一种自带排土卸压功能的应力平衡桩结构及施工方法与流程

本发明属于盾构隧道保护，尤其涉及一种自带排土卸压功能的应力平衡桩结构及施工方法。

背景技术：

1、近些年，我国的地铁建设发展迅速，国内不少城市的地铁线路已初步成网，占据了不少的城市地下空间。由于地铁对变形的控制要求较高，容易受到扰动而发生变形，甚至导致结构破坏，影响地铁的正常运营。后建建筑需要与既有地铁保持一定的安全距离，但由于近地空间的有限性，临近既有地铁隧道的新建工程在所难免，其中既有隧道旁侧的基坑开挖工程便是其中之一。

2、基坑的开挖会造成卸荷效应，从而使得临近既有隧道发生偏向于基坑一侧的局部变形，工程中需要采取一定的措施来预防或者控制该变形。工程中常见的控制措施包括袖阀管注浆纠偏、隧道洞内注浆纠偏、隧道结构加固、隧道与基坑之间设置隔离桩或对土体进行注浆加固等。其中土体注浆加固、设置隔离桩、隧道结构加固等措施属于被动控制措施，控制效果有限，缺少应对施工中可能临时产生的多余变形的能力。此外土体注浆加固需要提前向土体中注入大量浆液，会污染环境，而且注浆量较大，注浆过程可能会对既有隧道造成扰动影响；设置隔离桩能够一定程度上限制基坑与隧道之间的土体位移，减弱变形传递作用，但传统隔离桩之间存在空隙，对土体的限制作用有限；隧道结构加固则是通过在隧道内布设加固装置来加强隧道本身的刚度用于抵抗变形，该类控制措施因为强化装置的布置可能会影响隧道的正常运营，而且无法对已经发生的隧道位移进行纠偏处理。对比之下，袖阀管注浆纠偏、隧道洞内注浆纠偏属于主动控制措施，能够根据隧道的变形情况实时对隧道进行纠偏控制。但由于注浆过程中浆液的流向无法准确控制，注浆产生的纠偏作用也难以精准控制，往往需要结合监测数据进行动态纠偏，容易对环境造成污染。

3、综上所述，现有临近基坑开挖的隧道保护技术存在着控制效果有限、污染环境、影响隧道正常运营、易产生较大施工扰动、无法对隧道进行精准动态纠偏等缺点，亟需通过改进技术来进行解决。

技术实现思路

1、本发明的目的是克服现有技术中的不足，提供一种自带排土卸压功能的应力平衡桩结构及施工方法。

2、这种自带排土卸压功能的应力平衡桩结构，应力平衡桩和基坑分别设于隧道两侧，应力平衡桩表面为塑料套管，塑料套管靠近隧道的一侧内壁设有下水管，另一侧内壁设有上水管，下水管和上水管底端通过u型管连通，顶端连入水循环系统；

3、应力平衡桩上沿下水管设有数个卸压单元，卸压单元包括排土口和回弹型橡皮阀门，排土口开设在塑料套管和下水管贴合处，回弹型橡皮阀门和排土口形状匹配，回弹型橡皮阀门上端和排土口固定；

4、下水管内插有提拉杆，提拉杆上设有数道相互平行的提拉卡位杆，提拉卡位杆处的提拉杆上套有升降控制环，升降控制环为空心圆柱，升降控制环上下端内壁设有卡位板，不同升降控制环的卡位板位置沿环向错开；提拉杆转动至卡位板和提拉卡位杆的上下移动路径重合时，对应升降控制环随提拉杆在下水管内升降，用于控制对应回弹型橡皮阀门开合。

5、作为优选，提拉杆顶部伸至应力平衡桩上方并固定设有操控杆把手，操控杆把手、提拉卡位杆、提拉杆为一体组装式结构，操控杆把手和提拉卡位杆平行，提拉杆伸出下水管部分套设有防水固定端，防水固定端嵌入在下水管上端固定，防水固定端上设置有档位刻度盘，提拉杆转动时档位刻度盘固定；升降控制环内表面上下端各对称设置两片卡位板，提拉卡位杆对称设于提拉杆上，同个升降控制环内的卡位板的方向相同，卡位板方向与档位刻度盘上的刻度对应，形成分别控制不同升降控制环的数个档位。

6、作为优选，升降控制环外表面侧边对称设置有两道滑齿，下水管内表面对应设有滑槽，升降控制环滑齿插在滑槽内，滑槽长度大于升降控制环高度的两倍，当升降控制环处于滑槽下半部分时，升降控制环和回弹型橡皮阀门底端齐平，回弹型橡皮阀门封闭排土口；当升降控制环处于滑槽上半部分时，回弹型橡皮阀门下端向下水管内部打开。

7、作为优选，数个卸压单元中，位于中部的卸压单元与隧道轴线同等埋深，隧道轴线上下的卸压单元对称布置；排土口外侧的塑料套管外壁上覆盖有金属网，用于防止部分土块进入下水管内，并对软土块进行切割。

8、作为优选，数个应力平衡桩平行于隧道走向呈一字型排列；应力平衡桩顶部设有桩帽，底部设有桩尖；相邻应力平衡桩之间通过冠梁相互连接加固；下水管和上水管顶端均穿过桩帽，下水管和上水管在地表上分别连接进水管和出水管，每一根应力平衡桩上的进水管均通过进水管阀门连接有进水总管，出水管均连接有出水总管，出水管均连接出水总管上，进水总管依次连接有泵机、水箱和泥水分离器，泥水分离器与出水总管连接形成水循环系统。

9、作为优选，提拉杆表面设有数个微型防水摄像头，微型防水摄像头分别设于提拉卡位杆上部，用于监控提拉卡位杆是否伸入到对应升降控制环内部，提拉杆内部存在空心管道，用于将微型防水摄像头的线路引出地面。

10、这种自带排土卸压功能的应力平衡桩结构的施工方法，包括以下步骤：

11、步骤一、在提拉杆上每一个卸压单元对应位置安装提拉卡位杆；

12、步骤二、下水管和塑料套管对应卸压单元的布置位置处开凿排土口，在下水管内部安装升降控制环，在排土口处安装回弹型橡皮阀门，将升降控制环下滑至抵住回弹型橡皮阀门，使卸压单元关闭；

13、步骤三、在隧道一侧呈一字型排列下沉数个塑料套管，浇筑应力平衡桩；将提拉杆垂直插入顶部预留的下水管中；下水管和出水管端头连入水循环系统；

14、步骤四、监测基坑开挖和应力平衡桩卸压过程中的隧道位移变化；当隧道变形增大时，通过提拉杆控制对应卸压单元对隧道远离基坑一侧的土体进行卸压；

15、步骤五、基坑开挖完成，且隧道和基坑稳定后，将提拉杆从下水管中拔出。

16、作为优选，每根应力平衡桩上设置三个卸压单元，上下端的两个卸压单元用于对隧道竖向附加应力进行调节，当隧道出现上浮变形时，打开下端的卸压单元进行卸压，当隧道出现下沉变形时，打开上端的卸压单元进行卸压；在卸压调节过程中，首先通过位于中心的应力平衡桩进行卸压，当无法满足卸压要求时，再开启其它应力平衡桩卸压单元进行卸压工作。

17、作为优选，提拉杆伸出下水管部分套设有防水固定端，防水固定端嵌入在下水管上端固定，防水固定端上设置有档位刻度盘，提拉杆转动时档位刻度盘固定，卡位板方向与档位刻度盘上的刻度对应，形成分别控制不同升降控制环的数个档位，且存在空挡，即存在某一角度，所有卡位板和提拉卡位杆的上下移动路径均不重合；提拉杆顶部固定设有操控杆把手，操控杆把手和提拉卡位杆平行，步骤三和步骤五中，提拉杆插入下水管或从下水管中拔出前先通过操控杆把手转动至空挡。

18、作为优选，具体某一个卸压单元的卸压过程为：首先打开水循环系统，打开对应进水管的进水管阀门，控制卸压单元所在应力平衡桩上的操控杆把手，将操控杆把手调到需要打开的卸压单元对应的档位上，然后向上提拉操控杆把手，随着提拉杆的上升，提拉卡位杆抵住对应升降控制环上端的卡位板，并带动升降控制环向上滑动，升降控制环不再抵住回弹型橡皮阀门，回弹型橡皮阀门在外部土压的作用下向下水管内部变形，应力平衡桩外部土粒通过排土口进入下水管内部，并随水冲走，起到卸压作用，平衡隧道所受水平和竖向的附加应力；纠偏过程中实时监测隧道位移情况，动态调整各个卸压单元的开闭，实现应力平衡桩对隧道位移的实时动态纠偏；需要调节多个卸压单元时，依次换挡进行操作。

19、本发明的有益效果是：

20、1)本发明提出一种主动纠偏措施，能够平衡基坑施工过程中隧道所受附加应力，通过在隧道另一侧设置应力平衡桩结构，能够通过人为控制卸压单元的工作对隧道另一侧土体进行排土卸荷，从而用于抵消基坑开挖产生卸荷效应，导致既有隧道受到偏向于基坑一侧的附加应力及局部变形的影响，平衡隧道在竖向及水平向的附加应力，控制隧道变形。

21、2)本发明卸压单元分布设置合理，可对隧道变形进行针对性纠偏，应力平衡桩采用一字型分布，平行于隧道走向设置，以隧道变形最大处为中心对称分布，且每一根应力平衡桩上布置三个独立工作的应力卸压单元，中心卸压单元与隧道轴线同埋深，上下卸压单元对称布置，当隧道变形较小时，可首先让中心处的应力平衡桩开始卸荷工作，当其无法满足控制要求时，可根据隧道实际的变形大小及分布灵活选择对应位置和根数的应力平衡桩进行卸荷；而在同一根应力平衡桩上，中心卸压单元主要用于平衡隧道受到的水平附加应力，上下端卸压单元可以对隧道竖向附加应力进行调节，当隧道出现上浮变形时，可以打开下端卸压单元进行卸压，当隧道出现下沉变形时，可以打开上端卸压单元进行卸压，可灵活选取对应卸压单元进行针对性纠偏。

22、3)本发明各个卸压单元的开闭控制方便，操作简单，通过带提拉卡位杆的提拉杆和升降控制环的配合形成排土开闭控制系统，每一个卸压单元的开闭通过排土开闭控制系统实现，只需要操作每一根应力平衡桩顶部的操控杆把手，将其调整到对应的档位，结合微型防水摄像头拍到的画面进行简单的提压操作就可以实现对每一个卸压单元的开闭控制。

23、4)本发明部分结构材料可实现回收利用，经济环保，在使用后可将提拉杆调到空挡后从下水管中拔出，回收防水固定端、档位刻度盘、操控杆把手、提拉卡位杆、提拉杆以及微型防水摄像头等装置及设备，而其他地上的水管也可拆下，进行统一回收整理，具备一定经济性，此外，本发明通过水循环系统避免了传统注浆纠偏技术需要在土体中大量注浆的缺点，避免了污染，更加环保。