一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系及其施工方法

本发明属于基坑支护技术领域，具体涉及一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系及其施工方法。

背景技术：

近年来伴随我国经济快速发展，城市高层建筑增多同时建筑物间距减小，结构物的基坑变形控制条件变得更为严苛，在满足变形要求的前提下，往往还需进一步降低成本，这些都对设计人员提出了新的要求，多种新型基坑支护手段也应运而生。除了传统的内支撑支护、锚桩结构支护、悬臂式支护等，斜桩型基坑支护由于其施工工期较短、工艺简单、每延米造假低、适用基坑深度较深、斜桩支撑设置在基坑内测不出红线等优点，正日益受到设计人员的关注。现有的斜桩基坑支护手段大多数采用拼接式预制砼方桩，预制砼方桩承载能力较好，但预制工艺复杂并且在实际施工过程中，斜桩打桩机械施工作业范围要求基坑开挖边线与用地红线之间距离至少为5m，设计人员由于未关注斜桩打桩机械施工作业范围，使其与基坑开挖边线和用地红线之间距离产生矛盾，一部分斜向预制砼方桩基坑方案不能正常施工而造成一定量基坑围护设计方案修改问题。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提供一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系及其施工方法。该支护体系通过预制钢桩拼接成基坑支护结构与回灌混凝土共同满足桩基承载力设计值要求，本发明作为一种新型基坑支护体系，可以解决斜桩打桩机械施工作业范围要求基坑开挖边线与用地红线之间距离至少为5m的限制，可以避免设计人员由于未关注斜桩打桩机械施工作业范围而造成斜向预制砼方桩基坑围护设计方案修改的问题，并且预制钢桩预制工艺简单、施工工期短，基坑完工后，上部分钢桩切割后可以重复利用，具有显著的经济价值。

为实现上述目的，本发明采用下述技术方案：设计一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系，其特征在于，该支护体系由基坑围护结构、斜向预制钢桩、桩顶冠梁、回灌混凝土组成；基坑围护结构的顶端与斜向预制钢桩的顶端浇筑在桩顶冠梁中；斜向预制钢桩中填充有回灌混凝土，其下端内置于土层设计标高处，且斜向预制钢桩与基坑围护结构之间呈锐角；斜向预制钢桩的下端由密封钢板密封，密封钢板上预留有一定数量的通孔；斜向预制钢桩沿基坑围护结构的长度方向间隔设置若干数量。

进一步的，本发明设计一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系施工方法，其特征在于，该方法采用如上所述的支护体系，并采用下述施工步骤：

步骤一：根据基坑稳定性验算、围护结构承载力及变形计算、构件承载力验算、降水要求、土方开挖技术要求、检测要求、监测要求得到满足桩基承载力设计值要求的斜向预制钢桩尺寸、相邻斜向预制钢桩间距以及需要安装的斜向预制钢桩的数量，将符合要求的预制单钢桩运输至施工现场；

步骤二：在基坑开挖边线之外的800mm～1000mm处施工基坑围护结构；

步骤三：基坑围护结构施工完成后，将预制单钢桩按照施工设计长度要求通过焊接或者法兰连接形成一个整体，形成斜向预制钢桩，其底端由带有一定数量直径为50mm的通孔的密封钢板密封；

步骤四：将冲孔打桩机移动到待施工的位置，启动其动力装置，根据施工图纸调整冲孔打桩机钻头施工角度，冲孔打桩机在桩顶冠梁标高位置处斜向钻孔切割土体、清孔，当打孔深度达到设计值时停止钻孔；然后吊放斜向预制钢桩到孔内，并将其压入到土层设计标高；

步骤五：将搅拌均匀的混凝土沿着斜向预制钢桩的回灌混凝土浇筑端灌入到斜向预制钢桩内；

步骤六：冲孔打桩机移位，重复步骤四和步骤五，按顺序施工下一根斜向预制钢桩，直至所有的斜向预制钢桩施工完毕；

步骤七：待斜向预制钢桩中的混凝土强度等级达到设计强度的70％后，将基坑围护结构的顶端、斜向预制钢桩的顶端整体浇筑在桩顶冠梁中；

步骤八：待桩顶冠梁内的混凝土强度等级达到设计强度的70％后，斜向预制钢桩基坑支护体系施工完毕，即可进行基坑内土体开挖。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1、本技术可以解决斜桩打桩机械施工作业范围要求基坑开挖边线与用地红线之间距离至少为5m的限制，避免设计人员由于未关注斜桩打桩机械施工作业范围而造成斜向预制砼方桩基坑围护设计方案修改的问题。

2、预制钢桩支撑可以实现基坑土方敞开式开挖、不留反压土，避免常规放坡开挖占用场地面积大的问题。

3、斜向预制钢桩底端由钢板密封并预留一定数量的通孔，一方面可以保护斜向预制钢桩在压入土层的过程中，斜向预制钢桩下端不被杂填土填实，使混凝土充分灌入到斜向预制钢桩内，另一方面灌入的混凝土可以通过预留通孔渗出，在斜向预制钢桩底部和周围土体形成一个混凝土包裹体，有效增强了斜向预制钢桩的抗压性能以及土体摩擦力。

4、斜向预制钢桩预制工艺简单、施工工期短，基坑完工后，上部分钢桩切割后可以重复利用，具有施工简单、效率高、节约成本等优点。

附图说明

图1为本发明一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系一种实施例的剖面结构示意图。

图2为本发明一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系一种实施例的密封钢板结构示意图。

图3为本发明一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系一种实施例的应用场景示意图。

其中，1—基坑围护结构，2—斜向预制钢桩，3—桩顶冠梁，4—回灌混凝土，5—密封钢板，6—混凝土包裹体，7—回灌混凝土浇筑端。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系(简称支护体系，参见图1-3)，该支护体系由基坑围护结构1、斜向预制钢桩2、桩顶冠梁3、回灌混凝土4组成。基坑围护结构1的顶端与斜向预制钢桩2的顶端浇筑在桩顶冠梁3中；斜向预制钢桩2中填充有回灌混凝土4，其下端内置于土层设计标高处，且斜向预制钢桩2与基坑围护结构1之间呈锐角。斜向预制钢桩2的下端由密封钢板5密封，密封钢板5上预留有一定数量的通孔。斜向预制钢桩2沿基坑围护结构1的长度方向间隔设置若干数量。

基坑围护结构1常规宜选择钻孔灌注桩、型钢水泥土搅拌墙、钢管水泥土搅拌墙，但本发明不局限于上述基坑围护形式，也包括双排桩、预制桩等基坑围护形式。

斜向预制钢桩2与基坑围护结构1呈30°～50°角度设置，斜向预制钢桩2为多节预制单钢桩，通过焊接或者法兰连接形成一个整体，所述预制单钢桩的长度为6m～18m，预制单钢桩的截面形式为圆形或者正方形，圆形直径为ф400mm、ф500mm、ф600mm，正方形边长为300mm、350mm、400mm、450mm、500mm、550mm、600mm。

斜向预制钢桩2底端由密封钢板5密封，密封钢板5上预留一定数量直径为不大于50mm的通孔，一方面钢桩底端钢板密封可以保护斜向预制钢桩在压入土层的过程中，斜向预制钢桩下端不被杂填土填实，使混凝土充分灌入到斜向预制钢桩内，另一方面灌注的混凝土可以通过预留通孔渗出，在斜向预制钢桩底部和周围土体形成一个混凝土包裹体6，有效的增强了斜向预制钢桩的抗压性能以及土体摩擦力，

斜向预制钢桩2和回灌混凝土4共同满足桩基承载力设计值要求，桩基承载力设计值应满足基坑稳定性验算、围护结构承载力及变形计算、构件承载力验算、降水要求、土方开挖技术要求、检测要求、监测要求，保证填充满回灌混凝土的斜向预制钢桩桩底位于稳定的持力层内，并且在正式施工期应进行工艺试验—预制钢桩抗压荷载试验，确保单桩承载力、预制钢桩变形满足设计要求。

在基坑开挖边线退后800mm～1000mm施工基坑围护结构1，基坑围护结构1施工完成后，按施工设计长度要求将单根预制钢桩通过焊接或者法兰连接形成一个整体，斜向预制钢桩2底端由密封钢板5密封并预留一定数量直径为不大于50mm的通孔，同时，冲孔打桩机移动到待施工的位置，启动动力装置，根据施工图纸调整冲孔打桩机钻头施工角度，冲孔打桩机在桩顶冠梁标高位置处斜向钻孔切割土体、清孔，吊放焊接成整体的斜向预制钢桩2直至压入到土层设计标高后，将搅拌均匀的混凝土沿着回灌混凝土浇筑端7灌入到斜向预制钢桩2内，直至所有的预制钢桩施工完毕，待斜向预制钢桩2中的回灌混凝土4强度等级达到设计强度的70％后，将基坑围护结构1、斜向预制钢桩2的顶端整体浇筑在桩顶冠梁3中，待桩顶冠梁内的混凝土强度等级达到设计强度的70％后，形成斜向预制钢桩基坑支护体系。

本发明还提供一种先撑后挖的斜向预制钢桩基坑支护体系施工方法，该方法采用上述的支护体系，并采用下述施工步骤：

步骤一：根据基坑稳定性验算、围护结构承载力及变形计算、构件承载力验算、降水要求、土方开挖技术要求、检测要求、监测要求得到满足桩基承载力设计值要求的斜向预制钢桩2尺寸、相邻斜向预制钢桩2间距以及需要安装的斜向预制钢桩2的数量，将符合要求的预制单钢桩运输至施工现场；

步骤二：在基坑开挖边线之外的800mm～1000mm处施工基坑围护结构；

步骤三：基坑围护结构施工完成后，将预制单钢桩按照施工设计长度要求通过焊接或者法兰连接形成一个整体，形成斜向预制钢桩2，其底端由带有一定数量直径为50mm的通孔的密封钢板密封；

步骤四：将冲孔打桩机移动到待施工的位置，启动其动力装置，根据施工图纸调整冲孔打桩机钻头施工角度，冲孔打桩机在桩顶冠梁标高位置处斜向钻孔切割土体、清孔，当打孔深度达到设计值时停止钻孔；然后吊放斜向预制钢桩2到孔内，并将其压入到土层设计标高；所述冲孔打桩机的打孔深度(孔斜向长度)比斜向预制钢桩2的长度长1m。

步骤五：将搅拌均匀的混凝土沿着斜向预制钢桩2的回灌混凝土浇筑端7灌入到斜向预制钢桩2内；

步骤六：冲孔打桩机移位，重复步骤四和步骤五，按顺序施工下一根斜向预制钢桩2，直至所有的斜向预制钢桩2施工完毕；

步骤七：待斜向预制钢桩2中的混凝土强度等级达到设计强度的70％后，将基坑围护结构的顶端、斜向预制钢桩2的顶端整体浇筑在桩顶冠梁中；

步骤八：待桩顶冠梁内的混凝土强度等级达到设计强度的70％后，斜向预制钢桩基坑支护体系施工完毕，即可进行基坑内土体开挖。

斜向预制钢桩2内混凝土强度等级达到设计强度70％的现场判定方法参考：

1)试块法：施工时把拌制好的混凝土倒入规定的立方体试模内，经震动或插捣成型，按规定的温度及湿度进行养护28天后，进行试压强度试验，以150mm立方体试件为标准件，按照《混凝土强度评定标准》里面的要求评定是否达到设计强度的要求。

2)预制钢桩砼超声波检测：每根预制钢桩内在浇筑砼之前埋设三根声测管，按等边三角形布置，声测管之间应保持平行，在长度方向每隔2米设置焊接点，与预制钢桩焊接牢固，管的埋设深度与桩底齐平，管底部50毫米处用丝头封死底管，管的上端应高于预制钢桩顶表面300—500mm，同一根桩的声测管外露高度宜相同，并检测管之间连接严密，防止砼进入桩内引起堵塞。

实施例

本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

该案例位于上海市，基坑面积为17801.28m²，基坑周长为517.25m，基坑挖深5.85m，如图三所示，针对该基坑设计了两种围护设计方案：内支撑支护、斜向预制砼方桩支护，通过对两种围护设计方案的基坑围护结构变形、每延米造价分析对比，最终确定了斜向预制砼方桩方案，但是在实际施工过程中，斜桩打桩机械施工作业范围要求基坑开挖边线与用地红线之间的距离至少为5m，设计人员由于未关注斜桩打桩机械施工作业范围，使其与基坑开挖边线和用地红线之间距离产生矛盾，一部分斜向预制砼方桩基坑方案不能正常施工而造成一定量基坑围护设计方案修改，为了避免基坑方案的大量修改，对于基坑开挖边线和用地红线之间距离少于5m的地方采用斜向预制钢桩基坑支护体系。

所述斜向预制钢桩基坑支护体系由基坑围护结构1、斜向预制钢桩2、桩顶冠梁3、回灌混凝土4组成。基坑围护结构1的顶端与斜向预制钢桩2的顶端浇筑在桩顶冠梁3中；斜向预制钢桩2中填充有回灌混凝土4，其下端内置于土层设计标高处，且斜向预制钢桩2与基坑围护结构1之间呈锐角。斜向预制钢桩2的下端由密封钢板5密封，密封钢板5上预留有一定数量的通孔。斜向预制钢桩2沿基坑围护结构1的长度方向间隔设置若干数量。

所述斜向预制钢桩基坑支护体系施工方法采用上述的支护体系，并采用下述施工步骤：

根据基坑稳定性验算、围护结构承载力及变形计算、构件承载力验算、降水要求、土方开挖技术要求、检测要求、监测要求得到满足桩基承载力设计值要求的斜向预制钢桩2尺寸、相邻斜向预制钢桩2间距以及需要安装的斜向预制钢桩2的数量，在施工现场根据施工图放出实样，预制单钢桩进场验收后，堆放至便于施工的位置；然后在基坑开挖边线退后1000mm处施工基坑围护结构1，所述基坑围护结构1采用ф700@2000五轴水泥土搅拌桩，h型钢在搅拌桩内隔一插一，所述h型钢型号为h500×300×11×18。

基坑围护结构1施工完成后，按施工设计长度要求将单根长度为6m的预制单钢桩通过焊接连接形成一个长为32m的斜向预制钢桩2，预制单钢桩的截面为300mm×300mm的方形，斜向预制钢桩2底端由密封钢板5密封，密封钢板5上预留有一定数量直径为50mm的通孔。

同时，将冲孔打桩机移动到待施工的位置，启动其动力装置，根据施工图纸调整冲孔打桩机钻头施工角度，冲孔打桩机在桩顶冠梁标高位置处斜向钻孔切割土体、清孔，吊放斜向预制钢桩2并压入到土层设计标高；

将搅拌均匀的混凝土沿着斜向预制钢桩2的回灌混凝土浇筑端7灌入到斜向预制钢桩2内，冲孔打桩机移位，重复上述步骤，按顺序施工下一根斜向预制钢桩2，直至所有的预制钢桩施工完毕，待斜向预制钢桩2中的回灌混凝土4强度等级达到设计强度的70％后，将基坑围护结构1、斜向预制钢桩2的顶端整体浇筑在桩顶冠梁3中。待桩顶冠梁3内的混凝土强度等级达到设计强度的70％后，斜向预制钢桩基坑支护体系施工完毕，即可进行基坑内土体开挖。

所述桩顶冠梁尺寸为1100mm×700mm。

本发明未述及之处适用于现有技术。