CN110485466A - 一种预留门洞的装配式可回收圆形工作坑及其施工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种预留门洞的装配式可回收圆形工作井及其施工方法，包括如下步骤：（一）圆形工作井的功能需求设计；（二）支护桩施工；（三）预制冠梁安装；（四）临边防护施工；(五)土方开挖、挡土面板、环形内撑梁交替施工，同步预留门洞；（六）进入圆形工作井的爬梯安装；(七)圆形工作井封底，即可完成预留门洞的装配式可回收圆形工作井的施工；(八)井内作业完成后，回填过程中逆序逐步回收挡土面板、环形内撑梁、冠梁及支护桩等工作井构件。本发明构建的预留门洞的装配式可回收圆形工作井结构体系功能明确、安全快捷、装配式可回收、可重复利用等诸多优点，为水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工及修复提供了新方法。
Description
技术领域
本发明属于水利、市政、热力、通讯等基础设施的非开挖施工及修复领域，具体涉及为水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工及修复提供了一种预留门洞的装配式可回收圆形工作坑及其施工方法。
背景技术
城市化的进程加快，不仅要新建大量的地下基础配套设施，还面临大量老旧地下管道的超期服役问题，使得许多城市道路地下管网非常复杂，地下管道损坏导致的路面坍塌和安全事故频繁发生。在通行要求和绿色环保理念日益被人重视的情况下，常规的开挖填埋式施工，不仅施工效率低，还面临严重的工后沉降，多用于新建城区的浅埋式雨水、污水管道的施工。定向钻、顶管施工等非开挖施工技术逐渐成为城市地下管道的主流技术，其中顶管施工因其断面选择灵活、埋深较大，可有效避免与上部既有管线的冲突，仅需较小范围设置相应的工作井、接收井及中继间等，可实现长距离的地下管道施工需要，越来越受到工程师们的重视。此外，部分既有地下管道的损坏检修，也需要临时增设工作井，以保证地下作业时的人身安全。目前，关于工作井、接收井及中继间的设计及施工，仍主要选择沉井工艺或倒挂井工艺，虽然安全可靠，但造价高、工期长、也存在下沉困难、倾斜及操作不当导致的失稳事故等。
发明内容
针对水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工及修复发展需求和目前工作井设计施工存在的不足，本发明提供了一种预留门洞的装配式可回收圆形工作井的设计施工方法。本发明是从圆形工作井的安全及用途出发，首次提出将预留洞门与工作井结构同步设计实施的理念，并在工作井结构体系中引入预制装配式施工工艺研发而来。利用该发明可安全快速的完成水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工及修复所需的圆形工作井建造，井内作业完毕后，回填过程中可依次对圆形工作井构件的高效率回收重复利用。该技术作为水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工及修复所需的圆形工作井的设计施工新方法，不仅安全快速、技术理念先进，而且绿色经济，生态和谐，可回收重复使用。
本发明的技术方案具体为：
一种预留门洞的装配式可回收圆形工作坑的施工方法，包括以下步骤，
（一）圆形工作坑的功能需求设计，包括：
（1）收集相关资料，确定满足井内作业要求的平面尺寸、深度及工作井封底的处理方式；
（2）根据新建或既有管道的位置、直径及材质等确定预留门洞的标高及大小，预留门洞数量至少是一个；
（3）圆形工作坑的结构计算及绘图：采用杆系单元法与数值模拟对比计算分析，获取最优圆形工作坑支护结构组成，然后进行绘图，完成圆形工作坑功能需求的设计工作；
（二）支护桩施工，具体包括：
（1）支护桩的预加工：根据圆形工作坑设计结果，分类预加工支护桩体，考虑预留门洞需要，门洞顶部采用短支护桩,门洞对面采用加强支护桩，其它部位采用标准支护桩；
（2）支护桩的现场施工：精确测放桩位，分类施工安装三类支护桩；
（3）支护桩的截面形状、材质可根据计算结果选取，其截面形状包括但不限于方形或圆形，材质为钢筋混凝土或型钢；
（三）预制冠梁安装，施工步骤包括：
（1）预制冠梁的预加工：根据圆形工作坑的平面尺寸及三类支护桩的平面布置，提前加工预制冠梁，预制冠梁与支护桩之间通过螺栓连接；
（2）预制冠梁的现场施工：根据圆形工作坑平面尺寸大小，分段或者整体吊装预制冠梁，标高调平后与支护桩螺栓连接；
（3）预制冠梁的截面形状、材质可根据计算结果选取，截面形状包括但不限于与支护桩双侧锚固预制冠梁或内环形单侧锚固预制冠梁，材质为钢筋混凝土或型钢；
(四)临边防护施工：预制冠梁安装完毕后，在预制冠梁上设置临边防护，临边防护与预制冠梁通过螺栓连接；
(五)土方开挖、挡土面板、环形内撑梁交替施工，同步预留门洞的施工步骤包括：
（1）分层开挖圆形工作坑内土方，安装挡土面板，在预留门洞区域安装特制挡土面板，所有挡土面板与支护桩体之间均通过侧向挂钩拼装；
（2）开挖到预定高度后，安装环形内撑梁；
（3）重复步骤（1）、（2），开挖至圆形工作坑设计井底标高；
（六）进入圆形工作坑的爬梯安装：根据环形内撑梁的间距和操作工具的规格尺寸来设置爬梯，爬梯的安装采用挂钩连接；
（七）圆形工作坑封底：为满足后续施工需要，采用碎石、混凝土对圆形工作坑封底处理，完成预留门洞的装配式可回收圆形工作坑的施工。
还包括井内作业完成后，圆形工作坑回填过程中依次逐步回收挡土面板、环形内撑梁、预制冠梁及支护桩等工作井构件。
一种预留门洞的装配式可回收圆形工作坑，包括圆形工作坑和支护桩，圆形工作坑的底部为封底，圆形工作坑内设置有预留门洞，支护桩沿着圆形工作坑的内壁圆周分布，相邻两个支护桩之间拼接连接有挡土面板，圆形工作坑的顶部设置有预制冠梁，预制冠梁与支护桩螺栓连接，预制冠梁与封底之间设置有至少一个环形内撑梁，环形内撑梁通过螺栓连接在支护桩上。
所述支护桩包括短支护桩、加强支护桩和标准支护桩，短支护桩设置在预留门洞上方，其高度小于加强支护桩和标准支护桩，加强支护桩设置在预留门洞对面，加强支护桩的截面积大于短支护桩和标准支护桩，其余部位为标准支护桩。
所述预留门洞处设置有特制挡土面板，特制挡土面板上设置有与预留门洞对应的圆孔，特制挡土面板的侧面设置有挂钩，每侧设置有两个，支护桩上设置有与挂钩对接的钻孔，特制挡土面板通过挂钩连接在支护桩上。
所述挡土面板侧面上设置有挂钩，每侧设置有两个，支护桩上设置有与挂钩对接的钻孔，挡土面板通过挂钩连接在支护桩上。
所述预制冠梁上设置有临边防护，临边防护与预制冠梁螺栓连接。
所述圆形工作坑内设置有爬梯，爬梯上设置有挂钩，爬梯长度方向上挂钩的间距与环形内撑梁之间的间距一致，爬梯的挂钩连接在环形内撑梁上。
相对于现有技术，本发明的技术效果为，
（1）技术理念先进，采用预留门洞与圆形工作坑结构的一体化设计施工，不仅可降低工作井的建设周期，而且节约了二次进行门洞开挖的投入，即使对于已有地下管道的修复，在提供地下安全作业空间的同时，也可有效保障非损毁部位管道的安全。
（2）支护桩首次创新性的提出并采用标准支护桩、短支护桩和加强支护桩的分类设计及组合，可有效发挥材料的力学性能，既保证工作井功能的发挥，又节约不必要的材料耗费。
（3）工作井构件提前预制加工，现场装配式施工，不需要养护，节约工作井开挖建造工作，独创的挡土面板侧向挂钩连接安装工艺，施工方便快捷，同时可回收重复利用，也可实现圆形工作坑结构的标准化设计与施工。
（4）本申请技术所建造的同一套的圆形工作坑结构可解决一定深度范围内、周边环境类似的圆形工作坑重复建造任务，绿色经济，节约资源浪费。
（5）生态和谐、环保性价比高。与传统工作井建造技术，本申请的最大特点是提前预制加工，在现场实施阶段，装配式连续作业，显著缩短工期的同时，可减少砼、粉尘、扬尘覆盖等对环境的污染，减小施工对周边环境的影响。
本发明无论从圆形工作坑结构的设计施工理念、结构体系受力、建造方式、回收重复利用价值等方面都和现行的工作井技术具有明显的不同，并且具有安全快捷、技术先进、可高效回收重复利用、绿色经济、生态和谐等优点，并成功应用于圆形工作坑建造项目，发展应用前景可观。
附图说明
图1是本发明的整体构造图。
图2为本发明圆形工作坑的功能构造图。
图3为本发明支护桩的平面布置图。
图4为本发明预制冠梁的平面布置图。
图5为本发明圆形工作坑的剖、立面展开图。
图6为本发明支护桩的结构图。
图7为本发明挡土面板和特制挡土面板的结构图。
图8为本发明爬梯的结构图。
具体实施方式
一种预留门洞的装配式可回收圆形工作坑的施工方法，首先完成圆形工作井的功能需求设计，然后依次进行支护桩施工，预制冠梁安装，临边防护施工，随后进行圆形工作井的土方开挖、挡土面板、环形内撑梁交替施工，同步预留门洞，最后安装进入圆形工作井的爬梯和圆形工作井封底等工作，即可完成预留门洞的装配式可回收圆形工作井的施工，井内作业完成后，回填过程中依次逐步回收挡土面板、环形内撑梁、冠梁及支护桩等工作井构件。具体包括以下步骤，
（一）圆形工作坑1的功能需求设计，包括：
（1）收集相关资料，确定满足井内作业要求的平面尺寸、深度及工作井封底2的处理方式；
（2）根据新建或既有管道的位置、直径及材质等确定预留门洞3的标高及大小，预留门洞3数量至少是一个；
（3）圆形工作坑1的结构计算及绘图：采用杆系单元法与数值模拟对比计算分析，获取最优圆形工作坑支护结构组成，然后进行绘图，完成圆形工作坑功能需求的设计工作；
（二）支护桩施工，具体包括：
（1）支护桩的预加工：根据圆形工作坑1的设计结果，分类预加工支护桩体，考虑预留门洞需要，预留门洞3顶部采用短支护4，预留门洞3对面采用加强支护桩5，其它部位采用标准支护桩6；
（2）支护桩的现场施工：精确测放桩位，分类施工安装三类支护桩；
（3）支护桩的截面形状、材质可根据计算结果选取，其截面形状包括但不限于方形或圆形，材质为钢筋混凝土或型钢；
（三）预制冠梁安装，施工步骤包括：
（1）预制冠梁7的预加工：根据圆形工作坑1的平面尺寸及三类支护桩的平面布置，提前加工预制冠梁7，预制冠梁7与支护桩之间通过螺栓连接；
（2）预制冠梁的现场施工：根据圆形工作坑1平面尺寸大小，分段或者整体吊装预制冠梁7，标高调平后与支护桩螺栓连接；
（3）预制冠梁的截面形状、材质可根据计算结果选取，截面形状包括但不限于与支护桩双侧锚固预制冠梁或内环形单侧锚固预制冠梁，材质为钢筋混凝土或型钢；
(四)临边防护9施工：预制冠梁7安装完毕后，在预制冠梁上设置临边防护9，临边防护与预制冠梁通过螺栓连接；
(五)土方开挖、挡土面板、环形内撑梁交替施工，同步预留门洞的施工步骤包括：
（1）分层开挖圆形工作坑内土方，安装挡土面板，在预留门洞区域安装特制挡土面板，所有挡土面板与支护桩体之间均通过侧向挂钩拼装；
（2）开挖到预定高度后，安装环形内撑梁13，环形内撑梁13通过螺栓连接在支护桩上；
（3）重复步骤（1）、（2），开挖至圆形工作坑设计井底标高；
（六）进入圆形工作坑的爬梯安装：根据环形内撑梁的间距和操作工具的规格尺寸来设置爬梯12，爬梯12的安装采用挂钩连接，爬梯12通过挂钩连接在环形内撑梁13上；
(七)圆形工作坑封底：为满足后续施工需要，采用碎石、混凝土对圆形工作坑封底处理，完成预留门洞的装配式可回收圆形工作坑的施工。
（八）井内作业完成后，圆形工作坑1回填过程中依次逐步回收挡土面板、环形内撑梁、预制冠梁及支护桩等工作井构件。
圆形为轴对称结构，圆形工作坑1作为一种可靠的支护结构形式，主要依靠圆截面排桩自身的刚度，实现基坑开挖过程的边坡稳定，预制冠梁在多数情况下起构造协调作用，钢挡土面板作用为构造临时挡土作用，支护体系相对简明，基坑侧壁土压几乎全部由圆截面排桩承担，力学传递路径单一直接，在计算方法上来讲属于悬臂梁结构体系。
施工过程考虑两个施工工艺的力学需要，将挖井支护与顶管计算施工两种工艺的受力、结构功能同步考虑，避免了后期施工过程中挖井支护与顶管施工之间的冲突。
一种预留门洞的装配式可回收圆形工作坑，包括圆形工作坑1和支护桩，圆形工作坑1的底部为封底2，圆形工作坑1内设置有预留门洞3，支护桩沿着圆形工作坑1的内壁圆周分布，圆形工作坑1的顶部设置有预制冠梁7，预制冠梁7与支护桩螺栓连接，预制冠梁7截面形状包括但不限于与支护桩双侧锚固预制冠梁或内环形单侧锚固预制冠梁，即预制冠梁可以在支护桩的两侧夹住支护桩，也可以根据需要仅预制冠梁7内侧与支护桩螺栓连接。预制冠梁7与封底2之间设置有至少一个环形内撑梁13，环形内撑梁13通过螺栓连接在支护桩上。
支护桩包括短支护桩4、加强支护桩5和标准支护桩6，短支护桩4设置在预留门洞3上方，短支护桩4位于预留门洞与预制冠梁之间，其高度小于加强支护桩5和标准支护桩6，加强支护桩5和标准支护桩6的高度均大于圆形工作坑1的高度，具体的，加强支护桩5和标准支护桩6的上部与圆形工作坑1的上部平齐，下部超过封底并向下延伸一定距离，保证支护桩的稳固。加强支护桩5设置在预留门洞3对面，加强支护桩5的截面积大于短支护桩4和标准支护桩6，其余部位为标准支护桩6，加强支护桩5的刚度要大于短支护桩4和标准支护桩，而加强支护桩所处的位置为预留门洞的对面，顶管装置顶进顶管的时候，顶管装置后背承受管子顶进的全部水平顶力，将受力面的支护桩加强，避免门洞对面圆形工作坑变形。通过设置三种不同类型的支护桩，实际操作性更强，在力学体系和功能构造上更满足工程施工的需要。
相邻两个支护桩之间拼接连接有挡土面板10，圆形工作坑的内壁由一块块的挡土面板10覆盖，挡土面板10侧面上设置有挂钩，每侧设置有两个，支护桩上设置有与挂钩对接的钻孔，挡土面板10通过挂钩连接在支护桩上。
预留门洞3处为特制挡土面板11，特制挡土面板11上设置有与预留门洞3对应的圆孔，特制挡土面板11的侧面设置有挂钩，每侧设置有两个，支护桩上设置有与挂钩对接的钻孔，特制挡土面板11通过挂钩连接在支护桩上。目前的钢筋工作井都是钢筋混凝土结构，水钻头开门洞不容易，开门洞需要对混凝土面层二次破除，破除的过程中地面上方容易出现塌陷、沉陷等安全危险，开挖工作坑时事先预留门洞后，能够直接从预留门洞处进行顶管的顶进工作，避免二次破除。
预制冠梁7上设置有临边防护9，临边防护9与预制冠梁7螺栓连接。
圆形工作坑1内设置有爬梯12，爬梯12上设置有挂钩，爬梯12长度方向上挂钩的间距由环形内撑梁间距决定，爬梯12长度方向上挂钩的间距与环形内撑梁13之间的间距一致，爬梯的挂钩连接在环形内撑梁13上。
挡土面板、特制挡土面板和爬梯上均设置有挂钩，通过挂钩实现连接，简易安全，后期回收方便。
本发明采用独创的长短配合、局部加强的支护桩组合方式进行圆形工作坑的超前支护，借助环形内撑梁13的灵活布置进一步巩固结构稳定和实现预留门洞，以满足后续施工需要，可节省投资和加快施工进度，本发明构建的预留门洞的装配式可回收圆形工作井结构体系具有功能明确、安全快捷、装配式可回收、可重复利用等诸多优点，为水利、市政、热力、通讯等地下管道的非开挖施工及修复提供了功能明确、安全快捷、技术先进、可高效回收重复利用、绿色经济的一套全新的工作井设计施工技术，不仅首次实现了预留门洞与圆形工作坑同步实施，而且圆形工作坑构件采用预制加工，具有回收价值高、且可重复利用等特点。
以上所述的仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明整体构思前提下，还可以作出若干改变和改进，这些也应该视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种预留门洞的装配式可回收圆形工作坑的施工方法，其特征在于：包括以下步骤，
（一）圆形工作坑的功能需求设计，包括：
（1）收集相关资料，确定满足井内作业要求的平面尺寸、深度及工作井封底的处理方式；
（2）根据新建或既有管道的位置、直径及材质等确定预留门洞的标高及大小，预留门洞数量至少是一个；
（3）圆形工作坑的结构计算及绘图：采用杆系单元法与数值模拟对比计算分析，获取最优圆形工作坑支护结构组成，然后进行绘图，完成圆形工作坑功能需求的设计工作；
（二）支护桩施工，具体包括：
（1）支护桩的预加工：根据圆形工作坑设计结果，分类预加工支护桩体，考虑预留门洞需要，门洞顶部采用短支护桩,门洞对面采用加强支护桩，其它部位采用标准支护桩；
（2）支护桩的现场施工：精确测放桩位，分类施工安装三类支护桩；
（3）支护桩的截面形状、材质可根据计算结果选取，其截面形状包括但不限于方形或圆形，材质为钢筋混凝土或型钢；
（三）预制冠梁安装，施工步骤包括：
（1）预制冠梁的预加工：根据圆形工作坑的平面尺寸及三类支护桩的平面布置，提前加工预制冠梁，预制冠梁与支护桩之间通过螺栓连接；
（2）预制冠梁的现场施工：根据圆形工作坑平面尺寸大小，分段或者整体吊装预制冠梁，标高调平后与支护桩螺栓连接；
（3）预制冠梁的截面形状、材质可根据计算结果选取，截面形状包括但不限于与支护桩双侧锚固预制冠梁或内环形单侧锚固预制冠梁，材质为钢筋混凝土或型钢；
(四)临边防护施工：预制冠梁安装完毕后，在预制冠梁上设置临边防护，临边防护与预制冠梁通过螺栓连接；
(五)土方开挖、挡土面板、环形内撑梁交替施工，同步预留门洞的施工步骤包括：
（1）分层开挖圆形工作坑内土方，安装挡土面板，在预留门洞区域安装特制挡土面板，所有挡土面板与支护桩体之间均通过侧向挂钩拼装；
（2）开挖到预定高度后，安装环形内撑梁；
（3）重复步骤（1）、（2），开挖至圆形工作坑设计井底标高；
（六）进入圆形工作坑的爬梯安装：根据环形内撑梁的间距和操作工具的规格尺寸来设置爬梯，爬梯的安装采用挂钩连接；
(七)圆形工作坑封底：为满足后续施工需要，采用碎石、混凝土对圆形工作坑封底处理，完成预留门洞的装配式可回收圆形工作坑的施工。
2.如权利要求1所述的预留门洞的装配式可回收圆形工作坑的施工方法，其特征在于：还包括井内作业完成后，圆形工作坑回填过程中依次逐步回收挡土面板、环形内撑梁、预制冠梁及支护桩等工作井构件。
3.一种预留门洞的装配式可回收圆形工作坑，其特征在于：包括圆形工作坑（1）和支护桩，圆形工作坑（1）的底部为封底（2），圆形工作坑（1）内设置有预留门洞（3），支护桩沿着圆形工作坑（1）的内壁圆周分布，相邻两个支护桩之间拼接连接有挡土面板（10），圆形工作坑（1）的顶部设置有预制冠梁（7），预制冠梁（7）与支护桩螺栓连接，预制冠梁（7）与封底（2）之间设置有至少一个环形内撑梁（13），环形内撑梁（13）通过螺栓连接在支护桩上。
4.如权利要求3所述的预留门洞的装配式可回收圆形工作坑，其特征在于：所述支护桩包括短支护桩（4）、加强支护桩（5）和标准支护桩（6），短支护桩（4）设置在预留门洞（3）上方，其高度小于加强支护桩（5）和标准支护桩（6），加强支护桩（5）设置在预留门洞（3）对面，加强支护桩（5）的截面积大于短支护桩（4）和标准支护桩（6），其余部位为标准支护桩（6）。
5.如权利要求3所述的预留门洞的装配式可回收圆形工作坑，其特征在于：所述预留门洞（3）处设置有特制挡土面板（11），特制挡土面板（11）上设置有与预留门洞（3）对应的圆孔，特制挡土面板（11）的侧面设置有挂钩，每侧设置有两个，支护桩上设置有与挂钩对接的钻孔，特制挡土面板（11）通过挂钩连接在支护桩上。
6.如权利要求3所述的预留门洞的装配式可回收圆形工作坑，其特征在于：所述挡土面板（10）侧面上设置有挂钩，每侧设置有两个，支护桩上设置有与挂钩对接的钻孔，挡土面板（10）通过挂钩连接在支护桩上。
7.如权利要求3所述的预留门洞的装配式可回收圆形工作坑，其特征在于：所述预制冠梁（7）上设置有临边防护（9），临边防护（9）与预制冠梁（7）螺栓连接。
8.如权利要求3所述的预留门洞的装配式可回收圆形工作坑，其特征在于：所述圆形工作坑（1）内设置有爬梯（12），爬梯（12）上设置有挂钩，爬梯（12）长度方向上挂钩的间距与环形内撑梁（13）之间的间距一致，爬梯的挂钩连接在环形内撑梁（13）上。
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