一種柔性複合地下連續牆支護結構的設計施工方法與流程

2023-04-25 20:43:01 2

本發明屬於土木、水利、礦山、市政等基礎設施的開挖支護技術領域，具體涉及基坑、邊坡、地鐵站口、市政管道等項目開挖的一種柔性複合地下連續牆支護結構的設計施工方法。

背景技術：

新中國成立以來，我國土木、水利、礦山、市政等基礎設施建設取得了舉世矚目的成就。在地下空間開發利用、礦產資源開採等過程中，當面臨複雜的地質條件時，往往需要採取邊坡支護或基坑支護措施，以保證地下工程建設過程及此期間周邊環境的安全穩定。伴隨著巖土工程技術、機械及土木工程材料等的發展，邊坡支護及基坑支護技術得到了有效發展，相應地出現了以砂石、水泥、鋼筋、混凝土等傳統建築材料為結構主體的土釘牆、複合土釘牆、地下連續牆、排樁支護、樁錨支護等支護結構體系。與此同時，為控制地下水對支護結構及地下工程施工的影響，還需在支護體系中考慮設置止水帷幕或者輔以降水措施。特別是在地下水位較高、側壁土層較軟易擾動的情況下，基坑支護必須考慮採取降水或止水等地下水處理措施。相比而言，採取止水方式，更能保證周邊建築物、構築物及地下管線的安全，更多情況下是側壁土體的蠕變誘發了周邊地表裂縫及建築物的不均勻沉降等事故。理論上講，採取足夠的安全措施，可保證任何需求狀態下的邊坡或基坑安全。但從基坑支護的本質來看，其作為保護地下主體結構施工和周邊環境的安全，而採取的臨時性支擋、加固、保護與地下水控制的措施，且基坑越深、周邊環境越複雜，基坑工程的造價也就越高，更重要的一點是，基坑的使用壽命一般不超過2年，在地下主體結構施工完畢後即被廢棄或者拆除，由此可見，與主體工程相比，基坑工程的造價就非常昂貴了。即使現階段少數基坑採用了支護結構與地下主體結構一體化的設計，在此情況下，後續基礎工程的施工效率降低、人工成本劇增及後續施工縫滲漏的潛在風險也是非常高，並且受成槽工藝及混凝土澆築導致的後續地下連續牆體薄弱部位、垂直度偏差處理也是十分困難的。

smw工法作為地下連續牆形式中的一種，以水泥為成牆主要材料，使用完畢後，也僅可對其中後插入的型鋼進行回收，回收率低，且必須配合內支撐、錨索使用。內支撐、錨索的拆除，造價非常高，且對後續地下結構工程的施工帶來非常大的不利影響。此外，鋼筋混凝土地下連續牆作為最常見的形式，不僅造價高，且基本上不具有任何回收價值。

在當前普遍採用的建築材料中，鋼材的加工性能較好，力學性能優越，在土木工程中得到了廣泛的應用。與此同時，高聚物注漿技術是20世紀70年代發展起來的地基基礎快速加固技術。該技術通過向地基中注入高聚物材料，利用高聚物材料發生化學反應後的體積迅速膨脹並固化的特性，達到加固地基、填充脫空或提升結構沉降區的目的。本專利基於鋼材的力學及可加工特性與高聚物注漿技術的特性研究，在本團隊前期的研究基礎上，包括已經申請的編號為201310123667.6、201610078440.8和201610077784.7專利的基礎上，並充分利用鋼質地下連續牆結構無瑕疵，回收效率高等特點，發明了一種柔性複合地下連續牆支護結構的設計施工方法，為土木、水利、礦山、市政等行業的基坑、邊坡、地鐵站口、市政管道等項目的開挖提供了全新的支護技術，主要地下連續牆部件採用工廠預製加工，既具有回收價值高、且可重複利用等特點。目前國內還未見關於柔性複合地下連續牆支護結構的相關報導。

技術實現要素：

本發明針對基坑、邊坡、地鐵站口、市政管道等項目開挖支護的發展需求和目前支護技術存在的不足，發明了一種柔性複合地下連續牆支護結構的設計施工方法。本發明是從基坑工程的本質出發，首次提出柔性複合的設計理念，並在基坑支護結構體系中引入機械精確製造、現場裝配標準化生產的思想，並基於土壓力理論研發而來的。根據相關資料完成設計工作後，工廠預製加工好相應的鋼質地下連續牆部件，再結合高聚物注漿技術進行現場支護結構的裝配施工、可作為地下結構外牆使用，也可在基坑回填後，拆除回收地下連續牆，可重複利用及標準化設計施工；在施工工藝上，通過獨立設計的平面定位矯正平臺，該平面定位矯正平臺根據地下連續牆分幅形狀設計，剛好滿足後者從其中傳入，且自身具有自我調平功能，藉助平面定位矯正平臺事先設定的中心與地下連續牆體中心重合，能高精確的實現地下連續牆施工需要，並將柔性複合地下連續牆定位精度提高並控制在毫米級別，同時充分發揮鋼材優異的力學及加工性能、高聚物材料的快速膨脹、防滲特性及精確的施工安裝工藝，實現本發明的設計目的。利用該發明可快速對基坑、邊坡、地鐵站口、市政管道溝槽等項目進行開挖支護，使用完畢後，通過對支護結構的高效率回收，可大大的降低基坑支護成本，真正意義上實現並完成了基坑工程作為一個臨時安全措施的使命，為基坑、邊坡、地鐵站口、市政管道等項目的開挖支護提供了技術先進、安全可靠、經濟指標優越的新方法；也可作為性能優越的地下結構外牆使用。

本發明採取的技術方案為：

一種柔性複合地下連續牆支護結構的設計施工方法，根據相關資料完成設計工作後，先工廠預製加工好相應的鋼質地下連續牆部件，再結合高聚物注漿技術進行現場支護結構的裝配施工，可作為地下結構外牆使用，也可在基坑回填後，拆除回收地下連續牆，可重複利用及標準化設計施工，施工過程具體包括如下步驟：

（一）地下連續牆施工，其具體步驟如下：

（1）地下連續牆部件加工：根據設計計算結果，採用鋼材按一定的尺寸在工廠預製加工好地下連續牆部件，在地下連續牆的頂部、牆身對應位置進行冠梁安裝固定孔、後期回收用的吊裝孔加工，並穿入回收鋼纜；根據設計需要，當地下連續牆作為地下結構外牆使用時，適當減少吊裝孔和鋼纜的用量；

（2）地下連續牆成槽施工：在指定地面位置，利用成槽機械進行地下連續牆的槽孔施工，施工過程中嚴格控制好成槽精度，包括平面定位精度和槽孔垂直精度；

（3）植入地下連續牆部件：利用吊車和平面定位矯正平臺，精確的將加工好的地下連續牆部件植入確定的槽孔位置，滿足設計的定位精度要求；

（4）地下連續牆部件外側回填：採用適合地層需要的材料進行回填，以保證地下連續牆部件周邊土體的穩定，回填材料為低標號混凝土、砂石及高分子材料；

（二）型鋼冠梁的具體步驟如下：

（1）型鋼冠梁的加工：根據基坑形狀和地下連續牆結構設計，精確加工樁頂型鋼冠梁及冠梁安裝孔的打孔處理，必要時採用機械拉彎加工工藝，以方便型鋼冠梁與地下連續牆的螺栓連接；

（2）型鋼冠梁的拼接安裝：地下連續牆施工完畢後，基坑開挖前，首先採用水準儀對型鋼冠梁的標高進行控制，緊接著用吊車對其位置進行初步固定，最後採用高強螺栓對型鋼冠梁與地下連續牆頂部進行固定連接；

（三）基坑開挖、高聚物注漿，其具體施工步驟如下：

（1）分層分段開挖基坑內部土方，每層開挖深度控制在1m左右，採用人工方法進行清理地下連續牆附近的土體；

（2）地下連續牆接縫處高聚物注漿：為防止側壁土體從地下連續牆接縫處擠出，引發周邊環境風險，在分層分段開挖過程中，在地下連續牆接縫部位注入快速膨脹硬化的高聚物材料，形成連續且具有一定強度和韌性的高聚物薄層結構，能很好的起到防止接縫滲漏；

（四）依次豎向分層分段開挖；

（五）重複步驟（三）、（四），施工至設計的基底標高，即完成柔性複合地下連續牆支護結構的施工；

（六）除作為地下結構外牆使用外，地下連續牆支護結構完成使用功能後，隨著基坑回填工作的開始，即可進行回收階段的工作，具體回收步驟如下：

（1）回填過程中必要時分層分段清理接縫部位的高聚物材料；

（2）地下連續牆頂部型鋼冠梁拆除回收；

（3）吊車配合液壓千斤頂完成對地下連續牆部件拔出回收。

與現行的支護技術相比，本發明具有以下優點：

（1）本專利技術提出的新型支護結構的使用功能很好的體現了基坑工程的本質特點：安全可靠、技術先進、經濟指標優越。基坑工程作為保證地下主體結構施工的而採取的臨時安全措施，安全可靠是首要因素，技術先進、經濟指標優越是區分與評價支護結構優劣的可靠標準，不僅如此，本支護結構還可以作為性能優越的地下結構外牆使用。

（2）材料特性發揮完美，充分將鋼材的力學、加工性能及鋼質地下連續牆結構無瑕疵、高聚物材料的快速膨脹、防滲性能結合起來，結構傳力受力方式明確、結構安全可靠。有效的克服了傳統地下連續牆施工工藝帶來的結構局部強度弱化的缺陷。

（3）地下連續牆部件採用機械精確加工，進行標準化生產。本專利技術提出的基坑支護結構體系中的地下連續牆支護部件、頂部型鋼冠梁均採用標準化的生產工藝進行機械精確加工，同時通過施工環節對工藝的精確控制，將安裝精度控制在毫米級，便於安裝的同時，也便於回收重複利用，因而對於一類問題，也就實現了標準化的設計與施工。

（4）施工快捷，不需養生。地下連續牆支護部件、頂部型鋼冠梁等已工廠化生產，在現場按施工順序連續作業，施工快捷，不需養生。高聚物材料在反應後15分鐘內即形成90%左右的強度、韌性及抗滲性能，與傳統的支護結構體系相比，可節省50%以上的施工工期。

（5）本專利提供同一套的支護結構可滿足在一定深度範圍內、周邊環境各異的基坑支護設計與施工任務。

（6）綜合經濟環保效益更具優勢。與傳統支護技術相比，柔性複合地下連續牆支護結構的最大特點是施工期間，可減少泥漿、粉塵、砼等對環境的汙染，基坑使用階段安全可靠，同時後續回收價值高，且可重複使用，適用範圍更廣；也可作為性能優越的地下結構的外牆使用。

因此，本發明研發的柔性複合地下連續牆支護結構的設計施工方法，在基坑、邊坡、地鐵站口、市政管道開挖等項目的施工過程中具有明顯優勢。與現行的支護技術相比，柔性複合地下連續牆支護結構的設計施工方法又是一整套全新的技術，主要表現在：

(1)全新的支護結構設計理念：在基坑支護結構中，從基坑工程的本質出發，首次提出柔性複合的設計理念，並在基坑支護結構體系中引入機械精確製造、現場裝配標準化生產的思想，改變了過去每一個項目的支護結構獨立設計並在發揮完使用功能即被遺棄的局面。本支護結構採用了標準化的設計與施工，對同一類問題，可以採用一種解決模式，簡化了設計與施工過程，在發揮完使用功能後，可實現支護結構的高效回收和重複利用，真正體現出基坑工程作為臨時安全措施的本質特點。必要時，還可作為地下結構外牆使用。

（2）柔性複合套入裝配式可回收排樁支護結構體系受力分工明確：高聚物材料的韌性很好的發揮了「柔」的作用，填充且彌合了地下連續牆支護結構與側壁土體之間的剛度差異，使得排樁結構與側壁土體的變形協調，並同時起到地下連續牆接縫部位的防滲和控制土體的側向蠕變作用；地下連續牆支護結構發揮「剛」的作用，土壓力由地下連續牆、頂部型鋼冠梁承擔，結構受力合理，此外，支護結構部件可根據基坑工程安全需要合理預製加工，使得材料力學特性發揮充分。承擔土壓力的構件本身具備材質均勻，各向同性，力學指標明確，結構計算更合理可靠。

（3）施工標準化程度高：柔性複合套入裝配式可回收排樁支護結構體系中的地下連續牆部件、頂部型鋼等可實現機械化精確加工，現場通過獨立設計的平面定位矯正平臺，將支護結構中最關鍵的地下連續牆的定位精度提高到毫米級別，便於後續各項工作的標準化快速安裝，也便於後期回收和結構的重複使用。

（4）邊坡側壁防滲效果明顯，針對性強。在基坑土方開挖過程中，通過開挖過程的直接揭露，利用高聚物材料在側壁土體和結構體系之間的快速膨脹，形成具有韌性及防滲滯水功能的高聚物薄層結構，同時利用高聚物材料在快速膨脹過程中對側壁土體的軟弱部位進行補強，使得結構周圍土體結合相對緊密，不存在明顯的薄弱環節。

（5）結構回收率高、重複利用率高：柔性複合套入裝配式可回收排樁支護結構體系的絕大部分構件均為標準化生產的鋼構件，不僅回收率高，而且回收價值高；同時，回收後的支護構件也能為後續同一類設計模式下的支護項目的多次周轉使用。

綜上所述，本發明無論從支護結構的設計理念、受力機理、標準化施工、側壁防滲處理效果還是結構體系的回收重複利用價值等方面都和現行的支護技術具有明顯的不同，具有安全可靠、施工快捷、技術先進、可回收重複利用、經濟指標優越等優點，並成功應用於基坑支護工程，發展應用前景可觀。

附圖說明

圖1地下連續牆加工節點大樣圖。

圖2柔性複合地下連續牆成牆剖面構造圖。

圖3柔性複合防滲地下連續牆支護結構剖面圖。

圖4柔性複合地下連續牆局部平剖圖

圖5柔性複合防滲地下連續牆支護結構完成後的立面圖。

附圖備註：1-地下連續牆部件，2-冠梁安裝固定孔，3-吊裝孔，4-回收鋼纜，5-地面，6-槽孔，7-回填材料，8-型鋼冠梁，9-螺栓，10-高聚物材料，11-基底。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作進一步說明。

一種柔性複合地下連續牆支護結構的設計施工方法，其特徵在於，在支護結構設計中，首次提出柔性複合的設計理念，從基坑工程的本質出發，運用機械精確製造、現場裝配標準化生產的思想，根據相關資料完成設計工作後，工廠預製加工好相應的鋼質地下連續牆部件，再結合高聚物注漿技術進行現場支護結構的裝配施工；可作為地下結構外牆使用，也可在基坑回填後，拆除回收地下連續牆，可重複利用及標準化設計施工。施工過程具體包括如下步驟：

（一）地下連續牆施工，其具體步驟如下：

（1）地下連續牆部件1加工：根據設計計算結果，採用鋼材按一定的尺寸在工廠預製加工好地下連續牆部件，在地下連續牆的頂部、牆身對應位置進行冠梁安裝固定孔2、後期回收用的吊裝孔3加工，並穿入回收鋼纜4，如圖1所示。根據設計需要，當地下連續牆作為地下結構外牆使用時，可適當減少吊裝孔和鋼纜的用量。

（2）地下連續牆成槽施工：在指定地面5位置，利用成槽機械進行地下連續牆的槽孔6施工，施工過程中嚴格控制好成槽精度，包括平面定位精度和槽孔垂直精度。

（3）植入地下連續牆部件1：利用吊車、獨立設計的平面定位矯正平臺，精確的將加工好的地下連續牆部件植入確定的槽孔位置，滿足設計的定位精度要求。

（4）地下連續牆部件外側回填，採用適合地層需要的材料進行回填，以保證地下連續牆部件周邊土體的穩定，回填材料7可以為低標號混凝土、砂石及高分子材料等，如圖2所示。

（二）型鋼冠梁的具體步驟如下：

（1）型鋼冠梁8的加工：根據基坑形狀和地下連續牆結構設計，精確加工樁頂型鋼冠梁及冠梁安裝孔的打孔處理，必要時採用機械拉彎加工工藝，以方便型鋼冠梁與地下連續牆的螺栓9連接。

（2）型鋼冠梁的拼接安裝：地下連續牆施工完畢後，基坑開挖前，首先採用水準儀對型鋼冠梁的標高進行控制，緊接著用吊車對其位置進行初步固定，最後採用高強螺栓對型鋼冠梁與地下連續牆頂部進行固定連接，如圖3所示。

（三）基坑開挖、高聚物注漿，其具體施工步驟如下：

（1）分層分段開挖基坑內部土方，每層開挖深度控制在1m左右，採用人工方法進行清理地下連續牆附近的土體。

（2）地下連續牆接縫處高聚物注漿：為防止側壁土體從地下連續牆接縫處擠出，引發周邊環境風險，在分層分段開挖過程中，在地下連續牆接縫部位注入快速膨脹硬化的高聚物材料10，形成連續且具有一定強度和韌性的高聚物薄層結構，能很好的起到防止接縫滲漏，如圖4所示。

（四）依次豎向分層分段開挖，

（五）重複步驟（三）、（四），施工至設計的基底11標高，即完成柔性複合地下連續牆支護結構的施工，如圖5所示。

（六）除作為地下結構外牆使用外，地下連續牆支護結構完成使用功能後，隨著基坑回填工作的開始，即可進行回收階段的工作，具體回收步驟如下：

（1）回填過程中必要時分層分段清理接縫部位的高聚物材料10。

（2）地下連續牆頂部型鋼冠梁8拆除回收。

（3）吊車配合液壓千斤頂完成對地下連續牆部件1拔出回收。

顯然，上述實施方式僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之中。