CN117071589A - 一种自适应装配式钢结构基坑支护系统 - Google Patents
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Abstract
本发明属于基坑支护技术领域，具体涉及一种自适应装配式钢结构基坑支护系统。本发明包括横向支撑杆以及单肢伸缩杆，两根单肢伸缩杆配合形成V型支撑构件；以同平面布置的横向支撑杆及单肢伸缩杆为一层支撑模块，各支撑模块均搭载于相应的竖向立柱上；各单肢伸缩杆均包括固定段以及顶推段，而顶推段则包括轴向依序布置的顶推件和补偿件；顶推件内置有中间介质和半导体制冷片；补偿件依托调节减速齿轮箱的尾部动力端齿轮，从而驱动首部增力端齿轮带动增力齿条产生沿单肢伸缩杆轴向的顶推力补偿动作。本发明利于支护结构整体受力，从而能确保基坑土体的整体性、稳定性和作业安全性，并同步具备施工灵活性高、周转成本低和噪音低的优点。
Description
技术领域
本发明属于基坑支护技术领域，具体涉及一种自适应装配式钢结构基坑支护系统。
背景技术
基坑支护是建筑物、构筑物在施工过程中极其重要的一环；其不仅关系着整个施工的经济效益性，更关系到施工的安全性。基坑支护目前通常包括混凝土支护结构和钢支护结构，其中：传统的混凝土支护结构无法重复利用，不利于减少碳排放，且经济效益差；而传统的钢支护结构，虽可重复利用，但承载潜力弱，无法可靠的应对整个施工过程中基坑周围环境及支护土体性质的变化，这是两者所难以解决的实际问题。此外，无论是何种支护，其显著存在的其他问题在于：其一，基坑周围土体在施工期间因土体蠕变及周围环境变化而引起的结构稳定问题。复杂环境下基坑施工全周期范围内土体蠕变和稳定问题显著，传统基坑支护由于几何尺寸无法灵活变动，难以适应土体应力和变形变化，造成基坑支护的支撑效率低，基坑失稳等问题。其二，传统基坑支护平面内变形稳定性差的问题。传统基坑支撑采用“十字形”纵横杆系交互的四边形支护结构，在土体应力不均匀变化、机械碰撞或地震荷载作用下易出现平面内失稳变形。其三，传统基坑支护结构几何尺寸调整难、周转性差、污染大的问题。传统基坑支护结构采用现浇或一次成形制作的方式，难以根据不同基坑要求调整几何尺寸，造成周转次数低，施工成本高等问题。同时，传统一次性基坑支护结构在基坑施工完成后，拆除后产生大量建筑垃圾，严重污染环境。其四，传统基坑支护结构在施加顶推力过程中噪声大、声污染严重的问题。在城市市内施工时，传统基坑支护结构多采用油压千斤顶，产生了巨大的噪音，造成了严重的声污染。最后，传统基坑支护结构也存在竖向立柱所需长度过长的问题。传统基坑支护结构为了减少成本、增快施工进度，方便施工，往往采用格构柱、工字钢或H型钢等形式的竖向立柱。由于支撑结构较重，尤其当采用多道支撑结构时，竖向立柱承载力往往不足；为了提高竖向立柱的承载力，需要增加竖向立柱的长度，这就势必要增加施工成本，且不利于竖向立柱的施打。显然，上述若干问题，均亟待寻求一种行之有效的解决方式，以确保基坑支护的土体的稳定和安全性，并尽可能减少基坑支护的周转次数和工作噪音，甚至在确保竖向立柱长度的同时确保其承载力，最终得以保证实际施工效果。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其利于支护结构整体受力，从而能确保基坑土体的整体性、稳定性和作业安全性，并同步具备施工灵活性高、周转成本低和噪音低的优点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：包括同平面布置的两根横向支撑杆以及配合于两根横向支撑杆内的两根单肢伸缩杆，两根单肢伸缩杆配合形成V型支撑构件；以同平面布置的横向支撑杆及单肢伸缩杆为一层支撑模块，各支撑模块均搭载于相应的竖向立柱上，从而形成立体基坑支护体系，其中：
各单肢伸缩杆均包括位于两端的固定段以及位于两组固定段之间的顶推段，而顶推段则包括轴向依序布置的顶推件和补偿件；所述顶推件内置有中间介质并依托半导体制冷片实现中间介质在液态与固态之间的切换；补偿件则依托调节减速齿轮箱的尾部动力端齿轮，从而驱动首部增力端齿轮带动增力齿条产生沿单肢伸缩杆轴向的顶推力补偿动作。
优选的，所述竖向立柱上沿长度方向布置竖向槽，从而可供竖向导块产生滑轨导向动作；竖向导块处水平延伸有支撑平台，支撑平台上布置支撑槽；该支撑槽槽长方向平行横向支撑杆长度方向，从而形成可供相应横向支撑杆搭载的搭载端。
优选的，所述竖向立柱底端设置合页挡板且该合页挡板铰接式打开后的开口方向指向竖向立柱下方；竖向立柱内沿自身长度方向滑动配合有止转卡扣，所述止转卡扣的外壁处径向向外延伸并向合页挡板的铰接端弯折，从而利用弯折部位的楔形块配合合页挡板处预设的楔形口，进而通过楔形块与楔形口的楔面导向配合，驱使止转卡扣产生上行动作时带动合页挡板打开；止转卡扣的顶部固定拉绳，拉绳向上延伸至竖向立柱顶端的控制端处。
优选的，所述拉绳为钢丝绳，控制端包括同轴固定于拉绳顶端的拉紧螺栓，拉紧螺栓穿过竖向立柱顶端处的定位台后与拉紧螺帽间形成丝杆螺母配合，从而通过拉紧螺帽的转动带动拉绳及止转卡扣产生上行动作；竖向立柱处还固定有带有缩颈段的稳拉钢丝，稳拉钢丝一端固定于竖向立柱上，另一端沿竖向立柱长度方向向下延伸并固定在止转卡扣处；拉绳或拉紧螺栓处布置用于监测上行拉力的轴力传感器和用于监测拉紧螺栓相对竖向立柱上行距离的位移传感器。
优选的，各单肢伸缩杆的两端均铰接有铰接座，且铰接座的铰接轴线垂直单肢伸缩杆轴线方向和横向支撑杆的长度方向；铰接座与横向支撑杆间形成沿横向支撑杆长度方向的往复运动配合，并可通过锁紧件锁定铰接座相对横向支撑杆的位置，直至两根单肢伸缩杆配合形成V型支撑构件。
优选的，所述顶推件包括活塞缸以及通过活塞从而往复运动于活塞缸内的活塞杆，活塞与活塞缸所围合形成可供中间介质存入的空腔，可通过正极和负极变化而实现制热和制冷功能切换的所述半导体制冷片布置于该空腔内，且半导体制冷片的其中一个工作面接触所述中间介质；所述半导体制冷片的用于接触中间介质的工作面处向空腔内延伸有制冷铜片；活塞缸处贯穿设置连通空腔的补水管。
优选的，减速齿轮箱的首部增力端齿轮啮合增力齿条，增力齿条贯穿减速齿轮箱的箱体后与顶推件或固定段或横向支撑杆彼此固定；减速齿轮箱的尾部动力端齿轮啮合动力齿条，动力齿条顶端伸出减速齿轮箱的箱体后与直行程动力源的动力端形成独立配合；所述直行程动力源包括固定于箱体外壁处的定位架，动力齿条的顶端沿定位架向外延伸且延伸段形成动力丝杆，定位架上的可供动力丝杆穿行的通行孔处回转配合有螺纹套筒，螺纹套筒与动力丝杆间形成丝杆螺母配合；螺纹套筒顶端同轴套设有存有轴向间距的上调节螺帽和下调节螺帽，各调节螺帽的内圈均呈花键槽状；螺纹套筒外壁同轴凸设有用于与上调节螺帽间形成回转配合的上凸环和与下调节螺帽间形成回转配合的下凸环，且各凸环上均设置单向棘爪，从而依靠单向棘爪与相应调节螺帽处的键槽间形成棘轮棘爪配合结构；此时，上调节螺帽和下调节螺帽的单向止动方向彼此相反；以减速齿轮箱的增力齿条所在端为前端，减速齿轮箱的前端布置有用于监测增力齿条的轴力数值的压力传感器。
优选的，所述固定段为H型槽钢且分置于顶推段的两端处，固定段的两侧槽口内均布置导轨及导向块，中间板的两端分别延伸至两组固定段的导轨及导向块上并与该导轨及导向块间形成滑轨导向配合关系；所述中间板为两组且分别配合固定段的两侧槽口处导轨及导向块，顶推段固定于两组中间板之间区域处，且顶推段的两端分别安装于两组固定段的相邻端上。
优选的，所述横向支撑杆处布置由固定端向悬臂端宽度逐渐增加的燕尾状的轨条，铰接座处凹设有可卡入该轨条内的燕尾导向槽；轨条上沿横向支撑杆长度方向布置导向齿条，燕尾导向槽处布置卡块，卡块与导向齿条配合构成所述锁紧件；铰接座处还设置有电磁铁，电磁铁与卡块均套设在定向轴上，定向轴的位于电磁铁与卡块之间的一段轴身上套设压簧，从而通过电磁铁的得电后克服压簧弹性力吸附卡块，使得卡块处定位齿脱离所述导向齿条；所述定向轴或卡块与铰接座间形成止转配合。
优选的，单套V型支撑构件内的单根单肢伸缩杆上的实际所需顶推件数量n通过以下公式获得：
n＝[χ]+1
其中：
χ为理论所需顶推件工作数量；
γ为土体主动土压力折减系数；
Ea为该单套V型支撑构件承担的主动土压力；
k1为顶推件内固态中间介质的轴向线刚度；
k2为以钢管混凝土替代单肢伸缩杆后，该钢管混凝土的等效轴向线刚度；
k3为单根单肢伸缩杆上的两组中间板的共同轴向线刚度；
β为锚固区因滑移引起轴力的折减系数；
α为单根单肢伸缩杆与垂直横向支撑杆所在平面的夹角；
l0为单个顶推件的空腔内液体的轴向长度；
n为实际所需顶推件工作数量；
[χ]为对x取整函数。
本发明的有益效果在于：
本发明通过设置单肢伸缩杆，即能实现土体应力和变形的主动控制，提高了基坑土体的稳定和安全性。此外，在施加顶推力的过程中，有别于传统的噪音较大的油缸驱动结构，转而借助中间介质如水结成冰后体积显著膨胀的特性来实现顶推力；相对于传统油压装置，本发明会更安静，无噪音产生，无废气产生。
更值得注意的是，考虑到顶推件的制式设计和便捷使用需求，因此往往一组顶推件所能提供的力都是整数倍，如10吨等，而实际进行支护工作时，不可能存在整数倍的所需顶推力；此时，就需要用到补偿件来实现额外力的补偿功能。换言之，本发明将顶推件形成粗调件，以其水结冰功能保证力的大幅度粗略供给；补偿件形成精调件，以实现上述粗调基础上的顶推力的相对连续细微调整，即在线精确调整需求，以确保工作的精确性和稳定性。
同时，本发明中的V型支撑构件形成了交错安置，再增加以横向支撑杆形成的平面外约束边界，从而在降低自身的计算长度的同时，形成了几何不变的稳定平面支护体系，大大提高了支护结构的平面稳定和整体性，有利于支护结构整体受力，可防止支护结构因个别杆件受力不均而造成支护结构整体坍塌破坏。同时，该V型支撑构件也实现了支护结构几何尺寸的灵活调整，提高了基坑支护的周转次数，减少了资源浪费，降低了总体施工成本。
此外，本发明更是以设置有合页挡板的竖向立柱代替传统意义的格构柱或工字钢，利用合页挡板的可控开合，能显著增加竖向立柱的竖向承载力，从而可以减少竖向立柱的施打深度，有利于基坑支护结构施工。甚至还可利用轴力传感器来感应稳拉钢丝的断开状态，而位移传感器可用于控制合页挡板的开合幅度，两者配合可最大化实现高处对深埋于土下的不可目视的低处的准确操作要求，操作门槛低且灵活度高，成效显著。
附图说明
图1为本发明的其中一种实施例的立体结构示意图；
图2为V型支撑构件的装配示意图；
图3为横向支撑杆处轨条的结构示意图；
图4和图5为铰接座与轨条的配合状态图；
图6为铰接座的立体结构示意图；
图7为定向轴与卡块的配合状态图；
图8为单肢伸缩杆上的固定段、补偿件与顶推件的配合状态图；
图9为顶推件的剖视图；
图10为补偿件的内部结构图；
图11为两调节螺帽的在装配状态下的立体结构图；
图12为两调节螺帽与螺纹套筒的配合状态剖视图；
图13为图12的半剖视示意图；
图14为中间板与固定段处导轨及导向块的配合状态图；
图15为竖向立柱的结构示意图；
图16为竖向立柱顶端的控制端的结构示意图；
图17为图16的剖视图；
图18为竖向立柱底端的合页挡板、止转卡扣及稳拉钢丝的配合状态图；
图19为合页挡板打开状态图；
图20为止转卡扣的立体结构示意图；
图21为合页挡板的立体结构示意图；
图22为竖向立柱上的支撑平台的安装位置示意图。
本发明各标号与部件名称的实际对应关系如下：
10-单肢伸缩杆；11-固定段；12-顶推件；12a-半导体制冷片；12b-活塞缸；12c-活塞杆；12d-制冷铜片；12e-补水管；13-补偿件；13a-尾部动力端齿轮；13b-首部增力端齿轮；13c-增力齿条；13d-动力齿条；13e-定位架；13f-动力丝杆；13g-螺纹套筒；13h-上调节螺帽；13i-下调节螺帽；13j-单向棘爪；13k-压力传感器；14-铰接座；14a-燕尾导向槽；14b-卡块；14c-电磁铁；14d-定向轴；14e-压簧；15-导向块；16-中间板；
20-横向支撑杆；21-轨条；21a-导向齿条；
30-竖向立柱；31-竖向槽；32-支撑平台；33-支撑槽；34-合页挡板；34a-楔形口；35-止转卡扣；35a-楔形块；36-拉绳；37a-拉紧螺栓；37b-拉紧螺帽；37c-轴力传感器；37d-位移传感器；38-定位台；39-稳拉钢丝。
具体实施方式
为便于理解，此处结合图1-22，对本发明的具体结构及工作方式作以下进一步描述：
如图1所示，本发明最终形成自适应装配式钢结构基坑支护系统，其参照图1所示，其是对传统基坑支护结构的改进；该系统包括横向支撑杆20、V型支撑构件以及竖向立柱30等。
其中：
如图1-3所示，横向支撑杆20由双腹板焊接形成H型钢或者说II型钢后，II型钢腔体内辅以碳纤维混凝土支撑，必要时可通过连接键将碳纤维混凝土与双腹板工字钢可靠连接而形成一个整体共同受力。碳纤维混凝土与钢材的组合可以显著增加支撑结构的轴向刚度，并一定程度提高支撑结构的承载潜力，以应对支撑结构在服役期间因外界环境及土体性质变化而引起的轴力的超预期增加，提高支撑结构的安全储备；同时，在混凝土中加入碳纤维，可以提高混凝土的整体性，防止其在周转过程中发生破损而碎掉，可以一定程度减少混凝土硬化过程中的收缩裂缝。双腹板焊接式的H型钢的腹板两外侧分别按照一定次序焊接有轨条21，用来固定V型支撑构件，以满足V型支撑构件角度的可调整变化及可横向移动的要求，使其在满足基坑施工开挖空间要求的基础上受力更加合理。
如图1-2所示，V型支撑构件由两根长度相同的单肢伸缩杆10组成，在两根横向支撑杆20所在平面上形成“V”字样。参照图1所示，多个V型支撑构件在基坑开挖横向交替依次排列，既保障了基坑施工的施开挖空间，又使得相邻两个横向支撑杆20件组成几何不变结构。其不仅增加了支撑结构的整体性，而且避免了在施工期间因个别横向支撑杆20件内力超过预期而发生基坑支护破坏的灾难发生。实际布局时，也可参照图1所示的布置两层甚至更多层的支撑模块，各支撑模块均搭载于相应的竖向立柱30上，从而形成立体基坑支护体系。
如图8及图14所示，单肢伸缩杆10包括两组固定段11及通过导轨及导向块15导向衔接两组固定段11的中间板16。固定段11处的Ⅱ型结构形成的中空腔体内可以每隔一段距离设有横隔板，其目的在于增加钢板的局部稳定性，当然也可以直接浇筑混凝土。此外，单肢伸缩杆10的两端分别设有一根圆杆，此杆经过硬化处理，其作用在于和铰接座14配合，从而锚紧单肢伸缩杆10。单肢伸缩杆10的中部的中间板16所在位置设置相应空间，用于存放顶推件12和补偿件13。
如图3-7所示，铰接座14上的燕尾导向槽14a与轨条21之间通过锁紧件相配合，锁紧件包括定向轴14d及卡块14b，并辅以电磁铁14c，其作用在于将V型支撑构件和整个横向支撑结构连接在一起。打开电磁铁14c，卡块14b在电磁力的作用下压迫压簧14e并整体上移，此时锁紧件可以沿定向轴14d轴向滑动，直至脱离导向齿条21a，此时可调节单肢伸缩杆10在横向支撑杆20上的位置。反之，关闭电磁铁14c，在压簧14e作用下，卡块14b在电磁力的作用下下移，此时锁紧件重新卡紧在轨条21上的导向齿条21a处。
如图8-9所示，顶推件12实际设计时，包括钢内胆、钢保护外套、活塞、半导体制冷片12a、导热铜片12d、密封橡胶圈、隔热材料、水外循环接口及导线等等。钢内胆形成空腔，且空腔中预先满充作为中间介质的水体，通过半导体制冷片12a的通电，可实现水体的快速结冰，导致其体积膨胀，从而推动活塞运动，进而使得活塞杆12c相对活塞缸12b实现前行动作，最终实现顶推力的施加。导热铜片12d用于水体与半导体制冷片12a的快速热交换。水外循环接口用于与补水管12e相连，实现顶推件12与外界的热交换或水体补充。反接半导体制冷片12a的两根导线，可实现钢内胆内的冰到水的转化，从而可以对顶推力进行卸载。
如图8及图10所示，补偿件13包括减速齿轮箱，又称变力箱，总体由齿轮和齿条组成，借助多个齿轮的连续变力可将彼端较大轴力转变为此端较小的力，将彼端较小的轴向应变转变为此端较大的位移，从而方便施工人员手动连续调节轴力；其抛弃了机体重且占空间的机器作业，在确保了结构紧凑的同时，又实现了小空间下的快速灵活作业需求，非常适用于本发明所处环境中。
此外，如图10-13所示，在动力齿条13d的螺纹段设有特殊的螺帽装置，也即调节螺帽。施工时，施工人员将施力杆件插入定位架13e处下调节螺帽13i的配合孔处，向前摇动施力杆可以借由单向棘爪13j形成的棘轮棘爪机构，实现此螺纹套筒13g的旋紧的旋紧，此时动力丝杆13f下行，带动动力齿条13d下行；力再经由尾部动力端齿轮13a依次向前传递，至首部增力端齿轮13b及增力齿条13c处，最终实现力的增大调节。反之，施工人员将施力杆件插入上调节螺帽13h处，向后摇动施力杆可以实现上调节螺帽13h的旋松，随之实现力的减小调节。另外，在变力箱端部设置有压力传感器13k，用于智能检测杆件轴力的大小。下调节螺帽13i和上调节螺帽13h的棘爪卡位方向彼此相反，以实现上述动作功能。
如图15-21所示，竖向立柱30整体由H型钢组成，底部设有开合式的合页挡板34；竖向立柱30上部设有拉紧螺栓37a和位于定位台38处的拉紧螺帽37b，两者形成丝杆螺母配合，来达到实时提升粗钢丝绳也即拉绳36的功能，从而提升合页挡板34处的止转卡扣35。竖向立柱30上部的位移传感器37d用于控制止转卡扣35提升的高度大小。工作时，可考虑布置轴向的钢管，用于保护其内部的粗钢丝绳也即拉绳36。拉绳36上部与带螺纹的拉紧螺栓37a相连接，下部与止转卡扣35相连接，拉绳36上部设有轴力传感器37c，其目的在于判断稳拉钢丝39是否在拉紧螺帽37b旋紧过程中被拉断。止转卡扣35有两个作用，一是在稳拉钢丝39拉断之前，抑制合页挡板34的转动；二是在施打竖向立柱30期间，稳拉钢丝39拉断之后，利用楔形块35a与楔形口34a的配合，可以给合页挡板34一个强制转动位移，使得合页挡板34在土体阻力作用下自动打开。合页挡板34的作用在于打开后可以显著增加竖向立柱30的横截面，从而增加竖向立柱30的竖向承载力。在拔出竖向立柱30时，由于稳拉钢丝39已断，止转卡扣35不再阻碍合页挡板34动作，使得合页挡板34能在上行时因土体阻力下可以自动闭合，方便竖向立柱30的拔出。换言之，稳拉钢丝39的作用仅仅在于施打竖向立柱30期间拉住止转卡扣35，防止在竖向立柱30施打期间因止转卡扣35上移而导致合页挡板34误打开，从而影响竖向立柱30的正常施打；一旦缩颈段受力而断开后，就失去了对合页挡板34的抑制作用。
如图22所示，竖向立柱30上沿长度方向布置竖向槽31，从而可供竖向导块产生滑轨导向动作。竖向导块处水平延伸有支撑平台32，或者称为承托。支撑平台32由矩形钢管焊接而成，其上设置支撑槽33，目的在于将横向支撑杆20件和竖向立柱30连接在一起，减少横向支撑的跨径，提高横向支撑的整体稳定性以及支撑结构的整体性。
至此，本发明的整体安装流程如下：
S1、开挖基坑内表层土体，并安装围珊，施工放线定位竖向立柱30。
S2、组装竖向立柱30
在组装竖向立柱30的过程中，首先将带有轴力传感器37c及拉紧螺栓37a的拉绳36穿入竖向立柱30的相应钢管中，保持拉绳36顶端的拉紧螺栓37a能在定位台38处与拉紧螺帽37b紧固。然后，将止转卡扣35放入对应沟槽内，并与拉绳36进行焊接连接。其次，转动合页挡板34至与竖向立柱30外表平齐，并将止转卡扣35上的楔形块35a插入合页挡板34上部处的楔形口34a内，接着将稳拉钢丝39放入如图18所示的对应位置处，并旋紧稳拉钢丝39的固定螺丝，确保稳拉钢丝39拉紧止转卡扣35与竖向立柱30，同时此时合页挡板34处于闭合状态。最后，初步旋紧竖向立柱30的拉紧螺帽37b，并安装位移传感器37d。
S3、打桩机施打竖向立柱30
在快要将竖向立柱30打入到施工目标标高时，施工人员手动旋紧竖向立柱30顶端的拉紧螺帽37b，至稳拉钢丝39断裂。通过轴力传感器37c可监控此过程。然后再继续旋动拉紧螺帽37b，至止转卡扣35拔出合页挡板34一段距离，此过程可由位移传感器37d进行监控。止转卡扣35上行的过程中，会始终通过楔形块35a强制带动合页挡板34进行转动，以便达成如图19所示状态。接着，继续施打竖向立柱30一小段高度，直至合页挡板34完全打开即可，此过程通过打桩机的配套设备进行监控。
S4、安装支撑平台32
首先施工定位支撑平台32位置，然后旋紧相关螺栓，定位该支撑平台32，并明确支撑槽33槽宽。
S5、安装横向支撑杆20
在支撑槽33上安装横向支撑杆20。
S6、安装V型支撑构件
如图8所示，首先将中间板16通过导轨及导向块15配合在固定段11处；该固定段11为内充碳纤维混凝土的焊接双腹板H型钢，形成一根单肢伸缩杆10。然后，根据横向支撑杆20的纵向间距及V型支撑构件的夹角大小，而选定顶推件12的数量；接着将顶推件12和补偿件13依次安装于中间板16处。随后，安装锁紧件及铰接座14，并确保铰接座14与轨条21的配合紧密性。
同样的方法安装V型支撑构件的另外一根单肢伸缩杆10。
重复步骤S6，安装第一道基坑内支护结构，即第一层支撑模块剩余的V型支撑构件。
S7、施加预顶力
如图10-13所示，首先依据预顶力的大小，选择顶推件12接通电源的数量，施加预顶力。然后，旋动补偿件13处减速齿轮箱上的下调节螺帽13i，确保杆件内的轴力至目标值，此过程通过压力传感器13k进行监控。当需要卸除预顶力时，可旋动上调节螺帽13h来调整；接下来，旋动螺纹套筒13g，实现力的卸载。最后，还可反接导线，进一步消除顶推件12中的内力，以方便取出减速齿轮箱和各顶推件12。
S8、开挖本层剩余土体及下层上部土体，并重复步骤S4-S7，从而安装第二道基坑内支护结构，即第二层支撑模块。以此循环，直至完成全部层支撑模块的作业，达到整个基坑支护的安装目的。
实施例1
以两个荷载工况为例，其计算结果如表1所示：
表1
由上表1可知，本发明在实际计算时，只需获得基础的可测量数据，就能迅速获得相关顶推件实际数量。计算过程非常高效简洁，并能确保计算结果在合理的精确度范围之内，从而能为工期的顺利进行打下坚实基础，成效显著。
当然，对于本领域技术人员而言，本发明不限于上述示范性实施例的细节，而还包括在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现的相同或类似结构。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
本发明未详细描述的技术、形状、构造部分均为公知技术。
Claims (10)
1.一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：包括同平面布置的两根横向支撑杆(20)以及配合于两根横向支撑杆(20)内的两根单肢伸缩杆(10)，两根单肢伸缩杆(10)配合形成V型支撑构件；以同平面布置的横向支撑杆(20)及单肢伸缩杆(10)为一层支撑模块，各支撑模块均搭载于相应的竖向立柱(30)上，从而形成立体基坑支护体系，其中：
各单肢伸缩杆(10)均包括位于两端的固定段(11)以及位于两组固定段(11)之间的顶推段，而顶推段则包括轴向依序布置的顶推件(12)和补偿件(13)；所述顶推件(12)内置有中间介质并依托半导体制冷片(12a)实现中间介质在液态与固态之间的切换；补偿件(13)则依托调节减速齿轮箱的尾部动力端齿轮(13a)，从而驱动首部增力端齿轮(13b)带动增力齿条(13c)产生沿单肢伸缩杆(10)轴向的顶推力补偿动作。
2.根据权利要求1所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：所述竖向立柱(30)上沿长度方向布置竖向槽(31)，从而可供竖向导块产生滑轨导向动作；竖向导块处水平延伸有支撑平台(32)，支撑平台(32)上布置支撑槽(33)；该支撑槽(33)槽长方向平行横向支撑杆(20)长度方向，从而形成可供相应横向支撑杆(20)搭载的搭载端。
3.根据权利要求1所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：所述竖向立柱(30)底端设置合页挡板(34)且该合页挡板(34)铰接式打开后的开口方向指向竖向立柱(30)下方；竖向立柱(30)内沿自身长度方向滑动配合有止转卡扣(35)，所述止转卡扣(35)的外壁处径向向外延伸并向合页挡板(34)的铰接端弯折，从而利用弯折部位的楔形块(35a)配合合页挡板(34)处预设的楔形口(34a)，进而通过楔形块(35a)与楔形口(34a)的楔面导向配合，驱使止转卡扣(35)产生上行动作时带动合页挡板(34)打开；止转卡扣(35)的顶部固定拉绳(36)，拉绳(36)向上延伸至竖向立柱(30)顶端的控制端处。
4.根据权利要求3所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：所述拉绳(36)为钢丝绳，控制端包括同轴固定于拉绳(36)顶端的拉紧螺栓(37a)，拉紧螺栓(37a)穿过竖向立柱(30)顶端处的定位台(38)后与拉紧螺帽(37b)间形成丝杆螺母配合，从而通过拉紧螺帽(37b)的转动带动拉绳(36)及止转卡扣(35)产生上行动作；竖向立柱(30)处还固定有带有缩颈段的稳拉钢丝(39)，稳拉钢丝(39)一端固定于竖向立柱(30)上，另一端沿竖向立柱(30)长度方向向下延伸并固定在止转卡扣(35)处；拉绳(36)或拉紧螺栓(37a)处布置用于监测上行拉力的轴力传感器(37c)和用于监测拉紧螺栓(37a)相对竖向立柱(30)上行距离的位移传感器(37d)。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：所述顶推件(12)包括活塞缸(12b)以及通过活塞从而往复运动于活塞缸(12b)内的活塞杆(12c)，活塞与活塞缸(12b)所围合形成可供中间介质存入的空腔，可通过正极和负极变化而实现制热和制冷功能切换的所述半导体制冷片(12a)布置于该空腔内，且半导体制冷片(12a)的其中一个工作面接触所述中间介质；所述半导体制冷片(12a)的用于接触中间介质的工作面处向空腔内延伸有制冷铜片(12d)；活塞缸(12b)处贯穿设置连通空腔的补水管(12e)。
6.根据权利要求1或2或3或4所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：减速齿轮箱的首部增力端齿轮(13b)啮合增力齿条(13c)，增力齿条(13c)贯穿减速齿轮箱的箱体后与顶推件(12)或固定段(11)或横向支撑杆(20)彼此固定；减速齿轮箱的尾部动力端齿轮(13a)啮合动力齿条(13d)，动力齿条(13d)顶端伸出减速齿轮箱的箱体后与直行程动力源的动力端形成独立配合；所述直行程动力源包括固定于箱体外壁处的定位架(13e)，动力齿条(13d)的顶端沿定位架(13e)向外延伸且延伸段形成动力丝杆(13f)，定位架(13e)上的可供动力丝杆(13f)穿行的通行孔处回转配合有螺纹套筒(13g)，螺纹套筒(13g)与动力丝杆(13f)间形成丝杆螺母配合；螺纹套筒(13g)顶端同轴套设有存有轴向间距的上调节螺帽(13h)和下调节螺帽(13i)，各调节螺帽的内圈均呈花键槽状；螺纹套筒(13g)外壁同轴凸设有用于与上调节螺帽(13h)间形成回转配合的上凸环和与下调节螺帽(13i)间形成回转配合的下凸环，且各凸环上均设置单向棘爪(13j)，从而依靠单向棘爪(13j)与相应调节螺帽处的键槽间形成棘轮棘爪配合结构，此时，上调节螺帽(13h)和下调节螺帽(13i)的单向止动方向彼此相反；以减速齿轮箱的增力齿条(13c)所在端为前端，减速齿轮箱的前端布置有用于监测增力齿条(13c)的轴力数值的压力传感器(13k)。
7.根据权利要求1或2或3或4所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：所述固定段(11)为H型槽钢且分置于顶推段的两端处，固定段(11)的两侧槽口内均布置导轨及导向块(15)，中间板(16)的两端分别延伸至两组固定段(11)的导轨及导向块(15)上并与该导轨及导向块(15)间形成滑轨导向配合关系；所述中间板(16)为两组且分别配合固定段(11)的两侧槽口处导轨及导向块(15)，顶推段固定于两组中间板(16)之间区域处，且顶推段的两端分别安装于两组固定段(11)的相邻端上。
8.根据权利要求1或2或3或4所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：各单肢伸缩杆(10)的两端均铰接有铰接座(14)，且铰接座(14)的铰接轴线垂直单肢伸缩杆(10)轴线方向和横向支撑杆(20)的长度方向；铰接座(14)与横向支撑杆(20)间形成沿横向支撑杆(20)长度方向的往复运动配合，并可通过锁紧件锁定铰接座(14)相对横向支撑杆(20)的位置，直至两根单肢伸缩杆(10)配合形成V型支撑构件。
9.根据权利要求8所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：所述横向支撑杆(20)处布置由固定端向悬臂端宽度逐渐增加的燕尾状的轨条(21)，铰接座(14)处凹设有可卡入该轨条(21)内的燕尾导向槽(14a)；轨条(21)上沿横向支撑杆(20)长度方向布置导向齿条(21a)，燕尾导向槽(14a)处布置卡块(14b)，卡块(14b)与导向齿条(21a)配合构成所述锁紧件；铰接座(14)处还设置有电磁铁(14c)，电磁铁(14c)与卡块(14b)均套设在定向轴(14d)上，定向轴(14d)的位于电磁铁(14c)与卡块(14b)之间的一段轴身上套设压簧(14e)，从而通过电磁铁(14c)的得电后克服压簧(14e)弹性力吸附卡块(14b)，使得卡块(14b)处定位齿脱离所述导向齿条(21a)；所述定向轴(14d)或卡块(14b)与铰接座(14)间形成止转配合。
10.根据权利要求7所述的一种自适应装配式钢结构基坑支护系统，其特征在于：单套V型支撑构件内的单根单肢伸缩杆(10)上的实际所需顶推件(12)数量n通过以下公式获得：
n[x]+1
其中：
χ为理论所需顶推件(12)工作数量；
γ为土体主动土压力折减系数；
Ea为该单套V型支撑构件承担的主动土压力；
k1为顶推件(12)内固态中间介质的轴向线刚度；
k2为以钢管混凝土替代单肢伸缩杆(10)后，该钢管混凝土的等效轴向线刚度；
k3为单根单肢伸缩杆(10)上的两组中间板(16)的共同轴向线刚度；
β为锚固区因滑移引起轴力的折减系数；
α为单根单肢伸缩杆(10)与垂直横向支撑杆(20)所在平面的夹角；
l0为单个顶推件(12)的空腔内液体的轴向长度；
n为实际所需顶推件(12)工作数量；
[χ]为对x取整函数。
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| CN117646440B (zh) * | 2024-01-25 | 2024-04-09 | 中铁十五局集团有限公司 | 应用于基坑中的铰接锁定式钢支撑安装装置及其安装方法 |
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