CN209555995U - 充气柱隔离桩结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及充气柱隔离桩结构，包括充气柱、自动调压系统和空压机；充气柱的内部为钢芯管，钢芯管上设有气压管，钢芯管外侧套有高压橡皮气囊，气压管连接高压橡皮气囊，高压橡皮气囊外侧装有土压力计；气压管通过气动快插接头连接出气管；出气管通向自动调压系统，自动调压系统内设有气压传感器、多通道显示仪表、压力调控器和压力阀；多通道显示仪表连接压力调控器，压力阀连接进气管，进气管通向空压机；压力调控器包括变送器、直流电源、负载和电流表，压力调控器通过直流电源供电。本实用新型的有益效果是：本实用新型采用的充气柱隔离柱代替传统的刚性隔离柱，可以减少水泥的使用，更加经济，并且充气柱可以循环利用，节约了施工成本。

Description

充气柱隔离桩结构

技术领域

本实用新型涉及一种隔离桩结构，尤其涉及通过充气柱形成隔离桩来控制基坑开挖引起的周边土体位移的隔离桩结构。

背景技术

随着地下空间的大量开发，大型基坑工程越来越多，并出现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。

当深基坑开挖引起的环境效应控制不当时，会引起坑外隧道产生过大变形，影响其正常使用，甚至造成隧道破坏。已有不少邻近既有隧道施工基坑导致隧道产生过量位移、变形、隧道管片损坏的工程实例。例如，台北某深基坑设计深度为21.1m，与相邻捷运隧道上行线最小间距仅12m。施工过程中，靠近隧道处围护墙的最大水平位移达到54mm，进而引起相邻隧道产生水平方向拉伸26mm、竖直方向压缩45mm的剧烈变形，并导致部分隧道底板脱落，最终造成严重工程事故。广州市一区间地铁隧道邻侧进行深基坑施工，基坑与隧道边缘之间距离达34.5m，但围护结构设计采用排桩加锚杆的方式，锚杆端部距基坑最近仅为9.7m。基坑开挖过程中，受锚杆的牵引作用，土体侧向卸荷，导致隧道拱腰部处产生66mm的拉伸变形，并造成隧道管片大量开裂、掉块等。由此可见，若基坑工程设计和施工不当，将引起邻近隧道产生严重变形，威胁结构安全，甚至酿成工程事故，因此需要开展基坑外围的保护措施，来阻止深层土体的位移，保护地下构筑物的安全。

传统的基坑外围保护有隔离桩法、隔断墙法和注浆加固法等。隔离桩是一种能够将临近工程活动各自产生的地基应力隔离开来的桩基础构件，使其不相重叠和相互影响，在实践中己证实为一种行之有效有变形控制法。在软粘性地基条件下，为了消除新建建筑对相邻老旧建筑地基不均匀沉降的影响，采用隔离桩技术是一种可靠的技术措施。此外，隔离桩也被广泛应用于基坑围护结构中，以减少基坑施工过程中对周边建构筑物的影响。随着施工技术的发展，隔离桩越来越多地被应用在与基坑相邻环境的保护上，且形式也更加丰富，通常可以采用钻孔灌注桩、地下连续墙、钢板桩、树根桩、深层搅拌桩、注浆体等构成墙体。隔断墙法与隔离桩性质相同，只是其造价更加高昂，并且施工工艺更复杂。当地下构筑物离基坑较近时，由于上述两种施工工艺的扰动较大，不宜采用。那么就会用到注浆加固法，但是注浆加固法不可控因素太多。因为目前为止我们还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的位移的作用，但效果并不理想，甚至压力控制不当可能其到反作用。因此目前亟需一种更加环保、经济且高效的保护措施。

现有研究表明，传统的刚性隔离桩保护应用中，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。

为了解决传统的刚性隔离桩在周边环境及建构筑物保护中存在的问题，提出一种新型的充气柱隔离桩结构显得尤为重要。

实用新型内容

本实用新型的目的是克服现有技术中的不足，提供一种充气柱隔离桩结构。

这种充气柱隔离桩结构，包括充气柱、自动调压系统和空压机。充气柱的内部为钢芯管，钢芯管上设有气压管，钢芯管外侧套有高压橡皮气囊，气压管连接高压橡皮气囊，高压橡皮气囊外侧装有土压力计。气压管通过气动快插接头连接出气管。出气管通向自动调压系统，自动调压系统内设有气压传感器、多通道显示仪表、压力调控器和压力阀。多通道显示仪表连接压力调控器，压力阀连接进气管，进气管通向空压机。压力调控器包括变送器、直流电源、负载和电流表，压力调控器通过直流电源供电，其值由电流表显示，由变送器实现不同负载的控制。

充气柱是分节的，每节长2～3m，钢芯管直径为60～80mm，钢芯管上端设有外螺纹，钢芯管下端设有内螺纹，每节充气柱之间通过螺纹连接，以满足不同设计深度的需求。充气柱的直径根据设计和钻孔大小来确定。

钢芯管外侧套有高压橡皮气囊，高压橡皮气囊采用合成橡胶、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，其工作压力为0～800kPa，充气之后膨胀达到预定的压力，能起到平衡土体侧向压力的作用，通过体积膨胀起到隔断深层土体位移的作用。

每段高压橡皮气囊外侧高度三分之一和三分之二处均安装有土压力计，同一高度处均匀分布四个土压力计，其测量范围为0～2000kPa，测量精度±0.1％F.S，工作温度-40℃～+80℃。为了减少土压力计的使用，可在基坑影响范围较大的深度布设多一些，在基坑底部和基坑顶部对应的充气柱隔离桩上的土压力计可以少布设一些。

自动调压系统通过出气管连接充气柱上的气压管，通过气压传感器监测充气柱内气压大小，多通道显示仪表上显示每段充气柱内部和外侧不同位置上的土压力计的压力大小，通过监测这些压力变化，设定压力调控器上的调节压力，当充气柱内压力小于初始地层侧压力后，压力调控器开启压力阀给充气柱补压。自动调压系统的作用就是时时调节充气柱内的压力。

所述的进气管和出气管均为高压PU气管，进气管和出气管的孔径均为8～12mm，壁厚均为5～12mm，工作压力均为10～12kg。

所述压力阀为薄膜式或内弹簧活塞式压力阀，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。

所述的气压传感器的量程为0～1.5MPa，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℃。

所述多通道显示仪表设有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。

所述压力调控器可调压力范围为-0.1MPa～10MPa，环境温度-30～80℃，触点容量24VDC/220VAC，精度等级0.1％，长期稳定性≤±0.2％FS/年，防护等级IP65。

所述空压机的功率：75～185kw，排量：10～34m³/min，排气压力：0.8～1.25MPa。

本实用新型的有益效果是：

(1)本实用新型采用的充气柱隔离柱代替传统的刚性隔离柱，可以减少水泥的使用，更加经济，并且充气柱可以循环利用，节约了施工成本。

(2)与传统隔离桩的被动调控不一样，本实用新型采用的充气柱隔离柱能对基坑施工过程中产生的深层土体位移进行实时主动调控；充气柱隔离柱可以通过调节充气柱压力大小实时控制深层土体的压力与位移，保证了周围构筑物的安全；本实用新型通过可循环利用的充气柱，能达到既经济又环保的要求，符合当代施工所提倡的节能环保。

附图说明

图1是充气柱隔离桩结构示意图；

图2是充气柱隔离桩系统与基坑位置关系平面图；

图3是充气柱隔离桩系统与基坑位置关系立面图；

图4是钢芯管接头细节图；

图5是压力调控器原理图。

附图标记说明：1——充气柱；2——钢芯管；3——气压管；4——土压力计；5——气动快插接头；6——外螺纹；7——内螺纹；8——高压橡皮气囊；9——自动调压系统；10——出气管；11——多通道显示仪表；12——压力调控器；13——压力阀；14——气压传感器；15——空压机；16——进气管；17——地连墙；18——梅花形布设；19——变送器；20——直流电源；21——负载；22——电流表。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型做进一步描述。下述实施例的说明只是用于帮助理解本实用新型。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以对本实用新型进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本实用新型权利要求的保护范围内。

实施例1

根据隔离桩的设计深度、钻孔孔径大小，完成充气柱隔离桩的设计和制作，充气柱1内部是由钢芯管2作为骨架，钢芯管2直径50mm，内部中空，用来走信号线给气压管3。其中底部的钢芯管2一端是封闭的。钢芯管2上端设有外螺纹6，下端设有内螺纹7，每段可以相互搭接。钢芯管2外侧套有高压橡皮气囊8，高压橡皮气囊8外侧装有土压力计4。土压力计4的信号线与气压管3都从钢芯管2内部布设，并且每段上都有相应信号线头与气压管头的接头。

所述的气压管3连接自动调压系统9上的出气管10，土压力信号线连接多通道显示仪表11。其中自动调压系统9内含有气压传感器14，能监测每个充气柱1内的气压，并在多通道显示仪表11上显示。多通道显示仪表11上显示每段深度充气柱1内气体压力与对应外侧的侧向土压力。同时多通道显示仪表11连接压力调控器12，压力调控器12上设定了每段充气柱1的初始压力，当检测到充气柱1内压力有变化时，能时时控制压力阀13对气柱内的压力进行调整，保证气柱周围土体处在初始状态的压力下。当深层土体应力场在变化时，自动调压系统9能及时的感应到，并且做出相应压力调整。通过充气柱1的压力平衡法与体积膨胀法来隔断深层土体应力场与位移场的传递，起到保护外围构筑物的效果。

在此实施例中，进气管16、出气管10为高压PU气管，孔径8～12mm，壁厚5～12mm，工作压力10～12kg。压力阀13为薄膜式、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。气压传感器14的量程为0～1.5(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℃。多通道显示仪表11设有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。压力调控器12的压力范围-0.1MPa～10MPa，环境温度－30～80℃，触点容量24VDC/220VAC，精度等级0.1％，长期稳定性≤±0.2％FS/年，防护等级IP65。空压机的功率为75～185kw，排量为10～34m³/min，排气压力为0.8～1.25MPa。

在此实施例中，充气柱1是分节的，每节长2～3m，中间的钢芯管2直径8～10cm，每节之间可以相互连接，以满足不同设计深度的需求。

在此实施例中，高压橡皮气囊8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，其工作压力0～800kPa，充气之后膨胀达到预定的压力，能起到平衡土体侧向压力的作用，通过体积膨胀起到隔断深层土体位移的作用。

在此实施例中，每段高压橡皮气囊8外侧高度三分之一和三分之二处都安装了土压力计4，其量测范围为0～2000kPa，测量精度±0.1％F.S，工作温度-40℃～+80℃，土压力计4每隔九十度安装一个，同一个高度安装四个。为了减少土压力计4的使用，可在基坑影响范围较大的深度布设多一些，在基坑底部和基坑顶部对应的充气柱隔离桩上的土压力计4可以少布设一些。

实施例2

所述的充气柱隔离桩结构的施工方法，具体包括以下步骤：

1、充气柱隔离桩系统的施工

首先确定充气柱隔离桩系统的布设位置，根据需要保护的构筑物距离基坑的距离，来确定合适埋设位置，充气柱隔离桩可布设成三角、矩形或梅花形，充气柱隔离桩可布设3～5排，充气柱隔离桩间距50cm～100cm；在基坑开挖前，通过钻机成孔，然后及时将各节充气柱1下放，边下放边连接，以达到设计标高，形成一个充气柱隔离桩；

2、充气柱隔离桩压力施加

当充气柱隔离桩埋设完成后立马给每个充气柱1充气，通过不同深度侧向土压力计算值，给定初始每段充气柱1的压力；观察多通道显示仪表11上每段充气柱1内的压力和外侧土压力计4上的压力值变化，适当调整充气柱1内压力使得外侧土压能处于稳定值。默认该压力为初始不同深度的土压；随着基坑的开挖的进行，深层土体会朝向坑内运动，从而会影响充气柱1周围土压值的改变，使充气柱1的体积变大压力减小。这时通过自动调压系统9及时补充压力大小，扩大充气柱1体积，使的充气柱1远离基坑侧的深层土体位移不变，这样就起到保护外侧构筑物的效果；在基坑开挖的整个过程中自动调压系统9时时调整不同深度充气柱1内的压力，来隔断深层土体的位移场与应力场，保护周围构筑物与周边环境。

3、充气柱隔离桩施工完成

在基坑开挖完成，地下结施工结束后，排出充气柱1内的气体，回收每段充气柱1，并及时用双液水泥浆填充留下的孔洞。

Claims (8)

1.一种充气柱隔离桩结构，其特征在于，包括充气柱(1)、自动调压系统(9)和空压机(15)；充气柱(1)的内部为钢芯管(2)，钢芯管(2)上设有气压管(3)，钢芯管(2)外侧套有高压橡皮气囊(8)，气压管(3)连接高压橡皮气囊(8)，高压橡皮气囊(8)外侧装有土压力计(4)；气压管(3)通过气动快插接头(5)连接出气管(10)，出气管(10)通向自动调压系统(9)；自动调压系统(9)内设有气压传感器(14)、多通道显示仪表(11)、压力调控器(12)和压力阀(13)；多通道显示仪表(11)连接压力调控器(12)，压力阀(13)连接进气管(16)，进气管(16)通向空压机(15)。

2.根据权利要求1所述的充气柱隔离桩结构，其特征在于，充气柱(1)是分节的，每节长2～3m，钢芯管(2)直径为60～80mm，钢芯管(2)上端设有外螺纹(6)，钢芯管(2)下端设有内螺纹(7)，每节充气柱(1)之间通过螺纹连接。

3.根据权利要求1所述的充气柱隔离桩结构，其特征在于，高压橡皮气囊(8)采用合成橡胶、天然橡胶与纤维加强层硫化后制成。

4.根据权利要求1所述的充气柱隔离桩结构，其特征在于，每段高压橡皮气囊(8)外侧高度三分之一和三分之二处均安装有土压力计(4)，同一高度处均匀分布四个土压力计(4)。

5.根据权利要求1所述的充气柱隔离桩结构，其特征在于，进气管(16)和出气管(10)均为高压PU气管，进气管(16)和出气管(10)的孔径均为8～12mm，壁厚均为5～12mm。

6.根据权利要求1所述的充气柱隔离桩结构，其特征在于，压力阀(13)为薄膜式或内弹簧活塞式压力阀。

7.根据权利要求1所述的充气柱隔离桩结构，其特征在于，所述多通道显示仪表(11)设有16～32个测量通道。

8.根据权利要求1所述的充气柱隔离桩结构，其特征在于，压力调控器(12)包括变送器(19)、直流电源(20)、负载(21)和电流表(22)。