具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种地下结构保护的排桩框架皮囊加压装置如图2-图4所示，包括：侧向加压机构、竖向加压机构、压力检测元件、控制器。两个侧向加压机构分别设置在隧道左右两侧的排桩结构上，所述每个侧向加压机构包括多个第一加压组件，分别设置在每个排桩上，所述第一加压组件包括：套筒1、固定组件2、第一皮囊3。套筒1套装在排桩上；固定组件2设置在套筒1的周向；第一皮囊3设置在套筒1与固定板2之间，所述第一皮囊3上设有第一控压组件；竖向加压机构设置在隧道上方，所述竖向加压机构包括多个第二加压组件，分别设置在小竖井底板下方，所述第二加压组件包括：第二皮囊4设置在小竖井底板下方，所述第二皮囊4上设有第二控压组件；多个压力检测元件5分别设置在第二皮囊4下方，用于测量土压应力、检验加压效果；控制器设置在地面上，与所述第一控压组件、第二控压组件、压力检测元件5电连接。

其中，第一皮囊3与第二皮囊4结构相同，皮囊为双层皮囊。套筒1、固定组件2均采用1.0～2.0cm厚钢板制作，其作用是为了保护第一皮囊3不被土里的碎石等划破，且将第一皮囊3固定在排桩上。压力检测元件5为压力传感器。

进一步地，所述固定组件2为弧形板，所述弧形板的底部通过铰接机构与套筒1铰接。弧形板设计贴合位置下方15cm处，在套筒1外侧焊接铰接机构，铰接机构外臂采用25cm长直径12mm钢筋连接外套筒外侧臂，焊接段长约10cm，连接段长度15cm。

进一步地，所述第一控压组件包括：第一注水管、第一注水泥浆管。第一注水管的一端设置在第一皮囊3上，另一端延伸至地面上与第一水泵输出端连接，所述第一水泵的输入端与储水池连接，用于加压，所述第一注水管上设有第一限压阀，用于保障水压安全；第一注水泥浆管的一端设置在第一皮囊3上，另一端延伸至地面上与第一注浆泵的输出端连接，所述第一注浆泵的输入端与浆料池连接，用于维压。

进一步地，如图1所示，所述第二控压组件包括：第二注水管6、第二注水泥浆管7。第二注水管6的一端设置在第二皮囊4上，另一端延伸至地面上与第二水泵输出端连接，所述第二水泵的输入端与储水池连接，用于加压，所述第二注水管6上设有第二限压阀，用于保障水压安全；第二注水泥浆管7的一端设置在第二皮囊4上，另一端延伸至地面上与第二注浆泵的输出端连接，所述第二注浆泵的输入端与浆料池连接，用于维压。

其中，上述注水管与水泵之间设有开关阀，同样地，注水泥浆管与注浆泵之间也设有开关阀，用于启闭注水注浆工作，通过地面上的控制端启闭注水注浆。设置限压阀可以在给皮囊注浆时稳定稳压同步注浆换水，保持平稳过度。若出现皮囊顶破，皮囊失压等意外紧急情况，可通过注水泥浆管及时灌入水泥浆补压。后续建筑加载可以通过轻质换填等方案降低竖向压载。

进一步地，还包括第一保护结构分别设置在第一皮囊3、第二皮囊4上，用于保护第一皮囊3、第二皮囊4。避免第一皮囊3、第二皮囊4被地下的碎石等划破。

进一步地，所述第一保护结构为碳纤维布袋8分别套装在所述第一皮囊3、第二皮囊4上。碳纤维布袋8的体积不小于3倍皮囊(常压)的充气体积，然后采用强力胶集中固定好位置，碳纤维布袋8缝制袋口，仅留注水管、注水泥浆管连通内外。碳纤维布袋8和套筒1之间采用塑料扎丝绑扎，绑扎点为焊接在套筒1外侧的弧形金属铁丝(直径3～5mm)。绑扎点距离碳纤维布袋8边缘不少于10cm。

进一步地，所述第一皮囊3上的碳纤维布袋8两侧设有多个螺母，固定组件2外设有与其相对应的螺栓。用于固定套筒1与固定组件2。将碳纤维布袋8平铺在套筒1上，每个间距不小于10cm。碳纤维布袋8两侧15cm外焊接螺母，采用螺栓临时紧固固定组件2与套筒1连接，吊装入孔之前人工卸除。

进一步地，还包括：第二保护结构，设置在第二皮囊4上，用于保护第二皮囊4。

进一步地，如图4所示，所述第二保护结构包括：小竖井底板垫层9、粘土层10、膨润土层11。小竖井底板垫层9设置在小竖井底板下方，小竖井底板垫层9为浇筑混凝土；粘土层10设置在第二皮囊4与小竖井底板垫层9之间。膨润土层11设置在第二皮囊4的下方，位于压力检测元件5上方。粘土10有助于保护皮囊受充填压力膨胀后，保护第二皮囊4受尖锐物体刺破。膨润土11在气囊膨胀时有助于其表面滑移，平衡气囊表面张力。

本发明包括设置在地下的皮囊结构和设置在地面上的控制端共同组成一个伺服系统，利用给皮囊注水注浆等实现对压力的控制，设置压力传感器确保地下保护结构周边土压平衡，实现减少地层因工程扰动而变形。

本发明在施工时的步骤如下：

步骤a：在排桩上固定好侧向加压机构；

步骤b：固定侧向加压机构及排桩同步施工，放入地下；

步骤c：根据保护设施范围，划定分仓开挖方案，从地面插入钢板桩或施工微型桩等分仓围护结构也就是小竖井；

步骤d：降水后分步跳挖分仓土体至预定标高，必要时采用型钢支护分仓围护结构；

步骤e：在仓底铺一层膨润土11后铺设第二皮囊4和压力检测元件5；

步骤f：固定第二皮囊4进出口管道，在第二皮囊4上方填筑一层不含砂砾的粘土10(含砂率小于5％)，夯实厚浇筑垫层；

步骤g：浇筑分仓底板，与相邻底板连成整体；边上分仓与桩体浇筑连接冠梁，有地梁的设计要浇筑基础反梁；

步骤h：回填分仓；

步骤i：重复步骤d-h，直到第二皮囊安装及底板浇筑完成；

步骤j：开挖保护结构上方土体，地面上的控制端控制注水至埋地第一皮囊3、第二皮囊4中，根据预埋压力传感器实时同步补偿开挖卸载，确保地下保护结构周边土压平衡；

步骤k：开挖完成后，保护结构变形稳定后，在维持压力不变的情况下，注入水泥浆替换皮囊中的水；

步骤l：皮囊无水溢出后，封闭皮囊出入口。

在步骤a中，套筒1、弧形板均采用1.0～2.0cm厚钢板制作。先将第一皮囊3与碳纤维布袋8固定好，第一皮囊3填充状态尺寸为0.8D×1.4(单位m，D为套筒1直径，下同)，注水和水泥浆的管道预留长度不小于埋置深度h+3m，碳纤维布袋8尺寸为1.2D×2.0(m)，在将其固定(绑扎或粘贴)在套筒1外侧，每个碳纤维布袋8竖向间距10cm。碳纤维布袋8两侧焊接U字型钢筋卡扣，尺寸为10cm×5cm，间距2.0m，单臂焊接至内弧形板一侧；底部采用钢性铰接机构及钢筋焊接至套筒1与弧形板上，内臂长10cm,外臂钢筋长约20cm(焊接段长10cm)。其中，钢性铰接机构的数量根据具体施工时选择。

步骤b中，采用旋挖钻等成孔以后，将步骤a的套筒1与弧形板吊装入排桩孔预设深度。旋挖机在保护结构内测超挖约5～10cm，不宜打入、压入或搓管。

步骤c中，根据地下保护目标结构的受扰动的敏感性，指定小竖井开挖分块开挖方案，先采用钢板桩或微型桩等结构，对保护结构上方拟开挖土体进行分割。

步骤d中，采用人工或小型机械开挖分仓土体，对跨度大，深度深的小基坑，应采取必要的支撑措施。

步骤e中，先在坑底土下方埋置数个压力检测元件5，然后铺装一层厚5cm左右的膨润土11，在第二皮囊4膨胀时有助于其表面滑移，平衡第二皮囊4表面张力。

步骤f中，第二皮囊4上方填筑一层厚度不少于15cm的粘土10，适当碾压平整后，浇筑垫层混凝土，粘土10有助于保护第二皮囊4受充填压力膨胀后，保护第二皮囊4受尖锐物体刺破。

步骤j中，待保护结构上方的分仓底板连成整体并设计强度后，可以整体开挖保护结构上方土体，根据隧洞上方卸荷后，预埋压力检测元件5反馈信息，采用伺服系统控制皮囊注水压力，保持保护结构隧洞顶压力稳定。

步骤i中，皮囊注浆过程时，可以给注水管中安装限压阀，稳定稳压同步注浆换水，保持平稳过度。

按上述施工步骤，可以实现地下保护结构围压基本保持动态评估。施工期间注水可以灵活调控压力，后续注浆可以确保地下保护结构永久压力平衡，适用新的周边压力环境。可以使保护结构的侧向压力和竖向压力尽量平衡，对圆形受压隧道(洞)保护较为有利，可以大幅度减少隧道受外界工程扰动引起的收敛值。

本发明主要创新在于小竖井开挖结合竖向压力仓联合使用，小竖井仅仅是为了施工浇筑地下保护结构压顶梁板结构，通过梁板与排桩提供向下作用反力，为保护结构上方土方开挖创造条件。保护结构顶开挖卸载，必将导致地下结构围压竖向压应力减少，通过给皮囊灌水，提供竖向加载，可以通过控制皮囊水压等于其位置埋深竖向土压应力来保持地下结构围压竖向压力稳定。压力检测元件5用于实际控制和检验加压效果。为了避免皮囊膨胀时被土石精锐物体顶破，可以皮囊外套一抗刺破强度较大的碳纤维布袋8。本发明装置实施在皮囊的保护层施工时，应对皮囊上下保护层施工前应清除表面建筑垃圾和碎石块等尖锐物体，填筑材料进行过筛处理，应剔除直径大于2cm的碎石。在施工期间对皮囊进行注水或泄水稳压，全过程动态伺服控制。工程结束后，对皮囊进行注浆换水，确保稳压替换，有助地下保护结构长期稳定。待水泥浆凝固达到预定强度后，可以关闭注浆管，保护结构长期稳定。通过这个工程保护装置，保护目标结构周边的应力几乎不受外界环境扰动影响，工程结束后、保护目标结构与周边建筑达到新的应力平衡，大部分扰动或增减荷载几乎全部由排桩和小竖井板梁结构承担。