CN114411756A - 一种富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法及施工装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于城市地下空间施工技术领域，涉及一种富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法包括1)设置桩基础并确定第一道内支撑以及多道内支撑的设计标高；2)挖至第一道内支撑设计标高处，安装多根平行的钢筋混凝土支撑；3)继续开挖至每一道内支撑设计标高处依次完成多道内支撑的安装；4)同时，开挖基坑至地下水位线以下处，先利用抓斗挖出砂土，再利用耙泥机吸出砂浆并注水至基坑内；5)开挖至设计标高高0.1m处封底，完成施工。本发明工艺简单、技术可靠、安全环保，具有良好的应用前景；同时，本发明的施工装置，实现机械化施工，减少人力成本，提高施工效率。
Description
技术领域
本发明属于城市地下空间施工技术领域，涉及一种富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法及施工装置。
背景技术
采用明挖法在富水砂层修建地铁车站时，由于地下水位较高，往往需要在基坑周边采用止水帷幕结合井点降水等措施降低地下水位，进而在相对干燥的环境下进行基坑的开挖和地铁结构的修筑。但施工降水会导致地下水位下降，土层中孔隙水压力降低，地层产生新的固结沉降。从整体上来看，会导致城市地下水位降低，引起城市的整体下沉。从局部来看，由于每个井点周围的水位降低是呈漏斗状分布，整个基坑周围的水位降落必然是近大远小呈曲面分布。基坑场区降水会引起周边邻近建(构)筑物、地下管线及地表路面的不均匀沉降。当不均匀沉降达到一定程度时，就会导致周边邻近建(构)筑物开裂、倾斜甚至于倒塌，引起地下管线破裂、渗漏，致使地表路面出现沉陷、陷坑、丧失使用功能。因此基坑明挖施工，必须高度重视降水对周边环境的影响，把不均匀沉降限制在允许的范围内，以确保周边邻近建(构)筑物、地下管线及地表路面的结构安全和正常使用。当然，由于环保要求，很多城市要求施工单位对基坑施工过程中的降水进行回灌。但一方面降水回灌会提高工程建设成本，另外一方面回灌对控制地层沉降特别是不均匀沉降的效果也有很强的不确定性。
在富水砂层修建地铁车站时，地层的渗透性较高，由于地下水位高于开挖底面，地下水会不断渗入坑内，基坑围护结构会受到较大的静水压力、基础流砂、坑底隆起、坑底管涌和地基承载力下降等现象也会对工程施工产生一定的困扰。这就需要降低地下水位，但是单纯地抽取地下水，降低水位又可能引起附近地面及临近建筑物、管线的沉降和变形。另一方面地下水作为一种资源，大量长期被抽出排走也是很大的浪费。因此，发明一种适用于富水砂层地铁车站无降水基坑施工方法就显得格外重要。
发明内容
针对上述存在的技术问题，本发明提供富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法，能有效避免施工过程中的人工降水，施工完成后仅排出基坑内的水，该方法工艺简单、技术可靠、安全环保，具有良好的应用前景。
同时，本发明还提供了与上述施工方法相配套的施工装置，实现机械化施工，减少人力成本，提高施工效率。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法，包括以下步骤：
1)根据勘察的基坑开挖场地的土质情况、地下水状况以及基坑开挖的尺寸，设置桩基础，并确定出从上向下开挖过程中第一道内支撑以及多道内支撑的设计标高；
2)从地表开始向下挖出基坑内的砂土直至第一道内支撑设计标高处，在基坑相对的两个内壁之间安装多根平行的钢筋混凝土支撑，多根钢筋混凝土支撑均与基坑内壁相连接；
3)继续向下挖出基坑内的砂土，挖至每一道内支撑设计标高处依次完成多道内支撑的安装，多道内支撑均位于钢筋混凝土支撑的正下方；
4)在步骤3)的同时，开挖基坑至地下水位线以下处，先利用抓斗挖出砂土，再利用耙泥机吸出砂浆，并将泥浆沉淀出来的水重新注入基坑内；
5)继续开挖直至开挖深度比基坑设计标高高0.1m处，停止吸出泥浆和注水，吸除浮泥并摊铺厚度为50cm碎石垫层，再浇筑厚1.5m的混凝土底板层，浇后养护7～14天，完成基坑施工。
进一步的，所述步骤1)中，桩基础的施工过程是：
1.1)根据基坑的长度、宽度和深度，通过静力植桩机将钢板桩打入土体；钢板桩的垂直度偏差不得大于0.5％，桩顶标高允许误差为±100mm；1.2)采用旋喷注浆法，在钢板桩外周方向上形成一周旋喷桩，且旋喷桩端打入持力层1m左右，旋喷桩顶部达到地表处；
1.3)待旋喷桩强度达到标准，在地表铺设混凝土垫层。
进一步的，所述步骤1.2)中，旋喷桩采用双排布孔或三排布孔，孔径在0.4～0.8m；采用水泥和早强剂的混合泥浆进行注浆，所述早强剂的用量为水泥用量的2％～4％；水泥为强度等级为42.5号硅酸盐水泥浆；所述早强剂为氯化钙、水玻璃或三乙醇胺；注浆管旋转速率小于10r/min；注浆流量为120L/min。
进一步的，所述步骤2)中，所述钢筋混凝土支撑的尺寸大于700×900mm；所述钢筋混凝土支撑的平行间距为8m～10m；所述钢筋混凝土支撑的混凝土强度不应小于C20。
进一步的，所述步骤3)中，所述多道内支撑的施工过程均为：
3.1)在每一道内支撑的设计标高处均安装多对钢牛腿，每一对钢牛腿分别对应设置在钢板桩相对的两个侧壁上，且每个钢牛腿位于钢筋混凝土支撑位置正下方；
3.2)通过履带吊在每个钢牛腿上均放置一个钢围檩，钢围檩与钢板桩之间通过C30水下混凝土进行加固；
3.3)在每一道内支撑的设计标高处的每对钢牛腿之间，采用两点吊装将预先拼接完成钢支撑吊至基坑上空，钢支撑的轴向与钢筋混凝土支撑轴向相同且位于钢筋混凝土支撑正下方，钢支撑的一端与每对钢围檩中的一个连接并固定，钢支撑的另一端通过液压千斤顶与每对钢围檩中的另一个相连，液压千斤顶预压直至预压力达到设计值后通过钢楔锁锁定。
进一步的，所述步骤3)中，在地下水位线以上利用挖掘机挖出基坑内的砂土；
所述步骤4)中，在地下水位线以下先通过抓斗开挖砂土，继续开挖至砂浆量小于抓斗的容量时再利用耙泥机吸出砂浆。
一种所述的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法的施工装置，包括吊装单元和挖掘单元；所述吊装单元是由横梁和两台台车组成的门字形结构；所述两台台车关于基坑的纵深方向对称并分别置于混凝土垫层上；所述挖掘单元与横梁活动连接，并向下伸入待挖基坑内；所述挖掘单元为挖掘机、挖斗或吸沙耙头。
进一步的，所述挖掘单元为挖掘机或挖斗时，所述施工装置还包括置于地表上的运渣车。
进一步的，所述挖掘单元为吸沙耙头时，所述施工装置还包括置于地表上并通过水管与待挖基坑内部相连通的泥浆沉淀池。
进一步的，所述施工装置还包括置于地表上并与泥浆沉淀池相连的动力装置；所述动力装置还分别与吸沙耙头和水管相连。
本发明的有益效果是：
本发明提供的基坑开挖过程中包括带水作业方式，挖至水位线下方时，在围护结构与基坑内部形成水压平衡，通过耙泥机浚挖的方式挖出砂浆，避免施工过程中的人工降水，当基坑封底后，仅排出基坑内的水，进而修筑地铁结构的施工方法，保证基坑周围地下水的环境稳定性，降低施工对于周边生态系统的干扰；施工工艺简单、技术可靠、安全环保，具有良好的应用前景。
2、本发明提供的基坑施工方法，在充满水中地层基坑开挖中可以有效使用，并且在水中使用机械挖掘砂土更加容易，尤其适用于城市富水砂卵石地层基坑的施工环境，能解决当处于富水地层的基坑内部发生严重涌水，且无法排干地下水的情况。
3、本发明中，在基坑开挖过程中，根据勘察的基坑开挖场地的土质情况、地下水状况以及基坑开挖的尺寸，确定出从上向下开挖过程中第一道内支撑以及多道内支撑的设计标高，并在相应的设计标高处安装相应钢筋混凝土支撑和多道内支撑，提高基坑的稳定性；同时钢筋混凝土支撑和多道内支撑可以提前预制，与现浇相比，保证质量稳定，造价大幅度降低，加快工期。
4、本发明中，设置桩基础时，采用单管法旋喷注浆法在钢板桩周围围成一周旋喷桩，能有效提高成桩质量，防止桩基础出现所缩颈现象；同时通过提高注浆的水泥浆流量和流速，提高排砂能力，提高施工效率。
5、本发明还提供与施工开挖过程相配套的施工装置，机械化程度高，极大的降低人力成本，具有很高的发展潜力，且施工效率高。
附图说明
图1为旋喷桩与钢板桩施工平面示意图；
图2为抓斗开挖基坑示意图；
图3为耙泥机开挖基坑侧视示意图；
图4为内支撑连接示意图；
图5为开挖基坑剖视示意图；
其中：
1-钢板桩；2-旋喷桩；3-抓斗；4-台车；5-主梁；6-驾驶室；7-走台栏杆；8-钢筋混凝土支撑；9-钢围檩；10-钢支撑；11-液压千斤顶；12-钢牛腿；13-混凝土底板；14-混凝土垫层；15-运渣车；16-泥浆沉淀池；17-动力装置；18-吸沙耙头；19-耙齿；20-C30水下混凝土。
具体实施方式
现结合附图以及实施例对本发明做详细的说明。
实施例
参图1～图5，本实施例提供的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工装置，包括吊装单元和挖掘单元。
本实施例中，吊装单元是由横梁5和两台台车4组成的门字形结构；两台台车4关于基坑的纵深方向对称并分别置于混凝土垫层14上。
实时时，横梁5为与地表平行的平台，横梁5周围设置一圈走台栏杆7，横梁5上设置驾驶室6，方便操控挖土单元。
本实施例中，挖掘单元与横梁5活动连接，并向下伸入待挖基坑内。实时时，挖掘单元为挖掘机、挖斗3或吸沙耙头18，具体的根据基坑开挖深度以及开挖的地下土质情况选择相应的挖掘单元。
进一步的，当挖掘地下水位线上部的砂土时，挖掘单元为挖掘机，此时施工装置还包括置于地表上的运渣车15，方便将挖出的砂土运出现场，保证现场环境。
进一步的，当挖掘地下水位线下的砂浆时，挖掘单元为挖斗3或吸沙耙头18，此时施工装置还包括置于地表上并通过水管与待挖基坑内部相连通的泥浆沉淀池16。施工装置还包括置于地表上并与泥浆沉淀池16相连的动力装置17；动力装置17还分别与吸沙耙头18和水管相连。
实施时，在地下水位线以下先通过抓斗3开挖砂浆，继续开挖当砂浆量小于抓斗3的容量时，再利用吸沙耙头18吸出砂浆，动力装置17带动吸沙耙头18将砂浆吸出至泥浆沉淀池16内，经沉淀分层，上层的水通过动力装置17从水管返回至基坑内，保证水位平衡，保证基坑周围地下水的环境稳定性，降低施工对于周边生态系统的干扰。
下面以具体的实例，说明本实施例提供的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工装置，其施工方法包括以下步骤：
(1)根据勘察的基坑开挖场地的土质情况、地下水状况以及基坑的开挖尺寸(包括基坑的长度、宽度和深度)，确定多道内支撑的设计标高，在设计标高处确定钢牛腿12位置，然后在钢板桩1上打螺栓孔，为钢牛腿12螺栓加固做准备。
(2)地铁车站基坑为深基坑开挖，因此根据基坑的开挖尺寸，通过静力植桩机将钢板桩1打入土体。
施工时，采用吊车吊装钢板桩1，竖直放入静力植桩机中，从板桩墙的一角开始逐根植入，直至植桩工程结束。钢板桩1的垂直度偏差不得大于0.5％，桩顶标高允许误差为±100mm。对锈蚀严重的钢板桩，应整修矫正。为便于基础施工，在地下结构边缘以外留有宽为2m左右的支、拆模操作面。
本实施例中，钢板桩1长度宜采用18～24m；钢板桩1为拉森钢板桩，钢板桩1型号为SP-V型(五号桩)，也可以替换成SP-IVw型(六号桩)。
(3)采用单管法旋喷注浆法形成旋喷桩2，并逐渐在钢板桩1周围围成一周(可参见图1所示)；待旋喷桩2强度达到标准，在旋喷桩2顶端的地表上铺设一层混凝土垫层14，并留有大型机械通行通道。
施工时，旋喷桩2深度一般到达持力层即可，但为了提高其承压能力，旋喷桩2的底部端头宜打入持力层1m左右，旋喷桩2的顶部应达到地表。
本实施例中，旋喷桩2采用双排布孔，直径宜在0.4～0.8m之间。
但是在实际施工时，为了提高旋喷桩2的抗压能力，可适当减小桩间距或者采用三排布置。
本实施例中，由于处于富水砂层中，地下水充足，因此在注浆的水泥浆中添加早强剂来提高凝结速率。
具体的，注浆水泥采用强度等级为42.5号硅酸盐水泥浆，早强剂的用量为水泥用量的2％～4％，注浆中的水灰比采用1：1～1：1.5之间均可实现，注浆管旋转速率以小于10r/min为宜，注浆流量为120L/min。早强剂为氯化钙(早强剂还可替换成水玻璃或三乙醇胺)。
本步骤3)中，由于双管法旋喷注浆法和三管法旋喷注浆法存在气流作用产生压力不平衡问题，故本实施例采用单管法旋喷注浆法；此外，为了提高旋喷桩2的成桩质量，防止出现所缩颈现象，需通过提高水泥浆流量和流速；进一步的，为了提高排砂能力，可以采用增加1个注浆通道到注浆管底部，由泥浆泵从水泥浆池把预拌好的水泥通过该通道送入孔中。
(4)然后通过挖掘机开始挖掘土体，并将挖出的土体倒入运渣车15运出场地，当基坑开挖到第一道内支撑设计标高处，在基坑内设置钢筋混凝土支撑8，钢筋混凝土支撑8为多个，等间距平行设置。
具体的，多个钢筋混凝土支撑8均匀分布在基坑内两个长边之间，钢筋混凝土支撑8与钢板桩1相接触。实施时，钢筋混凝土支撑8的长宽尺寸大于700×900mm；钢筋混凝土支撑8的平行间距在8m～10m；钢筋混凝土支撑8的混凝土强度不应小于C20。
(5)继续用挖掘机对砂土进行挖掘直至达到地下水位线；当开挖至地下水位线以下时，用吊装单元吊起抓斗3，通过吊装单元将抓斗3伸入基坑内，沿一定的顺序依次进行开挖，层层开挖，不可多挖，将开挖的砂土倒入运渣车15运出场地；
待挖至砂土量不满抓斗3的容量时，为防止超挖，采用耙泥机进行对砂浆挖掘，将耙泥机安置在吊装单元上，通过调整吊装单元的位置，将耙泥机的吸沙耙头18放置井内的适当位置，置于吸沙耙头18井内一端上的的耙齿19井内对井内的砂土进行破坏，然后进一步并吸出砂土浆，吸出的砂土浆放入泥浆沉淀池16中进行沉淀，并将泥浆沉淀池16中沉淀的水重新通过水管注入基坑内部，保持基坑内部地下水位平衡(如图3所示)。
同时，在开挖过程中，当开挖至第二道内支撑设计标高，布置钢围檩9、钢支撑10和钢牛腿12组成的内支撑。
施工时，由于钢板桩1上设置用来固定钢牛腿12的螺栓孔，因此将钢牛腿12通过螺栓与钢板桩1进行连接。螺栓孔为多对，且关于基坑深度对称设置在两个相对的钢板桩1上，且每对螺栓孔的分布与其正上方的多个钢筋混凝土支撑8相对应，此时通过螺栓孔和螺栓与钢板桩1连接的钢牛腿12也为多对，也与钢牛腿12正上方的多个钢筋混凝土支撑8位置相对应。
参见图4，进一步的，通过履带吊在每个钢牛腿12上依次放置一个钢围檩9，钢围檩9与钢板桩之间均通过C30水下混凝土20进行加固，且相邻的钢围檩9间通过螺栓进行连接。此外，施工时，为了防止与钢板桩1和钢围檩9的碰撞，靠近基坑边界时也应该使用耙泥机对砂土进行挖掘，直至到设计标高。
实施时，钢围檩9采用两根H型钢加钢板和肋板焊接而成。按照不同的地铁车站的宽度和形状，型钢尺寸不同。例如可采用(HM500*300*11*18)型钢、(HM700*300*14*25)型钢。为保证在水中两段钢围檩9能够连接，可以通过螺栓进行连接，每段钢围檩9端部留有螺栓孔。
进一步的，在每对钢围檩9之间搭接钢支撑10。钢支撑10为钢管，钢管直径为φ800mm(也可替换成φ609mm)，钢管壁厚16mm，钢管由多节管节拼接完成，管节间采用法兰盘螺栓连接，一端为活络端，一端为固定端。管节的标准长度的4m(也可替换成6m)。
实施时，钢支撑10在地表上整体拼接完成，然后采用两点吊装，吊点位于钢支撑10轴向上的1/4和3/4处，用吊车将钢支撑10吊至基坑上空，利用履带吊缓慢旋转钢支撑10，使钢支撑10安全放入每对钢围檩9之间。
在实际施工中，钢支撑10的固定端与其中一个钢围檩9充分固定好，在钢支撑10的活络端处安装2台100吨液压千斤顶11，沿钢支撑10中线对称安置，液压千斤顶11采用分级施加，施加每级压力后保持压力稳定10min后施加下一级压力，预压力达到设计值后，且在压力稳定10min后，方可按照设计预应力值通过钢楔锁锁定钢支撑10的活络端与另一个钢围檩9；然后在剩余的每对钢围檩9之间依次安装好其余的钢支撑10。
(6)依次按照布骤(4)、步骤(5)继续开挖，并在每道内支撑设计标高处完成内支撑的安装。
(7)当基坑开挖深度位于设计标高高0.1m时，停止耙出泥沙和注水，用钻吸机吸除浮泥，摊铺50cm碎石垫层，用提升导管法浇筑厚1.5m封底的混凝土底板13，浇后养护7～14天(如图5所示)，完成基坑的开挖施工。
本发明中，采用带水作业方式，在围护结构与基坑内部形成水压平衡，通过耙泥机浚挖的方式出土，避免施工过程中的人工降水，当基坑封底后，仅排出基坑内的水，进而修筑地铁结构的施工方法，该方法工艺简单、技术可靠、安全环保，具有良好的应用前景。
Claims (10)
1.一种富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法，其特征在于：包括以下步骤：
1)根据勘察的基坑开挖场地的土质情况、地下水状况以及基坑开挖的尺寸，设置桩基础，并确定出从上向下开挖过程中第一道内支撑以及多道内支撑的设计标高；
2)从地表开始向下挖出基坑内的砂土直至第一道内支撑设计标高处，在基坑相对的两个内壁之间安装多根平行的钢筋混凝土支撑(8)，多根钢筋混凝土支撑(8)均与基坑内壁相连接；
3)继续向下挖出基坑内的砂土，挖至每一道内支撑设计标高处依次完成多道内支撑的安装，多道内支撑均位于钢筋混凝土支撑(8)的正下方；
4)在步骤3)的同时，开挖基坑至地下水位线以下处，先利用抓斗(3)挖出砂土，再利用耙泥机吸出砂浆，并将泥浆沉淀出来的水重新注入基坑内；
5)继续开挖直至开挖深度比基坑设计标高高0.1m处，停止吸出泥浆和注水，吸除浮泥并摊铺厚度为50cm碎石垫层，再浇筑厚1.5m的混凝土底板层(13)，浇后养护7～14天，完成基坑施工。
2.根据权利要求1所述的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法，其特征在于：所述步骤1)中，桩基础的施工过程是：
1.1)根据基坑的长度、宽度和深度，通过静力植桩机将钢板桩(1)打入土体；钢板桩(1)的垂直度偏差不得大于0.5％，桩顶标高允许误差为±100mm；
1.2)采用旋喷注浆法，在钢板桩(1)外周方向上形成一周旋喷桩(2)，且旋喷桩(2)端打入持力层1m左右，旋喷桩(2)顶部达到地表处；
1.3)待旋喷桩(2)强度达到标准，在地表铺设混凝土垫层(14)。
3.根据权利要求2所述的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法，其特征在于：所述步骤1.2)中，旋喷桩(2)采用双排布孔或三排布孔，孔径在0.4～0.8m；采用水泥和早强剂的混合泥浆进行注浆，所述早强剂的用量为水泥用量的2％～4％；水泥为强度等级为42.5号硅酸盐水泥浆；所述早强剂为氯化钙、水玻璃或三乙醇胺；注浆管旋转速率小于10r/min；注浆流量为120L/min。
4.根据权利要求1所述的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法，其特征在于：所述步骤2)中，所述钢筋混凝土支撑(8)的尺寸大于700×900mm；所述钢筋混凝土支撑(8)的平行间距为8m～10m；所述钢筋混凝土支撑(8)的混凝土强度不应小于C20。
5.根据权利要求1所述的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法，其特征在于：所述步骤3)中，所述多道内支撑的施工过程均为：
3.1)在每一道内支撑的设计标高处均安装多对钢牛腿(12)，每一对钢牛腿(12)分别对应设置在钢板桩(1)相对的两个侧壁上，且每个钢牛腿(12)位于钢筋混凝土支撑(8)位置正下方；
3.2)通过履带吊在每个钢牛腿(12)上均放置一个钢围檩(9)，钢围檩(9)与钢板桩(1)之间通过C30水下混凝土(20)进行加固；
3.3)在每一道内支撑的设计标高处的每对钢牛腿(12)之间，采用两点吊装将预先拼接完成钢支撑(10)吊至基坑上空，钢支撑(10)的轴向与钢筋混凝土支撑(8)轴向相同且位于钢筋混凝土支撑(8)正下方，钢支撑(10)的一端与每对钢围檩(9)中的一个连接并固定，钢支撑(10)的另一端通过液压千斤顶(11)与每对钢围檩(9)中的另一个相连，液压千斤顶(11)预压直至预压力达到设计值后通过钢楔锁锁定。
6.根据权利要求1所述的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法，其特征在于：所述步骤3)中，在地下水位线以上利用挖掘机挖出基坑内的砂土；
所述步骤4)中，在地下水位线以下先通过抓斗(3)开挖砂土，继续开挖至砂浆量小于抓斗(3)的容量时再利用耙泥机吸出砂浆。
7.一种如权利要求6所述的富水砂层地铁车站明挖基坑无降水施工方法的施工装置，其特征在于：所述施工装置包括吊装单元和挖掘单元；
所述吊装单元是由横梁(5)和两台台车(4)组成的门字形结构；所述两台台车(4)关于基坑的纵深方向对称并分别置于混凝土垫层(14)上；所述挖掘单元与横梁(5)活动连接，并向下伸入待挖基坑内；所述挖掘单元为挖掘机、挖斗(3)或吸沙耙头(18)。
8.根据权利要求7所述的施工装置，其特征在于：所述挖掘单元为挖掘机或挖斗(3)时，所述施工装置还包括置于地表上的运渣车(15)。
9.根据权利要求7所述的施工装置，其特征在于：所述挖掘单元为吸沙耙头(18)时，所述施工装置还包括置于地表上并通过水管与待挖基坑内部相连通的泥浆沉淀池(16)。
10.根据权利要求9所述的施工装置，其特征在于：所述施工装置还包括置于地表上并与泥浆沉淀池(16)相连的动力装置(17)；所述动力装置(17)还分别与吸沙耙头(18)和水管相连。
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