一种在基坑施工时保护周边土体或建筑物的方法
【专利摘要】本发明公开了一种在基坑施工时保护周边土体或建筑物的方法，具体方案为：在基坑和被保护建筑物之间的土体中布设注浆管和监测点，在基坑开挖和地下结构施作过程中，用注浆泵以高压将压注料充填至土体中，从而填充坑外土体的空间增大，补充坑外土体的物料不足和压力损失，强制改变坑外土体的形变趋势和应力分布，将被保护建筑物及其周边土体形变值控制在设计和规范要求范围内。本发明可以实现对基坑周边土体或建筑物的保护，且方法简单、操作方便、成本低廉、过程可控、效果可靠、适用广泛、效益巨大。本发明解决了现在基坑设计和施工中为保护周边建筑物通常采取的措施成本高、工期长、方案复杂、效果差、效费比低的问题。
【专利说明】
一种在基坑施工时保护周边土体或建筑物的方法
技术领域
[0001]本发明涉及建筑的设计、施工领域，特别是涉及一种在建筑基坑开挖和地下结构施作时保护周边土体或建筑物的方法。
[0002]为叙述方便，在本文中，将“竖向位移(一般是沉降)、水平位移、变形”简称为“形变”；将“地面、道路、桥梁、隧道(洞)、堤(坝)、建(构)筑物、管线以及它们的基础或附属设施”简称为“建筑物”；将“开裂、倾斜、破损、断裂、倒塌、渗漏水、安全或质量级别的降低、耐久性降低、影响使用功能、增加保养维修成本、报废”简称为“损害”；文中所述的“基坑施工”，指的是基坑的开挖施工过程以及后续的地下结构施作过程，即从基坑开始开挖至地下结构完成使基坑基本稳定的阶段。
【背景技术】
[0003]在现代工业建筑、民用建筑、交通、市政等各种土木工程中，广泛需要开发地下空间。地下空间用途广泛，例如可以用于建地下车库、各种地下车站、各种地下隧道(洞)、河道、人防设施、各种管线，可以用于安装设备、作为商业场所或办公场所等。地下空间的开发通常是分为基坑开挖和地下结构施作两个步骤完成。
[0004]基坑施工需要将坑内土体挖除，造成卸载效应，会破坏基坑内和基坑外的水、土的压力的原有平衡，从而导致周边土体的形变，或土体中水的运动，从而引起周边的建筑物的形变，严重时引起建筑物的损害。因基坑施工造成的周边土体的形变和建筑物的损害的工程案例很多，给国家和人民的生命、财广造成重大损失。
[0005]很多类工程，例如地铁、道路、桥梁、铁路、多种管线、各种建筑等制定了保护条例，以避免周边的基坑施工造成对自身建筑物的损害，要求在自己工程一定距离内的施工需进行报批。例如，轨道交通地下车站和地下隧道50米范围内为保护区范围，凡在保护区内进行工程施工的均需得到轨道交通部门的批准。
[0006]为了保证基坑的安全和变形受控，一般设计有维持基坑稳定的支护结构，例如钻孔粧、钢粧、各种挡土墙、锚杆、地下连续墙等，大的基坑设计有内支撑，并辅之以土体加固、降水、监测等手段。其中监测项目有对土体的形变、围护结构的形变、建筑物的形变以及水、土压力、支撑内力等进行的监测。
[0007]但以往的基坑设计，以保证基坑自身稳定为主要目的，较少考虑对周边建筑物的影响。近年来，随着城市建设和国民经济的快速发展，基坑规模越来越大，基坑数量越来越多，且周边环境越来越复杂，周边建筑物越来越多，因基坑施工造成的周边环境和建筑物的损害事件越来越多，已引起了政府、建设、设计、施工等各方的极大重视。
[0008]为保护周边环境及建筑物，使其形变尽可能小以防止损害，现在的基坑设计和施工中常用的措施有:
[0009]1、将临近被保护建筑物的基坑划分成更小的基坑，从而增加整体刚度，加快施工进度，减小土体和建筑物的形变；
[0010]2、增加支护结构的刚度，例如加大围护粧直径，加大地下连续墙的厚度，以刚度更高的地下连续墙替换刚度较小的钻孔粧，对坑内土体和基坑基底土体进行加固(若原来没有)或进一步加强、加密、加厚(若原来有)，增加内支撑的尺寸以增加刚度，以刚度更大的支撑替换刚度较小的支撑；
[0011 ] 3、在基坑和被保护建筑物之间增设隔离粧、隔离墙；
[0012]4、对坑外土体进行加固；对坑外土体进行地下水回灌，以减少土体因失水固结造成的沉降；
[0013]5、在被保护建筑物附近的基坑和地下结构，对其规模进行缩减；
[0014]6、增加监测项目、监测点、监测频率，加密巡查；
[0015]7、加强施工管理，加快工程进度；
[0016]8、强化应急预案、应急物资的准备；
[0017]9、其他方法。
[0018]按以上所述的措施强化的基坑设计方案，以及增加的施工、管理手段，将造成基坑工程量和造价极大幅度地增加，效费比极低，成本高昂，代价巨大，耗费大量人力、物力、财力，方案的设计、论证、审批以及其中的沟通、协调工作量非常大，过程漫长，程序繁琐，但收效并不理想，常引发复杂和旷日持久的责任、法律、经济纠纷，耗费巨大。而基坑以及支护结构等均为临时结构，一旦地下结构施工完成，基坑和支护结构就被废弃，形成天文数字的巨大浪费，极大地增加社会成本，并在地下遗留下大量障碍物，为地下空间的后续利用制造更大的困难。即使这样，仍有可能不能收到满意的效果。
【发明内容】
[0019]本发明所要解决的问题是:为保护基坑周边土体或建筑物，现在基坑设计和施工中通常采取的措施，成本高，工期长，方案复杂，保护周边环境、土体和建筑物的效果差，效费比极低。
[0020]本发明解决上述问题所采用的技术方案为:在基坑和被保护建筑物之间的土体中布设注浆管，在土体中和被保护建筑物上布置监测点(一般设计和施工方案中已有监测点，若不够则增设)，在基坑开挖和地下结构施作过程中，根据基坑开挖和地下结构施作进度、监测数据和现场巡查的情况，制定具体压注方案(确定压注时间、位置、数量等)，用注浆栗以高压将压注料充填至土体中，从而填充因基坑内土体挖除、卸载、围护结构向坑内位移造成的坑外土体的空间增大，补充坑外土体的物料不足和压力损失，强制改变坑外土体的形变趋势和应力分布，将被保护建筑物及其周边土体形变值控制在设计和规范要求范围内，所述的压注料的性质要求不严格，一般可以将土、水、水泥或其他掺和料(例如砂、粉煤灰、石灰、矿渣)按一定比例混合，搅拌均匀，使其成软塑性、流塑性至半流体状，以便于压注料的注入，建议压注料的干密度宜不小于原状土，28天后的粘聚力、内摩擦角和无侧限抗压强度指标宜不小于原状土，但也可以采用高质量、高强度的注浆材料或混合料。
[0021]本发明可以实现对基坑周边土体和建筑物的保护，且方法简单、操作方便、成本低廉、过程可控、效果可靠，效费比高，对不同类型的基坑、不同类型的建筑物及不同类型的地质条件具有广泛的适用性，经济效益和社会效益十分巨大，可以极大地降低基坑施工中为保护周边建筑物所需额外付出的社会成本。
【附图说明】
[0022]图1是本发明实施例的平面示意图，图2为本发明实施例的A-A剖面图。图1和图2中各编号意义为:1-注浆管;2-注浆栗;3-土体水平位移监测点;4-土体沉降监测点；5-既有隧道;6-隧道水平位移和沉降监测点；7-基坑;8-地下连续墙;9-砼支撑；10-原地面；11-基坑底面；12-地下连续墙墙底；13-注浆管与基坑之间的土体；14-既有隧道与注浆管之间的土体;15-基坑左侧土体。
【具体实施方式】
[0023]以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
[0024]如图所示，图1为工程平面图，图2为A-A剖面图。将要施工的基坑(7)，设计有支护结构地下连续墙(8)和支撑(9)，基坑深至基坑底面(11)，地下连续墙(8)深至地下连续墙墙底(12)。基坑所处场地原地面(10)如图2所示。在基坑(7)开挖和地下结构施作过程中，需要保护既有隧道(5)。
[0025]为在基坑(7)的施工过程中保护既有隧道(5)，在基坑(7)和既有隧道(5)之间的土体中埋设一排注浆管(I)，在注浆管(I)与既有隧道(5)之间，布置一排土体水平监测点(3)和一排土体沉降监测点(4)，在既有隧道(5)中布置一排隧道水平位移和沉降监测点(6)( —般设计和施工方案中已有监测点，若不够则增设)，备好注浆栗(2)和压注料。
[0026]在基坑(7)开挖及地下结构施作过程中，因基坑(7)内土体被挖除，基坑(7)内的土压力减小，则地下连续墙(8)有向基坑(7)内部位移的趋势，同时支撑(9)承受压力，基坑(7)内未被挖除的土体和基坑基底土体有向上隆起的趋势，基坑(7)外土体有向基坑方向水平位移的趋势，且有向下沉降的趋势，例如，基坑左侧土体(15)有向右水平位移的趋势和向下沉降的趋势，导致土体形变，基坑左侧土体(15)将带动既有隧道(5)向右水平位移和向下沉降，严重时将导致既有隧道(5)损害。
[0027]为保护既有隧道(5)，需防止或减小其水平位移量和沉降量，为此，在基坑开挖和地下结构施作过程中，通过土体水平位移监测点(3)、土体沉降监测点(4)、隧道水平位移和沉降监测点(6)，持续监测土体形变量和隧道形变量，并根据施工进度、监测数据和现场巡查情况，制定具体压注方案(确定压注时间、位置、数量等)，再通过注浆管(I)，用注浆栗(2)向基坑与既有隧道之间的土体以高压注入压注料，从而填充因基坑(7)内土体挖除、卸载、围护结构地下连续墙(8)向坑内位移造成的基坑左侧土体(15)的空间增大，补充基坑左侧土体(15)的物料不足和压力损失，强制改变基坑左侧土体(15)的形变趋势和应力分布，以确保土体水平位移监测点(3)、土体沉降监测点(4)、隧道水平位移和沉降监测点(6)的形变数值不超过设计和规范要求，最理想状态是这些数据变化均接近于零。压注料未在图中示出，一般来说，本发明的方法对压注料的要求不严格，一般可以将土、水、水泥或其他掺和料(例如砂、粉煤灰、石灰、矿渣)按一定比例混合，搅拌均匀，使其成软塑性、流塑性至半流体状，以便于压注料的注入，建议压注料的干密度宜不小于原状土，28天后的粘聚力、内摩擦角和无侧限抗压强度指标宜不小于原状土，但也可以采用高质量、高强度的注浆材料或混合料。
[0028]在用注浆栗(2)通过注浆管(I)以高压向土体中注入压注料时，压注料从注浆管(I)下口挤出，并向所有方向膨胀推挤，具体如下:
[0029]1、在注浆管下口的右边，压注料将注浆管与基坑之间的土体(13)向右推挤，加剧其向右水平位移的趋势，加大了该土体对基坑支护结构的作用力；
[0030]2、在注浆管下口的左边，压注料将既有隧道与注浆管之间的土体(14)向左推挤，可以减缓、抵消该部分土体向右水平位移的趋势，甚至可能将该土体向左方推挤，从而使既有隧道(5)向右位移的趋势受到抑制，起到保护既有隧道(5)的作用；
[0031]3、在注浆管下口的上方，压注料将基坑左侧土体(15)向上推挤，可使该土体的沉降趋势受到抑制，甚至可能使该土体隆起；
[0032]4、在注浆管下口的下方，压注料推挤下面土体下沉，可能增加基坑内的土体隆起值，可能增加地下连续墙(8)下部份的水平位移值；
[0033]5、在注浆管下口的前方和后方，压注料也会膨胀推挤土体；
[0034]6、总体上，压注料起到对基坑左侧土体(15)补料补压的作用，通过高压膨胀推挤，对基坑左侧土体(15)的三维应力分布和三维形变分布进行强制重排，抑制既有隧道(5)及其周边土体的水平位移和沉降，从而起到保护既有隧道(5)的作用。
[0035]本发明实施时的注意事项:
[0036]1、压注料的注入会造成对基坑支护结构施加更大的压力，使其形变增大，增加基坑风险，应在设计方案中对基坑支护结构的强度和刚度适当加强，并加强施工过程管理，防止超挖、少支、坑边堆载等违规情况。如果基坑围护结构为粧，因粧与粧之间不密贴，粧间土可能被推挤出，增加基坑漏水、坍塌风险，建议用地下连续墙替换围护粧。对于地下结构与围护结构密贴的基坑，应增加围护结构的外放量减小侵限的可能性。
[0037]2、压注料的过量注入会造成对被保护建筑物或土体的反向过量推挤，从而使建筑物产生向远离基坑方向的形变，或导致被保护建筑物或土体隆起，严重时也会对建筑物造成损害，应防止此种情况发生。压注料的压力是逐步向各个方向耗散的，反映到监测点的数值会有时滞效应，应在具体实施时通过实测探明各影响因素的相关关系。
[0038]3、如果基坑围护结构和地下结构之间有空槽，则地下结构完成后，应将此槽回填密实。
[0039]4、一般来说，地下结构完成后，基坑及周边土体和建筑物就逐渐趋于稳定，但建议将监测点及注浆管仍保留一段时间，对后续的变化情况再持续监测和观察一段时间为佳，如有异常，可采取措施。压注料的高压注入会对坑外土体产生膨胀、挤压、扰动，可能导致土体的压缩、排水固结或原有土体结构的破坏，但当压注料的高压逐步扩散消耗，土体即趋于稳定，不必担心土体被扰动后还有更多或长期的不利影响。
[0040]5、注浆管布设后应将管外侧与土体之间的缝隙封闭；应采取措施防止注浆管堵塞，例如，可在每次压注作业完成后再注入一定量的清水。
[0041]本发明保护既有建筑物的方法不同于对基坑外土体进行地下水回灌。为保护周边建筑物，防止基坑施工造成基坑外地下水水位下降，造成土体固结沉降，在基坑施工中，可以对基坑外土体进行地下水回灌，但此方法不能补充土体的固体颗粒，也不能补充土体的压力损失。
[0042]本发明保护既有建筑物的方法不同于对基坑外土体加固的方法。为保护周边建筑物，在工程实践中，可以在基坑施工前对基坑外土体进行加固(例如注水泥浆、高压喷射注浆法、深层搅拌法等)，在养护一段时间后，基坑外土体强度、刚度和抗渗性能大幅提高，抗形变和抗破坏能力大幅提高，然后再进行基坑施工，可以起到保护周边建筑物的作用。而本发明的方法实施于基坑施工过程中，虽然采用高质量、高强度的注浆材料也可以，但一般来说，不需要采用高质量、高强度的注浆材料或混合料，本发明的方法并不需要对土体产生加固作用，仅对土体进行补料补压即可起到保护作用。
[0043]下面是一个真实的具体工程案例。宁波某基坑长210米，宽100米，深16米，长边紧邻宁波轨道交通地下车站。为保护车站，基坑采用分坑开挖施工，将一个大基坑先分成5个小基坑，其中靠近车站的一个长条形小基坑再划分成5个更小的坑，支护结构和土体加固加强，最终设计方案复杂，施工过程繁琐，增加工程费I亿多元，方法十分笨拙。若采用本发明的方法，可以布设15根注浆管，5台注浆栗，工作人员20人，基坑施工按12个月考虑，总增加费用在200万元以下可以完成，仅为分坑开挖方案所增加费用的2%。即使因为压注料的注入会造成对基坑支护结构施加更大的压力，使其形变增大，增加基坑风险，因此在设计方案中对基坑支护结构的强度和刚度进行一定程度的加强，增加费用仍然仅仅是分坑开挖方案所增加费用的一个零头。
[0044]本发明的最佳实施例已被阐明，由本领域普通技术人员做出的各种变化或改型都不会脱离本发明的范围。
【主权项】
1.一种在基坑施工时保护周边土体或建筑物的方法，其特征在于，在基坑与被保护建筑物之间的土体中布设注浆管，在土体中和被保护建筑物上布置监测点，在基坑开挖和地下结构施作过程中，根据基坑开挖和地下结构施作进度、监测数据及现场巡查的情况，确定压注时间、位置、数量，用注浆栗以高压将压注料充填至土体中，从而填充因基坑内土体挖除、卸载、围护结构向坑内位移造成的坑外土体的空间增大，补充坑外土体的物料不足和压力损失，强制改变坑外土体的形变趋势和应力分布，将被保护建筑物及其周边土体形变值控制在设计和规范要求范围内。2.根据权利要求1所述的方法，本方法中对所采用的压注料的性质要求不严格，一般可以将土、水、水泥或其他掺和料按一定比例混合，搅拌均匀，使其成软塑性、流塑性至半流体状，以便于压注料的注入，压注料的干密度宜不小于原状土，28天后的粘聚力、内摩擦角和无侧限抗压强度指标宜不小于原状土，但也可以采用高质量、高强度的注浆材料或混合料。
【文档编号】E02D3/12GK105926633SQ201610200456
【公开日】2016年9月7日
【申请日】2016年3月25日
【发明人】曹信江
【申请人】曹信江