CN211172039U - 一种软土区域自沉式钢沉井结构及支护系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种软土区域自沉式钢沉井结构，包括若干竖向布置且依次首尾相连的箱体单元，箱体单元包括四块钢板、若干加强槽钢和若干钢管A；所述四块钢板整体围合成框体，框体外侧四周布置加强槽钢，加强槽钢上间隔安装若干钢管A；上下两个箱体单元的钢管A对正连接；顶层箱体单元的钢管A其上端入口通过软管与高压水泵，底层箱体单元的钢管A其下端安装有喷头。本实用新型还公开了一种软土区域自沉式钢沉井支护系统。本实用新型的有益效果为：通过高水压切割钢沉井结构底部土体的方式，加速了下沉速率，缩短了施工工期；在开挖初期，钢沉井结构已下沉至预定标高，形成稳定的嵌固体，提高了围护结构的稳定性和安全性。

Description

一种软土区域自沉式钢沉井结构及支护系统

技术领域

本实用新型涉及地下建筑结构施工技术领域，具体涉及一种软土区域自沉式钢沉井支护系统及方法。

背景技术

随着城市建设的发展和扩大，地下空间的开发和利用愈加受到重视，软土区域基坑的围护和开挖是地下空间开发利用首要解决的技术难题。常规的地铁、隧道、地下停车库等地下空间会设置类似“坑中坑”的结构，如集水井、电梯井、大型桥墩承台等小型基坑，该结构呈现出深开挖、空间受限、高水位等工程特点，开挖和降水引起的围护结构变形大，影响范围广。因此，需对坑中坑结构进行支护。

目前，常规的支护方法包括放坡开挖、水泥搅拌桩加固、复合土钉墙、排桩支护等，但上述支护方法普遍存在造价高、场地要求高、需要用到大型机械设备等问题。而沉井作为支护结构的一种，凭借其占地空间小、整体刚度大、适用范围广等特点，在工程建设中应用越来越广泛。然而，常规的沉井结构在开挖过程中下沉，刃脚嵌固深度有限，对土压力和地下水的抵抗效果不明显，下沉速率慢；在高水位区域，开挖和封底难度大，容易造成沉井内部土体隆起，周边地表下沉，不利于基坑的稳定性。

发明内容

本实用新型的目的在于，针对现有技术的不足，提供一种下沉速度快的软土区域自沉式钢沉井结构及支护系统。

本实用新型采用的技术方案为：一种软土区域自沉式钢沉井结构，包括若干竖向布置且依次首尾相连的箱体单元，箱体单元包括四块钢板、若干加强槽钢和若干钢管A；所述四块钢板整体围合成框体，框体外侧四周布置加强槽钢，加强槽钢上间隔安装若干钢管A；上下两个箱体单元的钢管A对正连接；顶层箱体单元的钢管A其上端入口通过软管与高压水泵连接，底层箱体单元的钢管A其下端安装有喷头，自顶层箱体单元的钢管A通入的水经各层箱体单元的钢管A后自底层箱体单元的钢管A下端喷头喷出。

按上述方案，所述喷头包括圆锥形的壳体，壳体外周面环向布设喷孔，且外周面上的喷孔呈十字对称型分布，进入壳体的水可从其外周面上的喷孔径向喷出；壳体下端面上均匀间隔布置若干喷孔，进入壳体的水可从其端面的喷孔轴向喷出。

按上述方案，所述框体的顶部设有横杆，所述横杆上间隔固定多个限位环，所述钢管B 自限位环内竖向穿过。

按上述方案，箱体单元的框体内侧四角设有角撑；框体外侧四角的两块钢板连接处采用角钢加固。

本实用新型还提供了一种软土区域自沉式钢沉井支护系统，包括设于基坑轮廓线外侧的沟槽、所述的钢沉井结构、沉淀池和储水池，所述沟槽的底部浇筑混凝土硬化，沟槽的外侧边砌筑砖墙；所述钢沉井结构设于沟槽内侧，沟槽与其外侧的砌筑砖墙之间形成排浆通道，排浆通道的顶部设一溢流口，溢流口与沉淀池连通，沉淀池通过连接槽与储水池连通。

本实用新型的有益效果为：

(1)本实用新型解决了现有支护结构施工过程中机械设备受空间、场地的限制，钢沉井结构采用分段、分节现场加工制作的方式，能够灵活调整钢沉井结构的标高。现场加工工艺简单，操作便捷，化零为整，避免了大型机械设备的投入。

(2)本实用新型解决了现有沉井支护技术中下沉速率慢的缺陷，逆转了先开挖后下沉的施工顺序。通过高水压切割钢沉井结构底部土体的方式，加速了下沉速率，缩短了施工工期；在开挖初期，钢沉井结构已下沉至预定标高，形成稳定的嵌固体，提高了围护结构的稳定性和安全性。

(3)本实用新型解决了软土区域土体承载力低、渗透性大、稳定性差的难题，利用注水管作为注浆管，实现一管双用。通过双液浆加固钢沉井结构底及周围土体，提高土体的力学性能，确保钢沉井周边已扰动的土体与钢沉井结构密贴，降低开挖过程中钢沉井结构的下沉值。

(4)本实用新型解决了施工过程中降水对周边环境的影响，开挖前已下沉完成的钢沉井结构和加固区作发挥止水帷幕的作用。利用高压水管代替开挖机具，实现了带水作业，利用泥浆平衡沉井侧壁土压力和地下水压的作用，避免沉井周边土体的垮塌和涌水涌砂现场。

(5)本实用新型解决了沉井水下封底的难题，通过底部预埋注浆钢管，面层铺设碎石、安装预制砼板并注浆的方式，实现了沉井水下封底。封底工艺简便、进度快。

附图说明

图1为本实用新型中钢沉井结构的立面图。

图2为钢沉井结构的平面图。

图3为横杆与钢管的连接示意图。

图4为喷头的结构示意图。

图5为本实用新型中所述支护系统的示意图。

图6为沟槽剖面示意图。

图7为双浆液注浆系统的示意图。

图8为沉井底部注浆管的布置示意图。

图9为预制砼板结构平面布置图。

图10为预制砼板的结构示意图。

图11为沉井底部的剖面图。

其中：1、钢板；2、钢管A；3、钢管B；4、限位环；5、加强槽钢；6、横杆；7、角撑； 8、角钢；9、软管接头；10、抱箍；11、沉淀池；12、储水池；13、沟槽；14、连接槽；15、溢流口；16、砖墙；17、底部硬化结构；18、外围硬化结构；19、喷头接头；20、喷头；20.1、壳体；20.2、喷孔；21、搅拌池A；22、储浆池A；23、储浆池B；24、孔口压力表；25、泄浆阀；26、注浆管；27、预制砼板；27.1、弯钩；27.2、钢筋；28、连接结构；29、级配碎石；30、搅拌池B；31、双液注浆泵。

具体实施方式

为了更好地理解本实用新型，下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步地描述。

如图1～2所示的一种软土区域自沉式钢沉井结构，包括若干竖向布置且依次首尾相连的箱体单元，箱体单元包括四块钢板1、若干加强槽钢5和若干钢管A2；所述四块钢板1围合成框体，框体外侧四周沿高度方向间隔安装加强槽钢5，加强槽钢5上间隔安装若干钢管A2 (优选均匀间隔安装，间距为30～50cm)；上下两个箱体单元的框体对正且通过螺栓连接；上下两个箱体单元的钢管A2对正连接(可为螺纹连接，即上一箱体单元的钢管A2下端插入下一箱体单元的钢管A2上端丝口内)；顶层箱体单元的钢管A2其上端入口通过软管与高压水泵相连(具体通过软管接头9与软管相连)，底层箱体单元的钢管A2其下端安装有喷头20(钢管A2下端通过喷头接头19与喷头20相连)，自顶层箱体单元的钢管A2通入的水经各层箱体单元的钢管A2后自底层箱体单元的钢管A2下端喷头20喷出。

优选地，如图4所示，所述喷头20包括圆锥形的壳体20.1，壳体20.1外周面环向间隔布设喷孔20.2，且外周面上的喷孔20.2呈十字对称型分布(面向土体侧减少布孔量)，进入壳体20.1的水可从其外周面上的喷孔20.2径向喷出；壳体20.1下端面上均匀间隔布置若干喷孔20.2，进入壳体20.1的水可从其端面的喷孔20.2轴向喷出。本实用新型中，所述喷孔20.2的孔径为0.2～0.5cm。

优选地，如图3所示，所述钢沉井结构的顶部设有横杆6，横杆6上沿长度方向间隔安装若干钢管B3。本实施例中，横杆6上设限位环4，钢管B3自横杆6上的限位环4内竖向穿过，钢管B3通过抱箍10与横杆6相连；钢管B3的下部周向呈梅花型布孔。

优选地，箱体单元的框体内侧四角设有角撑7，角撑7采用工字钢制成；框体外侧四角的两块钢板1连接处采用角钢8加固。加强槽钢5上设限位环4，钢管A2自加强槽钢5上的限位环4内竖向穿过，钢管A2通过抱箍10与加强槽钢5相连。

如图5所示的一种软土区域自沉式钢沉井支护系统，包括设于基坑轮廓线外侧的沟槽13、如上所述钢沉井结构、沉淀池11和储水池12，所述沟槽13设底部硬化结构17(浇筑混凝土硬化)，沟槽13的外侧边砌筑砖墙16并设外围硬化结构18，如图6所示；所述钢沉井结构设于沟槽13内侧，沟槽13与其外侧的砌筑砖墙16之间形成排浆通道，排浆通道的顶部设一溢流口15，溢流口15与沉淀池11连通，沉淀池11通过连接槽14与储水池12连通。本实用新型中，连接槽14的坡度为3％～5％。

在粉质黏土夹粉土、粉砂区域进行暗挖通道(隧道)积水井初支施工，且地下水位高于基坑地面时，通道内部空间狭小，无井点降水条件，开挖过程中流砂现象严重。以下以尺寸为3m×3.5m×4m(深)的基坑为例，对本实用新型提供的一种软土区域自沉式钢沉井支护方法作详细描述。

一种软土区域自沉式钢沉井支护方法，该方法包括以下步骤：

步骤一、测量基坑并放线，沿基坑轮廓线外侧砌筑沟槽13作为排浆通道，排浆通道的顶部设置溢流口15作为泥浆外排口：本实施例中，沟槽13截面尺寸为50cm×50cm，沟槽13底部浇筑5cm厚的C20混凝土硬化，沟槽13外侧边砌筑12cm的厚砖墙16，并抹2cm厚的水泥砂浆。

步骤二、设置与排浆通道的溢流口15依次连通的沉淀池11和储水池12，视场地大小情况调整储水池12容量大小，溢流口15、沉淀池11、储水池12之间依次通过连接槽14连接，确保三者标高由高到低，流水畅通。沉淀池11用来存储泥浆中的泥渣，经沉淀后流入储浆箱，再由泥浆泵抽入基坑内，泥浆循环利用；沉淀池11进行定期清理沉渣，确保存储容量。本实施例中，沉淀池11的容积为2m³，储水池12的容积为2.5m³；连接槽14的坡度为3％。

步骤三、根据基坑尺寸，设计并制作钢沉井结构的各个箱体单元：

1、根据基坑深度和平面尺寸，将制作钢沉井结构的各组件及元件运至施工现场，并分单元节拼装成型，每个箱体单元的高度保持在1.5m左右。

2、箱体单元的框体外侧焊接限位环4，钢管安装于限位环4内。钢管之间的间隔根据水压大小设计。为了便于上下两个箱体单元的钢管连接，将钢管的上端加工丝口，上一箱体单元的钢管下端插入下一箱体单元钢管上端的丝口内通过螺纹连接；底层箱体单元的钢管其下端通过套筒连接圆锥状的喷头20，接缝处缠绕防水胶带。

3、喷头20壳体20.1端部布置3个喷孔20.2，壳体20.1外周面环向布孔且呈十字对称型分布，面向土体侧减少布孔量；壳体20.1及端部的喷孔20.2，喷孔20.2孔径为0.3cm。

步骤四、将制作好的首节箱体单元安装于沟槽13内，并对箱体单元四个角的标高进行测量，确保任意两角标高差值在±50mm；箱体单元侧壁的钢管通过软管与高压水泵连接，检查各接头密封牢固后并进行试注水试验，保证整个系统的密封性能。

步骤五、通过水泵向钢管内注入高压水，自喷头20壳体20.1端部的喷孔20.2喷出的高压水冲击钢管A2底部的土体，带动钢沉井结构下沉，自喷头20壳体20.1外壁的喷孔20.2 喷出的高压水冲击钢管A2外侧的土体，形成空洞，钢管底部的水泥浆在水压作用下上涌，带动泥渣汇入经溢流口15溢流至沉淀池11，并通过泥浆泵泵出，同时将新泥浆注入钢沉井内，保持沉井内泥浆面稳定(从溢流口15溢流至沉淀池11的泥浆、泥渣得到沉淀，剩余部分排入搅拌池中搅拌形成新的泥浆，使得泥浆得到循环利用)。

当钢沉井结构的角点标高差值超过控制值时，通过顶部增加配重和局部注水的形式进行调偏。首节箱体单元下沉至设计位置后，将第二节箱体单元吊装于首节箱体单元上并焊接，再注水下沉至预定标高，后续箱体单元按上述方法继续拼装，直至底层的箱体单元下沉至预定深度。钢沉井结构的深度与基坑深度的比值保持在1.5～2.5，根据现场土体的力学特性和地下水位情况，调整钢沉井下沉深度，同时保持钢沉井结构的标高高于地表30cm。

在软土区域，土体强度低，双液注浆机注水时工作压力保持在1～2.0Mpa，根据现场下沉情况，通过调整压力阀来控制钢沉井结构的下沉速率。注水下沉前向沉井及沟槽13内注入水泥浆，且保持下沉过程中泥浆持续循环。

步骤六、钢沉井结构与四周土体交接处采用低标号砼封闭，防止注浆时浆液外流；待低标号砼强度达到80％后，通过双浆液注浆系统(如图6所示)向钢管内低压注入双液浆，利用两种注浆液的化学反应来硬化沉井周围土体。注浆完成后，注入少量清水洗管。

如图7所示，双浆液注浆系统包括搅拌池A21、与搅拌池A21连通的储浆池、搅拌池B30、与搅拌池B30连通的储浆池B23，以及双液注浆泵31，所述储浆池A22和储浆池B23均分别通过混合器与双液注浆泵31的入口连通，双液注浆泵31的出口通过管道与钢管A2的顶部连通，管道上配设有孔口压力表24及泄浆阀25。本实施例中，两搅拌池内均分别设搅拌机；两种浆液分别在两个搅拌池内制备，并在泵入之前两者在混合器内混合，经混合后，压入地层中注浆压力0.3～0.6Mpa。

注浆材料：普通水泥-水玻璃双液浆。普通水泥-水玻璃双液浆比：W:C＝(0.8～1):1， C:S＝1:1，浆液配比可根据注浆加固试验效果进行调整。水泥强度等级：P.O.42.5R；水玻璃模数应在2.4～3.2之间，其浓度不应小于40°Bé，在使用前宜加水稀释到20°Bé～35°Bé。

注浆时，先开水泥浆泵，5min后，根据单液进浆量大小确定胶凝时间后再开水玻璃浆液泵。注浆液应先稀后浓、凝胶时间先长后短，但不宜低于30s。流量不变、压力经20～30min 不上升时，应调浓一级浆液；流量急剧减少，压力上升很快时，应调稀一级浆液。

步骤七、注浆完成后，自然条件下养护2d后，采用冲土抽排的方式逐段、逐层清除沉井内的土体：将横杆6上的钢管B3插入沉井内土体中，并灌满泥浆；通过向横杆6钢管B3中注入高压水，实现对钢管B3底部土体的切割，将土体“冲散”混入泥浆中，经由泥浆泵抽排至沉淀池11。

沉井内的土体采用“冲土抽排”的方式开挖，框体顶部设置横杆6，横杆6两端与钢沉井结构的侧壁通过螺旋紧固。横杆6上等间距设置钢管B3，钢管B3与横杆6采用抱箍10连接。钢管B3底1m区域管周呈梅花型布孔，钢管B3端部设置丝口便于连接，确保逐段连接，可拆分。

步骤八、沉井内的土体清理至设计标高后，在沉井内部四周预埋注浆管26(如图8所示)，注浆管26立面上呈L型；注浆管26顶部与钢沉井结构连接，注浆管26的底部水平段呈梅花型设置注浆孔；向沉井内底部均匀抛撒级配碎石29(30cm～50cm)，保持顶面平整度良好；面层拼装若干预制砼板27(如图9和图10所示)，逐块连接，铺在碎石面层上，如图11所示。本实施例中，如图9所示，所述预制砼板27包括板体、凸台及凹槽，凸台端部设外伸的弯钩 27.1，凹槽内置钢筋27.2，相邻两块预制砼板27之间可通过凸台与凹槽插拼；凸台插入凹槽后，弯钩27.1可与钢筋27.2连接，钢筋27.2与弯钩27.1形成连接结构28相适配。

步骤九、通过双液注浆泵31向沉井内部四周预埋注浆管26内注入双液浆，填充碎石和预制混凝土板孔隙；注浆完成后每间隔一根管子注入清水洗管。静置2d，对沉井内浆液进行试抽排，确保沉井内渗水量较小时(当渗水量较大时，继续向沉井内部注浆管26内注浆)，正式抽排。分层设置角撑7(角撑7与环向的槽钢保持统一标高)。抽排过程中密切监测钢沉井结构及周边土体的变形情况，若沉降变形较大，通过外侧钢管继续补浆加强。

本实用新型设计由多个箱体单元上下依次相连的钢沉井结构，利用钢板1作为围护和密封体，将槽钢和钢管作为围护结构的主要受力骨架，通过现场拼装连接，实现分节分段下沉。将钢管作为高压水的输送管道，运用高压水切割钢沉井结构底部的土体，使钢沉井结构在自重作用下下沉，有效缩短了下沉时间。钢沉井结构顶部布置横杆6和钢管，通过向横杆6钢管中注入高压水切割沉井内部土体，利用泥浆泵将土体排出。沉井内部土体清理至标高后，预埋注浆管26、铺设级配碎石29和预制砼板27，注入双液浆进行封底。本实用新型利用高压水切割土体实现了钢沉井结构自下沉，有效缩短了下沉时间；通过先下沉后开挖的施工方式，优化了常规沉井的受力模式，有效利用了被动区土体，提高了结构及周边环境的稳定性；利用冲水抽排的方式，实现了带水作业；利用铺设碎石，安装砼板和注浆的方式解决了水下封底的难题。

最后应说明的是，以上仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，但是凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种软土区域自沉式钢沉井结构，其特征在于，包括若干竖向布置且依次首尾相连的箱体单元，箱体单元包括四块钢板、若干加强槽钢和若干钢管 A；所述四块钢板整体围合成框体，框体外侧四周布置加强槽钢，加强槽钢上间隔安装若干钢管 A；上下两个箱体单元的钢管 A 对正连接；顶层箱体单元的钢管 A 其上端入口通过软管与高压水泵连接，底层箱体单元的钢管 A 其下端安装有喷头，自顶层箱体单元的钢管 A 通入的水经各层箱体单元的钢管 A后自底层箱体单元的钢管 A 下端喷头喷出。

2.如权利要求 1 所述的软土区域自沉式钢沉井结构，其特征在于，所述喷头包括圆锥形的壳体，壳体外周面环向布设喷孔，且外周面上的喷孔呈十字对称型分布，进入壳体的水可从其外周面上的喷孔径向喷出；壳体下端面上均匀间隔布置若干喷孔，进入壳体的水可从其端面的喷孔轴向喷出。

3.如权利要求 1 所述的软土区域自沉式钢沉井结构，其特征在于，所述框体的顶部设有横杆，横杆上沿长度方向间隔安装若干钢管B；所述横杆上间隔固定多个限位环，所述钢管 B 自限位环内竖向穿过。

4.如权利要求 1 所述的软土区域自沉式钢沉井结构，其特征在于，箱体单元的框体内侧四角设有角撑；框体外侧四角的两块钢板连接处采用角钢加固。

5.一种软土区域自沉式钢沉井支护系统，其特征在于，包括设于基坑轮廓线外侧的沟槽、权利要求 1~4 中任意一项所述的钢沉井结构、沉淀池和储水池，所述沟槽的底部浇筑混凝土硬化，沟槽的外侧边砌筑砖墙；所述钢沉井结构设于沟槽内侧，沟槽与其外侧的砌筑砖墙之间形成排浆通道，排浆通道的顶部设一溢流口，溢流口与沉淀池连通，沉淀池通过连接槽与储水池连通。

Images