一种柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的设计施工方法与流程

本发明属于土木、水利、矿山、市政等基础设施的开挖支护技术领域，具体涉及各类边坡、基坑、市政管道等项目开挖施工所面临的柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的设计施工方法。

背景技术：

新中国成立以来，我国土木、水利、矿山、市政等基础设施建设取得了举世瞩目的成就。在地下空间开发利用、矿产资源开采等过程中，当面临复杂的地质条件时，往往需要采取边坡支护或基坑支护措施，以保证地下工程建设过程及此期间的周边环境的安全稳定。伴随着岩土工程技术、机械及土木工程材料等的发展，边坡支护及基坑支护技术得到了有效发展，相应地出现了以砂石、水泥、钢筋、混凝土等传统建筑材料为结构主体的土钉墙、复合土钉墙、地下连续墙、排桩支护、桩锚支护等支护结构体系。与此同时，为控制地下水对支护结构及地下工程施工的影响，还需在支护体系中考虑设置止水帷幕或者辅以降水措施。特别是在地下水位较高、侧壁土层较软易扰动的情况下，基坑支护必须考虑侧壁防渗及地下水控制措施。相比而言，采取止水方式，更能保证周边建筑物、构筑物及临近地下管线的安全，更多情况下，是侧壁土体的蠕变诱发的周边地表裂缝及建筑物的不均匀沉降等事故。理论上讲，采取足够的安全措施，可保证任何需求状态下的边坡或基坑安全。但从基坑支护的本质来看，其作为保护地下主体结构施工和周边环境的安全，而采取的临时性支挡、加固、保护与地下水控制的措施，且基坑越深、周边环境越复杂，基坑工程的造价也就越高，更重要的一点是，基坑的使用寿命一般不超过2年，在地下主体结构施工完毕后即被废弃或者强制拆除。由此可见，与主体工程相比，基坑工程的造价就非常昂贵了。即使现阶段少数基坑采用了支护结构与地下工程主体结构一体化的设计，在此情况下，后续基础工程的施工效率降低、人工成本剧增及后续施工缝渗漏的潜在风险也是非常高。

在当前普遍采用的建筑材料中，钢材的加工性能较好，力学性能优越，在土木工程中得到了广泛的应用。与此同时，高聚物注浆技术是20世纪70年代发展起来的地基基础快速加固技术。该技术通过向地基中注入高聚物材料，利用高聚物材料发生化学反应后的体积迅速膨胀并固化的特性，达到加固地基、填充脱空或提升结构沉降区的目的。本专利基于钢材的力学及可加工特性与高聚物注浆技术的特性研究，在本团队前期的研究基础上，包括已经申请的编号为201310123667.6、201610078440.8和201610077784.7专利的基础上，并充分利用矩形截面构件的横向抗弯刚度较大，更适应基坑开挖所产生的力学特性，发明了一种柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的设计施工方法，为土木、水利、矿山、市政等行业的基坑、边坡、地铁站口、市政管道等项目的开挖提供了全新的支护技术，具有回收价值高、且可重复利用及标准化设计与施工等特点。目前国内还未见关于柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的相关报道。

技术实现要素：

本发明针对基坑、边坡、地铁站口、市政管道等项目的开挖支护的发展需求和目前支护技术存在的不足，发明了一种柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的设计施工方法。本发明是在从基坑工程的本质出发，首次提出柔性复合的设计理念，并在基坑支护结构体系中引入机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，并基于土压力理论研发而来的；在施工工艺上，通过独立设计的平面定位矫正平台，该平面定位矫正平台根据钢质矩形截面排桩尺寸设计，刚好满足后者从其中传入，且自身具有自我调平功能，借助平面定位矫正平台事先设定的中心与钢质矩形截面排桩中心重合，能高精确的实现钢质矩形截面排桩施工需要，并将钢质矩形截面排桩的桩位精度提高并控制在毫米级别，同时充分发挥钢材优异的力学及加工性能、高聚物材料的快速膨胀、防渗特性及精确的施工安装工艺，实现本发明的设计目的。利用该发明可快速对基坑、边坡、地铁站口、市政管道等项目进行开挖支护，使用完毕后，通过对支护结构的高效率回收，可大大的降低基坑支护成本，真正意义上实现并完成了基坑工程作为一个临时安全措施的使命，为基坑、边坡、地铁站口、市政管道等项目的开挖支护提供了技术先进、安全可靠、经济指标优越的新方法。

本发明采取的技术方案为：

一种柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的设计施工方法，根据相关资料完成设计工作后，先工厂预制加工所需支护构件，再进行支护结构的施工，施工过程具体包括如下步骤：

（一）矩形截面排桩施工，其具体步骤如下：

（1）矩形截面排桩加工：根据设计计算结果，采用钢材在工厂进行预制加工成矩形截面排桩，在矩形截面排桩的顶部、桩身对应位置进行冠梁安装固定孔、后期回收用的吊装孔加工，并穿入回收钢缆；根据设计需要，矩形截面排桩支护结构采用单排桩支护结构或双排桩支护结构；

（2）排桩成孔施工：在指定地面位置，利用桩机进行支护排桩的成孔施工，施工过程中严格控制成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直精度；

（3）植入矩形截面排桩：利用吊车和平面定位矫正平台，精确的将矩形截面排桩植入确定的桩孔位置，满足设计的定位精度要求，当采用双排桩支护结构时，控制好前排桩、后桩在结构上的不同；

（4）桩孔回填，对桩孔采用适合地层需要的材料进行回填，以保证矩形截面排桩周边土体的稳定，回填材料为低标号混凝土、砂石及高分子材料；

（二）型钢冠梁的具体施工步骤如下：

（1）型钢冠梁的加工：根据基坑形状和设计，精确加工桩顶型钢冠梁及冠梁安装孔的打孔处理，必要时采用机械拉弯加工工艺，以方便型钢冠梁的螺栓连接；

（2）型钢冠梁的拼接安装：单排桩或者双排桩施工完毕后，基坑开挖前，首先采用水准仪对型钢冠梁的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用高强螺栓对型钢冠梁与排桩顶部进行固定连接；

（三）钢面板安装，其具体施工步骤如下：

（1）分层分段开挖基坑内部土方，每层开挖深度控制在0.5m左右，采用人工方法进行清理排桩或前排装附近的土体，分层分段施工；

（2）在清理后的排桩侧壁安装钢面板，具体实施步骤如下：

a.钢面板加工：首先按排桩间距、适合人工操作的高度确定钢面板尺寸，对钢面板进行裁剪及打孔加工，若采用螺丝固定钢面板，需提前对钢面板进行打孔处理；若采用焊接工艺，则应在焊接前对焊接部位进行除锈清洁处理；

b.钢面板安装：安装前，采用水准仪对钢面板进行定位与校正，随后根据设计和施工需要，采用螺丝连接或者焊接工艺进行钢面板安装，将钢面板牢固的固定在型钢护坡桩上；

c.钢面板后注浆：为保证钢面板与侧壁土体紧密结合防止桩侧土体的蠕变，在钢面板背后注入快速膨胀硬化的高聚物材料，形成具有一定强度和韧性的薄层高聚物层状结构，既可控制侧壁土体的过大变形，也能防止接缝渗漏；

（四）依次竖向分层分段开挖；

（五）重复步骤（三）、（四），施工至设计的基底标高，即完成柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的施工；

（六）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填工作的开始，便可进行回收阶段的工作，具体回收步骤如下：

（1）随基坑回填工作的进展，首先回收下部钢面板；

（2）逐层回填夯实、逐层拆除回收对应部位的钢面板；

（3）排桩顶部型钢冠梁拆除回收；

（4）吊车配合液压千斤顶完成对矩形截面排桩拔出回收。

与现行的支护技术相比，本发明具有以下优点：

（1）本专利技术提出的新型支护结构的使用功能很好的体现了基坑工程的本质特点：安全可靠、技术先进、经济指标优越。基坑工程作为保证地下主体结构施工的而采取的临时安全措施，安全可靠是首要因素，技术先进、经济指标优越是区分与评价支护结构优劣的可靠标准。

（2）材料特性发挥完美，充分将钢材的力学及加工性能；矩形截面横向抗弯刚度较大，更适应基坑开挖所产生的力学特性；高聚物材料的快速膨胀、防渗性能结合起来；结构传力受力方式明确、结构安全可靠。有效的克服了传统支护桩施工工艺带来的结构局部强度弱化的缺陷。

（3）构件采用机械精确加工，进行标准化生产。本专利技术提出的基坑支护结构体系中的钢质矩形截面排桩、钢面板、桩顶型钢冠梁均采用标准化的生产工艺进行机械精确加工，同时通过施工环节对工艺的精确控制，将安装精度控制在毫米级，便于安装的同时，也便于回收重复利用，因而对于一类问题，也就实现了标准化的设计与施工。

（4）施工快捷，不需养生。矩形截面排桩、钢面板、桩顶型钢冠梁等已工厂化生产，在现场按施工顺序连续作业，施工快捷，不需养生。高聚物材料在反应后15分钟内即形成90%左右的强度、韧性及抗渗性能，与传统的支护结构体系相比，可节省50%以上的施工工期。

（5）本专利提供同一套的支护结构可满足在一定深度范围内、周边环境各异的基坑支护设计与施工任务。

（6）综合经济环保效益更具优势。与传统支护技术相比，柔性复合防渗可回收支护结构的最大特点是施工期间，可减少泥浆、粉尘、砼等对环境的污染，基坑使用阶段安全可靠，同时后续回收价值高，且可重复使用，并节省了大量的施工工期。

因此，本发明研发的柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的设计施工方法，在基坑、边坡、地铁站口、市政管道开挖等项目施工过程中具有明显优势。与现行的支护技术相比，柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的设计施工方法又是一整套全新的技术，主要表现在：

（1）全新的支护结构设计理念：在基坑支护结构中，从基坑工程的本质出发，首次提出柔性复合的设计理念，并在基坑支护结构体系中引入机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，改变了过去每一个项目的支护结构独立设计并在发挥完使用功能即被遗弃的局面，本支护结构采用了标准化的设计与施工，对同一类问题，可以采用一种解决模式，简化了设计与施工过程，在发挥完使用功能后，可实现支护结构的高效回收和重复利用，真正体现出基坑工程作为临时安全措施的本质特点。

（2）柔性复合装配式可回收矩形截面排桩支护结构体系受力分工明确：高聚物材料形成的韧性良好的薄层结构很好的发挥了“柔”的作用，填充且弥合了支护结构与侧壁土体之间的刚度差异，使得排桩结构与侧壁土体的变形协调，并同时起到防渗和控制土体的侧向蠕变作用；排桩支护结构发挥“刚”的作用，土压力通过钢面板由排桩、桩顶型钢冠梁承担，结构受力合理，材料力学特性发挥充分。承担土压力的构件本身具备材质均匀，各向同性，力学指标明确，结构更合理可靠。

（3）施工标准化程度高：柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构体系中的钢质矩形截面排桩、钢面板、型钢冠梁等可实现机械化精确加工，现场通过独立设计的平面定位矫正平台，将支护结构中最关键的钢质矩形截面排桩的桩位精度提高到毫米级别，便于后续各项工作的标准化快速安装，也便于后期回收和结构的重复使用。

（4）边坡侧壁防渗效果明显，针对性强。在基坑土方开挖过程中，通过开挖过程的直接揭露，利用高聚物材料在侧壁土体和结构体系之间的快速膨胀，形成具有韧性及防渗滞水功能的高聚物薄层结构，同时利用高聚物材料在膨胀过程中对侧壁土体的软弱部位进行补强，使得支护结构与周围土体结合相对紧密，不存在明显的薄弱环节。

（5）结构回收率高、重复利用率高：柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构体系的绝大部分构件均为标准化生产的钢构件，不仅回收率高，而且回收价值高；同时，回收后的支护构件也能在后续同一类支护项目的多次周转使用。

综上所述，本发明无论从支护结构的设计理念、受力机理、标准化施工、侧壁防渗处理效果还是结构体系的回收重复利用价值等方面都和现行的支护技术具有明显的不同，具有安全可靠、施工快捷、技术先进、可回收重复利用、经济指标优越等优点，并成功应用于基坑支护工程，发展应用前景可观。

附图说明

图1矩形截面排桩加工节点大样图。

图2矩形截面排桩构造剖面图。

图3矩形截面排桩填充效果图。

图4钢面板安装节点大样图。

图5柔性复合防渗矩形截面排桩支护结构平剖图。

图6柔性复合防渗矩形截面排桩支护结构剖立面图。

图7柔性复合防渗矩形截面排桩支护结构完成后的立面图。

附图备注：1-矩形截面排桩，2-冠梁安装固定孔，3-吊装孔，4-回收钢缆，5-地面，6-桩孔，7-后桩，8-回填材料，9-型钢冠梁，10-螺栓，11-钢面板，12-螺丝，13-高聚物材料，14-基底。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的设计施工方法，其特征在于，在基坑支护结构设计中，从基坑工程的本质出发，首次提出柔性复合的设计理念，并引入机械精确制造、现场装配标准化生产的思想，根据相关资料完成设计工作后，先工厂预制加工所需支护构件，再进行支护结构的现场装配施工；基坑回填过程中，支护结构同步拆除回收，且可重复利用及标准化设计施工。施工过程具体包括如下步骤：

（一）矩形截面排桩施工，其具体步骤如下：

（1）矩形截面排桩1加工：根据设计计算结果，采用钢材在工厂进行预制加工成矩形截面排桩，在矩形截面排桩的顶部、桩身对应位置进行冠梁安装固定孔2、后期回收用的吊装孔3加工，并穿入回收钢缆4，如图1所示。根据设计需要，矩形截面排桩支护结构可采用单排桩支护结构，也可以采用双排桩支护结构。

（2）排桩成孔施工：在指定地面位置5，利用桩机进行支护排桩的成孔施工，施工过程中严格控制成孔精度，包括平面定位精度和桩孔垂直精度。

（3）植入矩形截面排桩：利用吊车、独立设计的平面定位矫正平台，精确的将矩形截面排桩植入确定的桩孔6位置，满足设计的定位精度要求。当采用双排桩支护结构时，控制好前排桩1、后桩7在结构上的不同。

（4）桩孔回填，对桩孔采用适合地层需要的材料进行回填，以保证矩形截面排桩周边土体的稳定，回填材料8可以为低标号混凝土、砂石及高分子材料等，如图2、图3所示。

（二）型钢冠梁的具体步骤如下：

（1）型钢冠梁9的加工：根据基坑形状和设计，精确加工桩顶型钢冠梁及冠梁安装孔的打孔处理，必要时采用机械拉弯加工工艺，以方便型钢冠梁的螺栓10连接。

（2）型钢冠梁的拼接安装：单排桩或者双排桩施工完毕后，基坑开挖前，首先采用水准仪对型钢冠梁的标高进行控制，紧接着用吊车对其位置进行初步固定，最后采用高强螺栓对型钢冠梁与排桩顶部进行固定连接。

（三）钢面板11安装，其具体施工步骤如下：

（1）分层分段开挖基坑内部土方，每层开挖深度控制在0.5m左右，采用人工方法进行清理排桩或前排装附近的土体，分层分段施工。

（2）在清理后的排桩侧壁安装钢面板，具体实施步骤如下：

a.钢面板加工：首先按排桩间距、适合人工操作的高度确定钢面板尺寸，对钢面板进行裁剪及打孔加工。若采用螺丝12固定钢面板，需提前对钢面板进行打孔处理；若采用焊接工艺，则应在焊接前对焊接部位进行除锈清洁处理。

b.钢面板安装：安装前，采用水准仪对钢面板进行定位与校正，随后根据设计和施工需要，采用螺丝连接或者焊接工艺进行钢面板安装，将钢面板牢固的固定在型钢护坡桩上，如图4所示。

c.钢面板后注浆：为保证钢面板与侧壁土体紧密结合防止桩侧土体的蠕变，在钢面板背后注入快速膨胀硬化的高聚物材料13，形成具有一定强度和韧性的薄层高聚物层状结构，既可控制侧壁土体的过大变形，也能防止接缝渗漏，如图5所示。

（四）依次竖向分层分段开挖，

（五）重复步骤（三）、（四），施工至设计的基底14标高，即完成柔性复合防渗装配式可回收矩形截面排桩支护结构的施工，如图6、图7所示。

（六）支护结构完成使用功能后，随着基坑回填工作的开始，便可进行回收阶段的工作，具体回收步骤如下：

（1）随基坑回填工作的进展，首先回收下部钢面板11。

（2）逐层回填夯实、逐层拆除回收对应部位的钢面板。

（3）排桩顶部型钢冠9梁拆除回收。

（4）吊车配合液压千斤顶完成对矩形截面排桩拔出回收。

显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。