阅读说明：本技术 零位移基坑工程施工方法及其所用的基坑支护结构 (Zero-displacement foundation pit engineering construction method and foundation pit supporting structure used by same ) 是由 张继红 于 2020-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明涉及土木工程领域,特别是涉及基坑支护工程领域中的一种零位移基坑工程施工方法及所用的基坑支护结构,该方法主要包括以下步骤：b)在挡土构件(6)与被保护对象(4)之间置入袋子(2)；c)在袋子(2)内盛装流体(3)；d)通过袋子(2)内的流体(3)对袋子(2)外侧的土体施加应力,补偿因基坑(5)施工产生的应力损失；e)通过被保护对象(4)一侧土体应力损失的补偿,控制被保护对象(4)的位移,本发明可对被保护对象(4)的位移进行实时控制,可减消基坑(5)施工影响,且施工造价低,质量可控,安全度、可靠度高。(The invention relates to the field of civil engineering, in particular to a zero-displacement foundation pit engineering construction method and a used foundation pit supporting structure in the field of foundation pit supporting engineering, and the method mainly comprises the following steps: b) placing the bag (2) between the retaining member (6) and the object (4) to be protected; c) the bag (2) is filled with fluid (3); d) applying stress to soil on the outer side of the bag (2) through the fluid (3) in the bag (2) to compensate the stress loss generated by the construction of the foundation pit (5); e) the invention can control the displacement of the protected object (4) in real time by compensating the stress loss of the soil body on one side of the protected object (4), can reduce the construction influence of the foundation pit (5), and has the advantages of low construction cost, controllable quality, high safety and reliability.)

零位移基坑工程施工方法及其所用的基坑支护结构

技术领域

本发明涉及土木工程领域中的基坑支护工程领域。

背景技术

通过开挖基坑开发地下空间是应用最多的地下工程建造形式，地铁隧道工程中的地铁车站的建设通常也是通过基坑开挖施工实现，其他的顶管等地下工程的建造也涉及到基坑施工工程。在基坑施工与围护工程中，往往遇到基坑附近有大量已建建筑物、地下管线、地铁隧道等需要保护的建(构)筑物。特别是基坑附近分布有民宅、地铁线、高铁线、磁悬浮时，保护要求非常高，当遇到精密设备仪器时，有时提出了零位移的苛刻保护要求。目前，解决这些难题的主要技术手段是大幅度加强基坑围护结构的强度与刚度，使得基坑围护工程造价十分昂贵。基坑围护体系是通过变形来提供承载力的，因此，不论在基坑围护上增加多大的代价，被保护对象在基坑施工过程中伴随产生变形与移位仍然难免。近几年来，在被保护对象变形控制非常严格的地段，开始使用伺服系统以减小基坑施工引起的变形。但伺服系统最大的问题是只能在支撑位置施加集中力，难以在开挖面附近及以下地方加载，无法在支撑施工前及拆撑、换撑、降水等工况下加载。对被保护对象的变形控制能力有限。再者，对大量使用的钢筋砼围护结构与支撑体系，在施工及砼养护期也会伴随产生较大的变形，这些都是现有技术无法解决的难题。

发明内容

本发明的第一个目的是提供第一种零位移基坑工程施工方法，该第一种零位移基坑工程施工方法通过在土体中施加分布应力，实时控制基坑施工过程伴随的被保护对象的位移(包括水平位移与竖向位移)，对基坑施工伴随的土体应力释放实时补偿，可消除基坑工程施工对被保护对象的影响。

该第一种零位移基坑工程施工方法包括以下步骤：

a)确定基坑开挖面与被保护对象的位置；

b)在基坑开挖面与被保护对象之间置入具备盛装流体功能的袋子；

c)在袋子内盛装流体；

d)通过袋子内的流体对袋子外侧的土体施加应力，补偿被保护对象一侧土体因基坑工程施工产生的应力损失；

e)通过被保护对象一侧土体应力损失的补偿，控制被保护对象的位移。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，上述步骤b)、步骤c)与步骤d)中所述的流体，可以是液体、气体或胶体中的一种或几种组合。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，可在上述步骤b)中，在基坑开挖面与被保护对象之间设置一条或多条入土深度相同或不同的袋子。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，可在上述步骤b)中，在同一平面位置，不同的深度设置一条或两条或多条袋子。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，可在上述步骤b)中，设置一条或两条或多条袋子，并使袋子与地表连通。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，可在上述步骤c)中，向袋子内装入固体。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，可在上述步骤c)中，向袋子内装入颗粒状固体，可以通过重力作用、振动作用或流体流动作用中的一种或几种组合，使颗粒状固体以满足需要的密实度充填袋子。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，在上述步骤d)中，将袋子密封并充入流体，通过对袋子内的流体加压对袋子外侧的土体增加应力。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，可在上述步骤d)中，通过实时调整袋子内流体压强，实时调整对袋子外侧土体施加应力的大小与分布，对袋子外侧土体施加的应力是局部或全部不小于或小于因基坑施工而产生的应力损失。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，上述步骤d)中所述的基坑施工是基坑围护结构的施工、基坑挖土施工、基坑支撑的施工、基坑换撑的施工、基坑降水施工、地下结构施工、基坑回填施工中的一种或几种组合。

在上述的第一种零位移基坑工程施工方法中，可在上述步骤d)中，可以结合基坑施工的不同工况与时间，通过实时调整袋子内流体压强，实时调整对袋子外侧土体施加应力的大小与分布。

本发明的第二个目的是提供第一种零位移基坑工程施工方法所用的基坑支护结构，该基坑支护结构能够顺利实现上述的第一种零位移基坑工程施工方法，安全度高，施工速度快，造价低。

该基坑支护结构包括挡土构件、内支撑、袋子、流体、流体压强控制装置五部分，其中的挡土构件为设置在基坑侧壁并嵌入基坑底面的支挡式结构竖向构件，内支撑为设置在基坑内的由钢筋混凝土或钢构件组成的用以支撑挡土构件的结构部件，袋子是具备盛装流体功能的柔性部件，袋子位于挡土构件与挡土构件外侧的土体之间或者位于基坑开挖面外侧的土体中，流体为具备流动性能的气体、液体或胶体中的一种或几种组合，流体盛装于袋子内，流体压强控制装置为具备调节盛装于袋子内的流体压强功能的装置，流体压强控制装置与袋子连接。

本发明的第三个目的是提供第二种零位移基坑工程施工方法，该第二种零位移基坑工程施工方法将挡土构件与袋装流体相结合，通过在土体中施加分布应力，实时控制基坑施工过程伴随的被保护对象的位移(包括水平位移与竖向位移)，对基坑施工伴随的土体应力释放实时补偿，可减消基坑工程施工对被保护对象的影响。

该第二种零位移基坑工程施工方法包括以下步骤：

a)确定基坑开挖面与被保护对象的位置；

b)在基坑侧壁施工钢管桩作为挡土构件，并在钢管桩邻近被保护对象一侧的外表面设置具备盛装流体功能的袋子；

c)在袋子内盛装流体，并安装流体压强控制装置，形成基坑挡土装置；

d)通过袋子内的流体对袋子外侧的土体施加应力，补偿被保护对象一侧土体因基坑施工产生的应力损失；

e)通过被保护对象一侧土体应力损失的补偿，控制被保护对象的位移。

f)基坑回填后，通过袋子减小钢管桩外表面的摩擦阻力，拔出钢管桩。

在上述的第二种零位移基坑工程施工方法中，在上述的步骤b)中，可在钢管桩的外表面设置双层或多层袋子。

在上述的第二种零位移基坑工程施工方法中，在上述的步骤f)中，可通过在钢管桩的外表面、袋子之间涂抹润滑剂，或通过设置两层及两层以上的多层袋子，或者利用袋子内的流体，减小拔桩阻力。

在上述的第二种零位移基坑工程施工方法中，在上述的步骤f)中，可采用土塞补偿法拔出钢管桩。

本发明的第四个目的是提供第二种零位移基坑工程施工方法所用的一种挡土装置，该挡土装置可顺利实现本发明的第二种零位移基坑工程施工方法，可全回收或部分回收再利用，造价低。

该挡土装置包括钢管桩、袋子、流体、袋子连接四部分，其中钢管桩为基坑支护中的挡土构件，袋子是具备盛装流体功能的柔性部件，袋子位于钢管桩的外表面位置，袋子为具备在钢管桩与土体之间提供正压力且减小摩擦力功能的部件，流体为盛装于袋子内的具备流动性能的气体、液体或胶体中的一种或几种组合，袋子连接是将袋子与钢管桩牢固连接的部件，袋子连接位于袋子底部附近。

在上述的挡土装置中，上述的袋子为在钢管桩拔出时具备由底部开始自下向上逐步脱离土体性能的柔性部件。

在上述的挡土装置中，在上述的袋子与钢管桩的外表面之间设置有具备减小摩擦力功能的润滑剂。

在上述的挡土装置中，上述的袋子为两层或多层重叠放置的袋子。

本发明的零位移基坑工程施工方法及其所用的基坑支护结构，以维持基坑外侧一定范围内的土体应力总体上平衡为出发点，可通过控制土体的应力边界条件，达到对被保护对象一侧土体及被保护对象的位移进行实时控制，可以减消基坑施工对被保护对象的影响，目的是实现零位移基坑施工，使得基坑施工条件下的土木工程既有建(构)物保护技术达到最佳，且施工造价低，质量可控，安全度、可靠度高。

附图说明

图1为本发明的第一个实施例所用的第一种隔离区平面布置示意图；

图2为本发明的第一个实施例所用的第二种隔离区平面布置示意图；

图3为本发明的第一个实施例所用的第三种隔离区平面布置示意图；

图4为本发明的第一个实施例所用的一种零位移基坑工程施工方法所用的一种基坑支护结构剖面示意图；

图5为本发明的第二个实施例所用的一种零位移基坑工程施工方法所用的一种挡土装置剖面示意图；

图6为本发明的第二个实施例所用的一种零位移基坑工程施工方法所用的一种挡土装置横断面构造示意图。

具体实施方式

作为本发明的第一个实施例，下面结合图1～图4介绍本发明第一种零位移基坑工程施工方法的原理与实施方法及其所用的一种基坑支护结构。首先，介绍本发明第一种零位移基坑工程施工方法的具体实施方式。在本实施例的第一步，确定基坑(5)开挖面与被保护对象(4)的位置。为了表述方便，在基坑(5)开挖面与被保护对象(4)之间划立隔离区(1)。在本步骤中，充分了解不同被保护对象(4)的分布及其与基坑(5)的相对位置关系，根据不同位移控制要求划立隔离区(1)。例如，对于地铁、高铁、磁悬浮、原水管等线状被保护对象(4)，隔离区(1)可以沿临近线状被保护对象(4)的基坑(5)一侧划立，并在基坑(5)近似垂直于线状被保护对象(4)的两侧适当延伸，如图1所示。在本步骤中，如果被保护对象(4)为住宅等有限长度建(构)筑物，可在基坑(5)临近被保护对象(4)一侧划立隔离区(1)，并在两端适当延长，如图2所示。在本步骤中，如果被保护对象(4)为点状建(构)筑物，且占地面积较小，如被保护对象(4)为古塔等文物，在用地许可的条件下，可在被保护对象(4)的周边设置隔离区(1)，如图3所示。本步骤的主要目的是使得隔离区(1)的位置、范围与被保护对象(4)的位置、被保护要求相适应，可建立模型，通过有限元法或利用弹塑性力学计算理论进行计算分析，设立合理的隔离区(1)，使得后续工作经济、可行、高效，并能满足被保护对象(4)的位移控制要求。完成本实施例的第一步，进入第二步。在本步骤中，在隔离区(1)的土体内置入具备盛装流体功能的袋子(2)。因为袋子(2)为弹性结构，且置入前可以不盛装流体(3)，因此在置入土体前体积小，易于置入。可采用静力法、锤击法或振动法中的一种或几种组合将袋子(2)置入土体。比如，可将袋子(2)临时固定在条形结构上，将条形结构***土体，同时将袋子(2)***土体。还可以将条形结构回收再利用。袋子(2)具备盛装流体(3)的功能即可，为提高效用，袋子(2)具备承担一定压力的功能更好。在本步骤中，也可以在土体中钻孔，将袋子(2)折叠后放入土体。在本步骤中，可在隔离区(1)内设置一条或多条入土深度相同或不同的袋子(2)。具体每一条袋子(2)的深度、大小可根据基坑(5)开挖的深度、大小、基坑(5)围护的结构形式及被保护对象(4)的位移控制要求，通过计算分析或经验判断确定。在本步骤中，可在同一平面位置，不同的深度中设置一条或多条袋子(2)，并使袋子(2)与地面连通。主要目的是提供更多的位移控制操作段。从而完成本实施例的第二步，进入第三步。本步骤主要操作是向袋子(2)内盛装流体(3)。本步骤的实现方法是通过袋子(2)与地面的连通口直接灌入流体(3)即可。灌入的流体(3)可以是气体、液体或胶体中的一种或几种组合。在实际操作中可以是水、空气或泥浆等。在本步骤中，可向袋子(2)内装入固体或颗粒状固体，以减小流体(3)的用量，同时预防流体(3)流失可能产生的位移突变，确保控制过程的安全。完成本实施例的第三步，进入第四步。本步骤是通过袋子(2)内的流体(3)对袋子(2)外侧的土体施加应力，补偿被保护对象(4)一侧土体因基坑(5)施工产生的应力损失。根据帕斯卡定律，因在袋子(2)装有流体(3)，且袋子(2)是弹性的，袋子(2)内的流体压应力会传递至袋子(2)外侧的土体上。在基坑(5)开挖过程中，土体开挖会产生原位土体的应力释放，本步骤通过袋子(2)的流体(3)对被保护对象(4)一侧土体的应力损失进行补偿，同时将补偿应力的反作用力传递至基坑(5)围护结构。在本步骤中，可将袋子(2)密封并充入液体或气体，通过对袋子(2)内的气体或液体加压对袋子(2)外侧的土体增加应力。在本步骤中，对袋子(2)外侧土体施加的应力可局部或全部大于等于或小于因基坑(5)施工而产生的应力损失，通过应力补偿的叠加效应控制被保护对象(4)的位移。在本步骤中，可以结合基坑(5)开挖的不同工况与时间，通过实时调整袋子(2)内流体(3)的压强，实时调整对袋子(2)外侧土体施加应力的大小与分布。完成本实施例的第四步，进入第五步。在本步骤中，通过被保护对象(4)一侧土体应力损失的补偿，控制被保护对象(4)的位移。在本步骤中，通过调节被保护对象(4)与基坑(5)之间隔离区(1)土体的应力状态，总体维持隔离区(1)内土体应力边界条件的稳定，实现对被保护对象(4)位移的控制。在具体实施中，可通过有限元法等计算手段，通过上述隔离区(1)的设置、袋子(2)的分布、数量及深度，再结合实时调控袋子(2)内流体(3)的压强，可实现基坑(5)开挖过程中被保护对象(4)的“零位移”目标。也可以在实施过程中，结合观测结果，改进计算手段的精度，最终实现满足预期的位移控制目标。在本实施例中所指的流体(3)，可以是液体、气体、胶体中的一种或几种组合，具备流动性能即可，比如，可采用泥浆作为流体(3)。在本实施例中，基坑施工是基坑围护结构的施工、基坑挖土施工、基坑支撑的施工、基坑换撑的施工、基坑降水施工、地下结构施工、基坑回填施工中的一种或几种组合。本实施例的以下部分主要介绍本实施例中所用的基坑支护结构。本实施例中所介绍的零位移基坑工程施工方法可选用如图4所示基坑支护结构，该基坑支护结构包括挡土构件(6)、内支撑(7)、袋子(2)、流体(3)、流体压强控制装置(8)五部分，其中的挡土构件(6)为设置在基坑侧壁并嵌入基坑底面的支挡式结构竖向构件，可以是钻孔灌注桩、地下连续墙、SMW工法桩、钢管桩、预制钢筋混凝土桩等竖向钢结构或钢筋混凝土结构。内支撑(7)为设置在基坑内的由钢筋混凝土或钢构件组成的用以支撑挡土构件(6)的结构部件，当内支撑(7)较长时，应在基坑内设置竖向立柱，以确保内支撑(7)的竖向稳定性。袋子(2)是具备盛装流体功能的柔性部件，袋子(2)位于挡土构件(6)与其外侧的土体之间或者位于基坑开挖面外侧的土体中，流体(3)为具备流动性能的气体、液体或胶体中的一种或几种组合，流体(3)盛装于袋子(2)内，流体压强控制装置(8)为具备调节盛装于袋子(2)内的流体压强功能的装置，流体压强控制装置(8)与袋子(2)连接，流体压强控制装置(8)可以是包括水泵等流体输入装置与水管的组合，也可以水塔与水管的组合。在零位移基坑工程中，基坑支护结构设计时所需考虑的荷载应大于正常基坑设计所选用的荷载值，可选用土体自重荷载作为作用于挡土构件(6)上的土压力。而袋子(2)内的流体压强产生的作用宜和静止土压力近似等效，宜不大于被动土压力。基坑开挖引起的位移控制应实时控制，因土体一旦产生位移后，难以恢复，通过全过程实时控制袋子(2)内的流体压强，可以有效控制基坑开挖引起的位移，通过准确的调控与严格的施工操作，可以实现基坑工程零位移理想控制目标。

作为本发明的第二个实施例，主要结合图5与图6，介绍本发明的第二种零位移基坑工程施工方法及所用的一种挡土装置。该第二种零位移基坑工程施工方法与第一个实施例相似，与第一个实施例的区别是采用钢管桩(9)作为挡土构件(6)，并在钢管桩(9)邻近被保护对象一侧的迎土外表面(13)设置具备盛装流体(3)功能的袋子(2)。可在钢管桩(9)的外表面设置双层或多层袋子(2)。在基坑回填后，通过袋子(2)减小钢管桩(9)外表面的摩擦阻力，拔出钢管桩(9)，回收再利用。可通过在钢管桩(9)的外表面、或者在各层袋子(2)之间涂抹润滑剂，或通过设置两层及两层以上的多层袋子(2)，或者利用袋子(2)内的流体(3)，减小拔出钢管桩(9)时钢管桩(9)外表面的摩察阻力。在钢管桩(9)拔出施工中，可采用土塞补偿法拔出钢管桩(9)，减消拔桩带土影响。本实施例的以下部分，结合图5与图6，介绍上述第二种零位移基坑工程施工方法所用的一种挡土装置，该挡土装置包括钢管桩(9)、袋子(2)、流体(3)、袋子连接(10)四部分，其中钢管桩(9)为基坑支护中的挡土构件(6)，袋子(2)是具备盛装流体功能的柔性部件，袋子(2)位于钢管桩(9)的外表面位置，袋子(2)为具备在钢管桩(9)与土体之间提供正压力且减小摩擦力功能的部件，流体(3)为盛装于袋子(2)内的具备流动性能的气体、液体或胶体中的一种或几种组合，袋子连接(10)为将袋子(2)与钢管桩(9)牢固连接的部件，袋子连接(10)位于袋子(2)底部附近。在本实施例中，袋子(2)可以是在钢管桩(9)拔出时具备由底部开始自下向上逐步脱离土体性能的柔性部件。袋子(2)与钢管桩(9)牢固连接，可在置入钢管桩(9)的同时完成袋子(2)的施工。袋子(2)可仅布设在如图5与图6所示的基坑开挖面(11)的外侧，即钢管桩迎土外表面(13)位置，必要时，可在基坑底面以下，钢管桩(9)位于基坑开挖面(11)内侧的背土外表面(12)布设袋子(2)。

本专利包括但不限于本领域内专业人士可替代使用的其他施工方法。