扎好钢筋笼，按照要求将管路通道6、分隔板9、钢环3和进气管接头8预埋好，然后浇筑混凝土，进行养护。上述预埋件根据实际施工要求可进行适当调整，比如预制桩的形状、分节长度、管路通道6的大小等都可以根据需要制定。在预制高压气囊桩体1养护完成之后，进行高压气囊2的安装，将高压气囊2粘贴到设置好的凹槽内，并将进气管12与进气管接头8相连，进气管12穿过管路通道6延伸到地表。

3)在基坑未开挖前，通过传统的预静压沉桩或锤击沉桩施工。施工过程中，应在高压气囊2外侧粘贴保护膜。沉桩完成后，根据气囊深度范围内的土压力计4计算侧向土压力，将进气管12与自动调控系统10和注浆系统连接，及时给气囊施加一定的压力，使得两侧高压气囊2内的位移大小相同，保证桩土平衡，记录下此时高压气囊2内的压力。

4)基坑施工过程中，通过气压传感器13监测高压气囊2内气压的大小，根据多通道显示仪表14读取的气压传感器13测得的每段气囊内的压力和外侧的土压力计4测得的土压力值的变化，设定压力调控器15上的调控压力值，及时利用空压机16调整气囊内的压力值，使气囊产生一定的膨胀压力，截断周边土体中应力的传递，调控深层土体位移。

5)在基坑开挖完成，地下结构施工结束后，关闭压力阀18和空压机16，开启注浆阀21和注浆泵20，通过注浆系统将双液浆由进气管12注入高压气囊2内，填充气囊，确保周边建构筑物的变形控制。

Claims (9)

1.一种带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，其特征在于，包括预制高压气囊桩体(1)、自动调控系统(10)和注浆系统；其中注浆系统主要由注浆阀(21)和注浆泵(20)组成；预制高压气囊桩体(1)内部设置管路通道(6)，管路通道(6)内布设进气管(12)和通讯电缆；管路通道(6)外侧设置高压气囊(2)，高压气囊(2)外布设土压力计(4)和分隔板(9)；每节预制高压气囊桩体(1)端部设置桩端钢板(7)；高压气囊(2)通过进气管接头(8)与进气管(12)相连接，进气管(12)穿过管路通道(6)与自动调控系统(10)和注浆系统连接；自动调控系统(10)包括气压传感器(13)、压力调控器(15)、压力阀(18)、土压力计(4)、多通道显示仪表(14)和空压机(16)；进气管(12)上设置压力阀(18)和注浆阀(21)。

2.根据权利要求1所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，其特征在于，预制高压气囊桩体(1)由钢筋混凝土制成，预制高压气囊桩体(1)的截面为方形或圆形，每节桩长为6m～10m，圆形桩身直径为300mm～800mm。

3.根据权利要求1所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，其特征在于，每节预制高压气囊桩体(1)上的高压气囊(2)在桩体的侧面对称布设，每节预制高压气囊桩体(1)上设置2～3个高压气囊(2)，每个高压气囊(2)长3m～5m；高压气囊(2)采用合成橡胶、天然橡胶与纤维加强层硫化后制成；高压气囊(2)之间通过分隔板(9)分隔，分隔板(9)采用PVC板，厚度5～10mm。

4.根据权利要求1所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，其特征在于，预制高压气囊桩体(1)中心设置管路通道(6)，管路通道(6)的直径为6cm～8cm。

5.根据权利要求1所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，其特征在于，每节预制高压气囊桩体(1)之间通过桩端钢板(7)焊接，或通过预留的螺栓孔(5)进行法兰连接，或通过硫磺胶泥锚接；桩端钢板(7)上留有钢环(3)，钢环(3)的高度为10mm～20mm，钢环(3)的直径与管路通道(6)直径相同；螺栓孔(5)的孔径为8mm～16mm。

6.根据权利要求1所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，其特征在于，进气管(12)与气压传感器(13)、压力调控器(15)、压力阀(18)、多通道显示仪表(14)和空压机(16)相连接。

7.根据权利要求1所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构，其特征在于，压力调控器(15)主要由变送器(22)、直流电源(23)、负载(24)和电流表(25)组成。

8.一种如权利要求1所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)对施工范围进行围挡隔离，组织人员进场、设备进场调试；

2)根据基坑深度、被保护设施的距离，确定预制高压气囊桩体(1)的埋设位置，并按单排、双排或梅花形布桩；同时，确定预制高压气囊桩桩节长度以及高压气囊(2)的布设深度和范围，明确高压气囊(2)个数，并在现场安装完成；

3)在基坑未开挖前，通过传统的预静压沉桩或锤击沉桩施工；施工过程中，在高压气囊(2)外侧粘贴保护膜；沉桩完成后，根据气囊深度范围内的土压力计(4)计算侧向土压力，给高压气囊(2)施加一定的压力，使得两侧高压气囊(2)内的位移大小相同，保证桩土平衡，记录下此时高压气囊(2)内的压力；

4)基坑施工过程中，通过气压传感器(13)监测高压气囊(2)内气压的大小，根据多通道显示仪表(14)读取的气压传感器(13)测得的每段高压气囊(2)内的压力和外侧的土压力计(4)测得的土压力值的变化，利用空压机(16)调整高压气囊(2)内的压力值，使气囊产生一定的膨胀压力，截断周边土体中应力的传递，调控深层土体位移；

5)在基坑开挖完成，地下结构施工结束后，通过注浆系统将双液浆由进气管(12)注入高压气囊(2)内，填充气囊。

9.根据权利要求8所述的带注浆功能的预制高压气囊隔离桩结构的施工方法，其特征在于，所述步骤2)中，制作预制高压气囊桩体(1)和安装高压气囊(2)的方法为：首先是预制高压气囊桩体(1)的加工制作，准备好预制模板，绑扎好钢筋笼，将管路通道(6)、分隔板(9)、钢环(3)和进气管接头(8)预埋在相应位置，然后浇筑混凝土，进行养护；在预制高压气囊桩体(1)养护完成之后，进行高压气囊(2)的安装，将高压气囊(2)粘贴到设置好的凹槽内，并将进气管(12)与进气管接头(8)相连，进气管(12)穿过管路通道(6)延伸到地表。