CN110241863B - 软土基坑开挖过程管廊变形控制装置及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基坑工程下方构筑物变形的管廊保护方案，特别是一种软土基坑开挖过程管廊变形控制装置及其控制方法，其要点在于，采用抗拔桩以提供抗拔控制方式，采用以反力架横梁、纵向稳定钢梁和超前支撑钢管为反压系统结合配重装置提供压顶配重控制方式，实现抗拔和配重压顶的“双保险”控制方式，并在施工过程中，采用实时监控，实时调整、逐步分层的方法，有效实现对管廊变形的实时控制，避免了工程事故，并确保了下层管廊结构和其他地下结构安全性，且所述控制方法中的抗拔桩和反压系统均可回收，降低了施工成本，实现了绿色环保施工。
Description
技术领域
本发明涉及一种基坑工程下方构筑物变形的管廊保护方案，特别是一种软土基坑开挖过程管廊变形控制装置及其控制方法，特别适用于已有管廊结构距离基坑底部小于1倍的管道外径、对开挖敏感的管廊工程的保护。
背景技术
在基坑工程施工中，经常会在垂直面上有多个构筑物或者管廊的设置，在进行实际施工时，可能是浅层（上层）的构筑物先行完工，再对深层（下层）的构筑物进行施工，而这种先上后下的施工方式需先对上层构筑物进行保护，如管线原位保护等措施；除此之外，还有先下后上的施工方式，此时需要先开挖下层构筑物上方的土体以形成上层管廊或构筑物的基坑。根据基坑工程的原理，在基坑开挖卸荷的过程中，基坑底部的地基土会因为上部土体的开挖卸荷而出现回弹，造成基坑底部产生隆起变形，而当坑底存在管廊或者其他构筑物时，会出现管廊或其他地下构筑物跟着土层一起向上隆起变形的问题，当变形量超过该构筑物的变形允许值时，则会出现较大的工程事故，影响基坑下方管廊结构或其他地下结构的安全。
发明内容
本发明的目的在于根据现有技术的不足之处而提供一种能够有效控制下层管廊或构筑物变形、避免工程事故、确保下层管廊结构和其他地下结构安全性的软土基坑开挖过程管廊变形控制装置及其控制方法。
本发明所述软土基坑开挖过程管廊变形控制装置是通过以下途径来实现的：
软土基坑开挖过程管廊变形控制装置，其结构要点在于，包括有由竖向抗拔桩、反力架横梁和纵向稳定钢梁构成的控制框架、超前支撑钢管和配重装置；抗拔桩垂直插置于基坑及基坑下方的土体中，上端部外露于地面上，多个抗拔桩分两排并列分布在基坑下管廊的两侧；每根反力架横梁垂直于基坑下管廊纵轴线分布，且两端分别连接基坑下管廊两侧的抗拔桩，而纵向稳定钢梁位于反力架横梁中部分两列沿着基坑下管廊纵轴线依序连接各反力架横梁；超前支撑钢管的上端部固定连接于反力架横梁的中部，下端部则通过灌浆与基坑下管廊顶部固定连接；配重装置压置在纵向稳定钢梁和反力架横梁的交叉端面上。
所述控制框架具有抗拔和支撑的作用，其中纵向稳定钢梁除了连接反力架横梁，稳定横梁并与之共同受力，而超前支撑钢管和配重装置则提供压顶配重作用，由此本发明采用了抗拔桩基和压顶配重“双保险”的方法来控制管廊变形，从而有效避免基坑底部管廊的隆起变形，避免了工程事故，确保下层管廊结构和其他地下结构安全性。
本发明所述软土基坑开挖过程管廊变形控制方法是通过以下途径来实现的：
软土基坑开挖过程管廊变形控制方法，其要点在于，包括如下步骤：
1）开挖前准备：提供如上所述软土基坑开挖过程管廊变形控制装置的各个部件；勘测定位现状的管廊的高程、位置，并在施工现场进行放样；根据管廊的施工工法和结构形式，结合管廊施工过程中的地基处理方案，制定管廊结构的变形控制值，变形控制值的设定标准不超过管廊结构及其内部设施的允许值；
2）在基坑下管廊的两侧壁之外各1.0m处打入两排并列分布的搅拌桩，在搅拌桩内插入抗拔桩作为受力构件；
3）定位超前支撑钢管的位置，并进行钻孔，然后插入超前支撑钢管：先轻击超前支撑钢管至管廊顶部高程附近，通过管底高压水冲掉管廊顶部的土层，再慢慢沉入超前支撑钢管至接近管廊顶，最后进行中低压灌浆，在管廊顶部形成一个超前灌浆防护层作为保护区，灌浆时将超前支撑钢管下端部与灌浆防护层浇筑在一起；
4）将反力架横梁一一垂直于基坑下管廊纵轴线分布，每根反力架横梁的两端分别与左右各一抗拔桩上端部焊接连接，然后将超前支撑钢管的上端部与反力架横梁焊接连接；在反力架横梁的中部并排铺设两列纵向稳定钢梁，将纵向稳定钢梁与反力架横梁固定连接；在纵向稳定钢梁和反力架横梁的交叉端面上铺设抗隆用配重装置，由反力架横梁、纵向稳定钢梁以及超前支撑钢管组成反压系统；
5）基坑开挖：分浅层缓慢开挖至基坑底部，开挖过程中实时监测基坑的隆起或者沉降，并根据反压系统的隆起或者沉降量值，调整配重装置的重量，
6）开挖至基坑底部设计高程后，打设垫层并对基坑内构筑物进行建设施工；
7）基坑内构筑物完工后，分层回填基坑，回填过程中实时监测基坑的隆起或者沉降，并根据反压系统的变形值，逐步移除配重装置的重量，直至回填完毕；
8）拆除并回收反压系统，拔除抗拔桩并回收。
本发明所述管廊变形控制方法中，采用反压系统，结合抗拔桩的抗拔作用实现对管廊结构的限制位移和变形控制，在开挖过程中采用逐步分层、实时监控、实时调整配重的方式，有效实现对管廊变形的实时控制，避免了工程事故，并确保了下层管廊结构和其他地下结构安全性。另外，本发明所述控制方法中的抗拔桩和反压系统均可回收，不仅投资小，而且对城市地下空间的影响也较小，从而实现了绿色环保施工。
本发明所述管廊变形控制装置可以进一步具体为：
所述抗拔桩为H型钢桩，其插置于预先打好的搅拌桩中。
H型钢桩除了受力优势外，还便于回收再利用。
所述纵向稳定钢梁为工字型钢梁，由多个工字型钢拼接焊接组成。
所述配重装置为一种配重砂袋。
本发明所述管廊变形控制方法可以进一步具体为：
当抗拔桩的顶部没入地面下土层时，先开挖地面浅槽直至抗拔桩顶端部外露。
抗拔桩在插入位于地面下土层的搅拌桩时，根据不同情况，可能出现抗拔桩整体没入地面下方，因此需要先行使抗拔桩的顶端部外露，才能进一步安装反压系统。
抗拔桩以及反力系统中各个部件的特征值设计方法如下：
1）将管廊顶部基坑开挖卸荷的荷载大小作为反力加压的荷载；
2）以上述反力加压的反力值作为标准值，以纵向稳定钢梁和反力架横梁组成的反力架构传递至两排抗拔桩进行分析，设置抗拔桩纵向分布间距为1.2m-1.5m，从而获得单桩抗拔桩的抗拔承载力，并将该抗拔承载力作为抗拔桩的设计特征值；
3）根据抗拔桩的设计特征值计算获得抗拔桩的桩长；
4）以反力加压的荷载和反力值为基础，计算反力架横梁的规格和配重装置的配重荷载的大小。
根据基坑开挖过程中，各个部件的规格均需要配合管廊变形以及控制需求进行计算设计，从而达到最佳的控制目的。
综上所述，本发明提供了一种软土基坑开挖过程管廊变形控制装置及其控制方法，采用抗拔桩以提供抗拔控制方式，采用以反力架横梁、纵向稳定钢梁和超前支撑钢管为反压系统结合配重装置提供压顶配重控制方式，实现抗拔和配重压顶的“双保险”控制方式，并在施工过程中，采用实时监控，实时调整、逐步分层的方法，有效实现对管廊变形的实时控制，避免了工程事故，并确保了下层管廊结构和其他地下结构安全性，且所述控制方法中的抗拔桩和反压系统均可回收，降低了施工成本，实现了绿色环保施工。
附图说明
图1为本发明所述软土基坑开挖过程管廊变形控制装置的立面结构示意图。
图2为本发明所述软土基坑开挖过程管廊变形控制装置的侧立面结构示意图。
图3为本发明所述软土基坑开挖过程管廊变形控制装置的上平面结构示意图。
下面结合实施例对本发明做进一步描述。
具体实施方式
最佳实施例：
参照附图1、2、3，本发明所述软土基坑开挖过程管廊变形控制装置，包括有由竖向抗拔桩6、反力架横梁8和纵向稳定钢梁12构成的控制框架、超前支撑钢管9和配重装置11。抗拔桩6为一种H型钢桩，垂直插置于预先打入基坑及基坑下方的土体中的搅拌桩7中，上端部外露于地面上，多个抗拔桩6分两排并列分布在基坑下管廊2的两侧。每根反力架横梁8垂直于基坑下管廊2纵轴线分布，且两端分别连接基坑下管廊2两侧的抗拔桩6。而纵向稳定钢梁12为一种工字型钢梁，由多个工字型钢拼接焊接组成，两列纵向稳定钢梁12位于反力架横梁8中部沿着基坑下管廊2纵轴线依序连接各反力架横梁8。超前支撑钢管9的上端部通过一种封顶板14固定连接于反力架横梁8的中部，下端部则通过灌浆所形成的防护层10与基坑下管廊2顶部固定连接；配重装置11为多个配重沙袋，其压置在纵向稳定钢梁12和反力架横梁8的交叉端面上。
参照附图1、2、3，本发明所述软土基坑开挖过程管廊变形控制方法，包括如下步骤：
1）开挖前准备：提供如上所述软土基坑开挖过程管廊变形控制装置的各个部件；勘测定位现状的管廊的高程、位置，并在施工现场进行放样；根据管廊的施工工法和结构形式，结合管廊施工过程中的地基处理方案，制定管廊结构的变形控制值，变形控制值的设定标准不超过管廊结构及其内部设施的允许值。
2）在基坑下管廊的两侧壁之外各1.0m处打入两排并列分布的搅拌桩7，在搅拌桩7内插入抗拔桩6作为受力构件；当抗拔桩6的顶部没入地面下土层时，先开挖地面浅槽直至抗拔桩6顶端部外露；较好的方式是在施工时预留抗拔桩6的顶端部外露于地面上。
3）定位超前支撑钢管9的位置，并进行钻孔，然后插入超前支撑钢管9：先轻击超前支撑钢管9至管廊2顶部高程附近，通过管底高压水冲掉管廊顶部的土层，再慢慢沉入超前支撑钢管9至接近管廊顶，最后进行中低压灌浆，在管廊顶部形成一个超前灌浆防护层10作为保护区，灌浆时将超前支撑钢管9下端部与灌浆防护层10浇筑在一起。当遇到圆形管廊结构时，可以通过管廊顶部超前施工一层水泥土加固土层来实现超前支撑钢管9定位出现偏差的风险控制问题。
4）将反力架横梁8一一垂直于基坑下管廊2纵轴线分布，每根反力架横梁8的两端分别与左右各一抗拔桩6上端部焊接连接，然后将超前支撑钢管9的上端部通过封顶板14与反力架横梁8焊接连接；在反力架横梁8的中部并排铺设两列纵向稳定钢梁12，将纵向稳定钢梁12与反力架横梁8固定连接；在纵向稳定钢梁12和反力架横梁8的交叉端面上铺设抗隆用配重装置11（配重沙袋），由反力架横梁8、纵向稳定钢梁12以及超前支撑钢管9组成反压系统。
5）基坑开挖：分浅层缓慢开挖至基坑底部4，开挖过程中实时监测基坑的隆起或者沉降，并根据反压系统的隆起或者沉降量值，调整配重装置11的重量。
6）开挖至基坑底部4设计高程后，打设垫层并对基坑内构筑物进行建设施工。
7）基坑内构筑物完工后，分层回填基坑，回填过程中实时监测基坑的隆起或者沉降，并根据反压系统的变形值，逐步移除配重装置11的重量，直至回填完毕。
8）拆除并回收反压系统，拔除抗拔桩6并回收。
抗拔桩以及反力系统中各个部件的特征值设计方法如下：
1）将管廊顶部基坑开挖卸荷的荷载大小作为反力加压的荷载；
2）以上述反力加压的反力值作为标准值，以纵向稳定钢梁和反力架横梁组成的反力架构传递至两排抗拔桩进行分析，设置抗拔桩纵向分布间距为1.2m-1.5m，从而获得单桩抗拔桩的抗拔承载力，并将该抗拔承载力作为抗拔桩的设计特征值；
3）根据抗拔桩的设计特征值计算获得抗拔桩的桩长；
4）以反力加压的荷载和反力值为基础，计算反力架横梁的规格和配重装置的配重荷载的大小。
本发明的要点还在于：
1、可以实现对基坑开挖下方的管廊或者其他构筑物的保护，在基坑开挖过程中，通过本发明所述控制装置并配合本发明的所述控制方法，结合实时监控、实时调整的施工方式，能够有效实现对管廊变形的实时控制；
2、本发明所采用的抗拔钢桩和反压系统等结构构件，包括配重所需的沙袋，都是可回收的，不仅投资小，而且对城市地下空间的影响也较小，可以实现绿色环保施工。
本发明未述部分与现有技术相同。
Claims (5)
1.软土基坑开挖过程管廊变形控制方法，其特征在于，包括如下步骤：
1）提供一种软土基坑开挖过程管廊变形控制装置，包括有由竖向抗拔桩、纵向稳定钢梁和反力架横梁构成的控制框架、超前支撑钢管和配重装置；抗拔桩垂直插置于基坑及基坑下方的土体中，上端部外露于地面上，多个抗拔桩分两排并列分布在基坑下管廊的两侧；每根反力架横梁垂直于基坑下管廊纵轴线分布，且两端分别连接基坑下管廊两侧的抗拔桩，而纵向稳定钢梁位于反力架横梁中部分两列沿着基坑下管廊纵轴线依序连接各反力架横梁；超前支撑钢管的上端部固定连接于反力架横梁的中部，下端部则通过灌浆与基坑下管廊顶部固定连接；配重装置压置在纵向稳定钢梁和反力架横梁的交叉端面上，所述配重装置为一种配重砂袋；
2）开挖前准备：准备上述变形控制装置的各个部件；勘测定位现状的管廊的高程、位置，并在施工现场进行放样；根据管廊的施工工法和结构形式，结合管廊施工过程中的地基处理方案，制定管廊结构的变形控制值，变形控制值的设定标准不超过管廊结构及其内部设施的允许值；
3）在基坑下管廊的两侧壁之外各1.0m处打入两排并列分布的搅拌桩，在搅拌桩内插入抗拔桩作为受力构件；
4）定位超前支撑钢管的位置，并进行钻孔，然后插入超前支撑钢管：先轻击超前支撑钢管至管廊顶部高程附近，通过管底高压水冲掉管廊顶部的土层，再慢慢沉入超前支撑钢管至接近管廊顶，最后进行中低压灌浆，在管廊顶部形成一个超前灌浆防护层作为保护区，灌浆时将超前支撑钢管下端部与灌浆防护层浇筑在一起；
5）将反力架横梁一一垂直于基坑下管廊纵轴线分布，每根反力架横梁的两端分别与左右各一抗拔桩上端部焊接连接，然后将超前支撑钢管的上端部与反力架横梁焊接连接；在反力架横梁的中部并排铺设两列纵向稳定钢梁，将纵向稳定钢梁与反力架横梁固定连接；在纵向稳定钢梁和反力架横梁的交叉端面上铺设抗隆用配重装置，由反力架横梁、纵向稳定钢梁以及超前支撑钢管组成反压系统；
6）基坑开挖：分浅层缓慢开挖至基坑底部，开挖过程中实时监测基坑的隆起或者沉降，并根据反压系统的隆起或者沉降量值，调整配重装置的重量，
7）开挖至基坑底部设计高程后，打设垫层并对基坑内构筑物进行建设施工；
8）基坑内构筑物完工后，分层回填基坑，回填过程中实时监测基坑的隆起或者沉降，并根据反压系统的变形值，逐步移除配重装置的重量，直至回填完毕；
9）拆除并回收反压系统，拔除抗拔桩并回收。
2.根据权利要求1所述的软土基坑开挖过程管廊变形控制方法，其特征在于，所述抗拔桩为H型钢桩，其插置在预先打好的搅拌桩中。
3.根据权利要求1所述的软土基坑开挖过程管廊变形控制方法，其特征在于，所述纵向稳定钢梁为工字型钢梁，由多个工字型钢拼接焊接组成。
4.根据权利要求1所述的软土基坑开挖过程管廊变形控制方法，其特征在于，当抗拔桩的顶部没入地面下土层时，先开挖地面浅槽直至抗拔桩顶端部外露。
5.根据权利要求1所述的软土基坑开挖过程管廊变形控制方法，其特征在于，抗拔桩以及反力系统中各个部件的特征值设计方法如下：
1）将管廊顶部基坑开挖卸荷的荷载大小作为反力加压的荷载；
2）以上述反力加压的反力值作为标准值，以纵向稳定钢梁和反力架横梁组成的反力架构传递至两排抗拔桩进行分析，设置抗拔桩纵向分布间距为1.2m-1.5m，从而获得单桩抗拔桩的抗拔承载力，并将该抗拔承载力作为抗拔桩的设计特征值；
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