大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构及其施工方法
【专利摘要】本发明公开了一种大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构及其施工方法，该围护结构设计主要涉及止水帷幕、薄壁筒桩、被动区加固桩、压顶梁和围檩的连接与构造设计，该围护结构施工过程主要有止水帷幕施工、大直径薄壁筒桩的施工、被动区加固桩施工、第一层锚杆的施工（下挖基坑→钻机成孔→锚杆体入孔→锚固段灌浆→自由端灌浆→安装紧固螺母）、第二层锚杆施工（下挖基坑→钻机成孔→锚杆体入孔→锚固段灌浆→自由端灌浆）和第一层围檩施工（绑扎围檩钢筋→安装围檩模板→浇筑混凝土）。通过特殊的构造设计与施工将传统主要用于地基处理的大直径薄壁筒桩与高强锚杆、围檩复合来围护基坑，达到经济、环保和高效的效果，并为后续基坑施工带来极大的便捷。
【专利说明】大直径薄壁筒粧复合锚杆式基坑围护结构及其施工方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种建筑物基坑的围护结构，更进一步涉及的是一种软粘土地区基坑围护的新型有效结构设计以及相应的施工方法。
【背景技术】
[0002]中国的发展主要是经济的发展，经济的发展带来的是建筑业的发展，建筑业的发展方向势必是建筑的更高更大更优更美，而这个方向的保障是为建筑打下坚实的基础，这也就要求在基坑围护方面做得更多。另一方面，由于建筑用地越来越少，越来越多的建筑施工不得不在基础条件稍差的软土地区开展，这也就更具体地提出了如何更好地围护软土地区基坑这样一个技术问题。
[0003]目前在软土地区的基坑围护结构主要有:土钉墙、地下连续墙、SMW工法以及灌注桩加内支撑等。土钉墙通过在土体内设置一定长度和密度的土钉，与土共同作用，形成了以增强边坡稳定能力为主要目的的复合土体，是一种主动制约机制，土钉与土的相互作用，形成了能提高原状土强度和刚度的复合土体，改变了土坡的变形与破坏形式，显著提高了土坡的整体稳定性。然而，土钉墙存在缺乏合理的控制位移计算理论的缺点，对于有严格位移要求的软土基坑并不适应。地下连续墙是在地面上采用一种挖槽机械，沿着深开挖工程的周边轴线，在泥浆护壁条件下，开挖出一条狭长的深槽，清槽后，在槽内吊放钢筋，然后用导管法灌筑水下混凝土筑成一个单元槽段，如此逐段进行，在地下筑成一道连续的钢筋混凝土墙壁，作为截水、防渗、承重、挡水的基坑围护结构。地下连续墙围护结构存在对施工过程中产生的废泥浆处理困难，挖槽以后的槽壁容易坍塌，造价较高，对施工单位操作水平要求也较高的问题。SMW工法围护结构(劲性水泥土连续墙)是采用专用多轴搅拌机，就地钻进切削土体，同时从其钻头前端将水泥浆液注入土体，经反复搅拌和充分混合后，再将H型钢或其它芯材插入搅拌体内，形成地下连续墙体，它主要的缺点是围护刚度较小，开挖后的变形较大。灌注桩加内支撑是指用钻孔灌注桩作为围护桩，围护桩顶设置压顶梁，在基坑外侧设置止水帷幕以及在基坑内侧设置排水措施，然后在基坑内侧设置一层或多层围檩并在相应的围檩处设置内支撑的围护结构。这种围护结构存在泥浆污染严重，泥浆后续处理困难，钻孔耗能较大，围护桩质量难以保证以及基坑内施工不便等缺点。2014年3月18日。
【发明内容】
[0004]本发明主要解决的技术问题是，为软土地区的基坑提供一种安全、环保、高效、经济以及能为后续基坑开挖施工提供便捷的大直径薄壁筒桩围护结构的设计及其施工方法。
[0005]本发明的技术解决方案是:大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构，其特征是:包括水泥搅拌桩止水帷幕、大直径薄壁筒桩、第一层锚杆和第二层锚杆、压顶梁、围檩和被动区加固桩，所述止水帷幕处于基坑围护结构的外围，且由沿基坑周围分布的多个单排水泥搅拌桩构成；所述大直径薄壁筒桩为现浇式薄壁筒桩，且处于止水帷幕内侧，大直径薄壁筒桩包括薄壁桩身和桩头，桩头带有桩头通孔，所述桩顶浇筑有增强各围护桩整体稳定性的压顶梁，在所述薄壁桩身上沿深度方向依次开设第一孔道和第二孔道，所述第一孔道和第二孔道均包括处于桩身的桩身孔和处于土体中的土体孔，所述第一层锚杆插入第一孔道并到达土体孔中，第一孔道与第一层锚杆之间灌注有水泥浆，所述第一层锚杆插入的第一孔道口浇筑锚固有托板，紧固螺母与第一层锚杆的一端螺纹连接并将托板压紧在薄壁桩身上，所述第二层锚杆插入第二孔道并到达土体孔中，第二孔道与第二层锚杆之间灌注有水泥浆，所述第二层锚杆预留一定长度的杆体钢筋在第二孔道外，围檩内部钢筋与杆体钢筋绑扎，围檩由混凝土构成；所述被动区加固桩处于大直径薄壁筒桩内侧，且由打设于土体内的水泥搅拌桩构成。
[0006]上述大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构的施工方法包括以下施工步骤:
(1)止水帷幕施工
止水帷幕处于基坑围护结构的外围，采用沿基坑周围分布的数量较多的单排水泥搅拌桩包围形成；
(2)大直径薄壁筒桩施工
①将大直径薄壁筒桩的预制桩头嵌入内钢筒模板和外钢筒模板之间；
②在刚筒模板顶部安装夹振器，用来固定高频振动器，高频振动器调整就位后，将内钢筒模板和外钢筒模板及预制桩头压入土内至预制桩头达到设计深度；
③松开模板顶部的夹振器，将预制好的钢筋笼放入环形模板腔内，通过外钢筒模板上的混凝土浇注口浇注混凝土，并同时起吊钢筒模板；
④重复上述步骤，施工下一个大直径薄壁筒桩直至基坑所需的所有围护用大直径薄壁筒桩施工完毕；
⑤待围护桩混凝土达到设计强度后，清除基坑围护桩顶部的杂土，浇筑增强各围护桩整体稳定性的压顶梁。
[0007](3)被动区加固桩施工
被动区加固桩处于大直径薄壁筒桩内侧,且由打设于土体内的水泥搅拌桩构成。
[0008](4)第一层锚杆施工
①下挖基坑至第一层锚杆设计标高以下Im处；
②按照施工设计图采用全站仪进行测量放样确定锚杆设计孔位及锚孔方位角，并在围护桩身上标记；
③钻机就位，在标记孔位进行钻孔；
④将锚杆用力一致地推送进入孔道，推送过程中不得转动杆体；采用压力活塞式注浆泵对孔道进行灌浆，将水泥浆经注浆管推入孔内，然后进行灌浆，并在锚杆孔道口浇筑锚固托板并安装紧固螺母。
[0009](5)第二层锚杆施工
①下挖基坑至第二层锚杆设计标高以下Im处；
②按照施工设计图采用全站仪进行测量放样确定锚杆设计孔位及锚孔方位角，并在围护桩身上标记；
③钻机就位，在标记孔位进行钻孔；
④将锚杆用力一致地推送进入孔道，推送过程中不得转动杆体；采用压力活塞式注浆泵对孔道进行灌浆，将水泥浆经注浆管推入孔内，然后进行灌浆；预留一定长度的锚杆的杆体钢筋在孔道外；
(6)第一层围檩施工
①将第二层锚杆预留的第二孔道外的杆体钢筋与第一层围檩钢筋绑扎；
②安装第一层围檩的模板，并浇筑混凝土；
4、根据权利要求书I所述的大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构的施工方法，其特征是:施工步骤(2)的分步骤③中的预制钢筋笼预留了锚杆孔道所需的孔洞，为锚杆能在对筒桩破坏最小的情况下穿过筒桩与其复合；施工步骤(2) —③中的混凝土浇注为分段浇注分段振实，钢模板分段起吊。
[0010]本发明大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构及施工方法与现有的技术相比，具有以下显著优点和有益效果:
从宏观角度来说，本发明的基坑围护结构及施工过程主要突出了安全、环保、经济以及便捷等几个方面的优点。首先，本发明通过为筒桩钢筋笼预留锚杆孔洞来使锚杆能在对筒桩破坏最小的情况下穿过筒桩，并进一步利用预留锚杆杆体钢筋作为桥梁来实现能在不破坏筒桩薄壁的情况下连接筒桩、锚杆和围檩，形成整体稳定性非常好且抗侧向变形能力强的围护结构，具有较好的安全性，同时这种围护结构中不设置内支撑，可以节约大量资源的浪费(内支撑一般后续拆除浪费)并且为基坑内的后续施工带来极大的方便，体现了本发明的环保、经济和便捷性。其次，利用大直径薄壁筒桩作为围护桩施工过程中不需要利用钻孔机和打桩机等大型机械，不需要大量的泥浆护壁，不需要开挖大量的场地土，从而能减少施工过程中的噪音污染，降低安全隐患，避免泥浆及土方的后续运输和处理问题，体现了本发明的安全环保性；最后，该围护桩虽然直径大(具有很好的整体稳定性和抗侧向变形性)，但是所需的混凝土和钢筋用量却远远小于相近直径的其它种类围护桩，体现了本发明的经济性。
【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明所涉及的基坑围护结构的围护桩、锚杆与围檩复合结构局部正视图。
[0012]图2是本发明所涉及的基坑围护结构的侧剖面局部结构示意图。
[0013]图3是本发明所涉及的基坑围护结构的大直径薄壁筒桩结构及施工示意图。
[0014]图4是本发明所涉及的基坑围护结构的第一层锚杆与围护桩复合结构细部示意图。
[0015]图5是本发明所涉及的基坑围护结构的第二层锚杆的结构示意图。
[0016]图6为图5中的第一层围檩与围护桩复合结构细部示意图。
[0017]图7是本发明所涉及的基坑围护结构的俯视局部结构示意图。
[0018]图8是本发明所涉及的基坑围护结构的第一层围檩处俯视局部结构示意图。
[0019]图中所示:1、大直径薄壁筒桩，2、桩头，3、压顶梁，4、第一层锚杆，5、第二层锚杆，
6、第一层围檩，7、外钢筒模板，8、内钢筒模板，9、高频振动器，10、夹振器，11、混凝土浇筑口，12、桩头通孔，13、基坑，14、锚固段，15、自由段，16、锚杆孔道，17、托板，18、紧固螺母，19、注浆管，20、筒桩钢筋笼，21、孔洞，22、杆体钢筋，23、第一层围檩钢筋，24、高强钢丝，25、被动区加固桩，26、止水帷幕。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明:
图广图8只是本发明的一种实施例，所示实施例的基坑围护结构为大直径薄壁筒桩复合一层围檩与两层锚杆。
[0021]它的具体结构设计如下:
参照图1、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8所示，该实施例提供的大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构，包括水泥搅拌桩止水帷幕26、大直径薄壁筒桩1、第一层锚杆4、第二层锚杆5、压顶梁3、第一层围檩6和被动区加固桩25。所述止水帷幕26处于基坑围护结构的外围，且由沿基坑周围分布的多个单排水泥搅拌桩构成，水泥搅拌桩的直径为500mm，桩间距为350mm，设计深度为Sm，水泥为32.5级的硅酸盐水泥，水灰比控制在0.5左右。所述大直径薄壁筒桩I为现浇式薄壁筒桩，且处于止水帷幕26内侧，大直径薄壁筒桩I包括薄壁桩身和桩头2，桩头2带有桩头通孔，大直径薄壁筒桩I的壁厚为200mm，筒桩外径为1000mm,桩间距为1000mm,设计深度为1m,所述桩顶烧筑有增强各围护桩整体稳定性的压顶梁3，大直径薄壁筒桩I桩顶嵌入压顶梁3里，混凝土等级为C30。在所述薄壁桩身上沿深度方向依次开设有两个锚杆孔道16，锚杆孔道16分别为第一孔道和第二孔道，所述第一孔道和第二孔道均包括处于桩身的桩身孔和处于土体中的土体孔，所述第一层锚杆4插入第一孔道并到达土体孔中，第一孔道与第一层锚杆4之间灌注有水泥浆，所述第一层锚杆4插入的第一孔道口浇筑锚固有托板17，紧固螺母18与第一层锚杆4的一端螺纹连接并将托板17压紧在薄壁桩身上，所述第二层锚杆5插入第二孔道并到达土体孔中，第二孔道与第二层锚杆5之间灌注有水泥浆，所述第二层锚杆5预留一定长度的杆体钢筋22在第二孔道夕卜，第一层锚杆4和第二层锚杆5为精轧螺纹钢，锚杆孔道16的钻孔深度为5m，孔径80mm。所述围檩6内部钢筋23与杆体钢筋22绑扎，围檩6由混凝土构成。所述被动区加固桩25处于大直径薄壁筒桩I内侧，且由打设于土体内的水泥搅拌桩构成，具体施工是:被动区每隔3m作为一个加固节点，设置水泥搅拌桩加固，加固桩25设置三排，每排5根桩，桩的直径为500mm,桩间距为350mm,排间距为500mm,设计深度为10m。
[0022]它的具体施工方法包括以下步骤:
(I)止水帷幕26施工
止水帷幕26处于基坑围护结构的外围，采用沿基坑周围分布的数量较多的单排水泥搅拌桩包围形成，采用二次注浆二次搅拌工艺，第一次搅拌头下沉搅拌至设计深度，接着一边注浆一边提升搅拌头至设计面标高，然后第二次将搅拌头下沉搅拌至设计深度，又第二次一边注浆一边提升搅拌头至设计面标高，形成水泥搅拌桩止水帷幕26。
[0023]( 2 )大直径薄壁筒桩I施工
①将大直径薄壁筒桩I的预制桩头2嵌入内钢筒模板8外钢筒模板7之间，所述的外钢筒模板7设有混凝土浇注口 11，所述的预制桩头2为锥形桩头且预制了桩头通孔12来输出下沉过程中的软土；
②在刚筒模板顶部安装夹振器10，用来固定高频振动器9，高频振动器9调整就位后，将内钢筒模板8外钢筒模板7及预制桩头压入土内至预制桩头达到设计深度，所述下压模板过程需要不断调整桩身竖直； ③松开模板顶部的夹振器10，将预制好的钢筋笼20放入环形模板腔内，通过外钢筒模板7上的混凝土浇注口 11浇注混凝土，采用分段浇注，并同时起吊钢筒模板，所述的钢筋笼20在各层锚杆设计位置预留了锚杆孔道的孔洞21 ；
④重复上述步骤，施工下一个大直径薄壁筒桩I直至基坑所需的所有围护桩施工完毕；
⑤待围护桩混凝土达到设计强度后，清除基坑围护桩顶部的杂土，浇筑增强各围护桩整体稳定性的压顶梁3。
[0024](3)被动区加固桩25施工
被动区加固桩25处于大直径薄壁筒桩I内侧,且由打设于土体内的水泥搅拌桩构成，被动区加固桩25分排施工，每排施工如上述水泥土搅拌桩施工方法。
[0025](4)第一层锚杆4施工
①下挖基坑13至第一层锚杆4设计标高以下Im处，清除干净围护桩身上的杂土；
②按照施工设计图采用全站仪进行测量放样确定锚杆设计孔位及锚孔方位角，并在围护桩I身上标记，所述方位角与筒桩预制钢筋笼上预留孔洞21角度一致；
③钻机就位，在标记孔位进行钻孔，所述钻孔过程中保持特定的钻孔速度，防止对围护桩的薄壁造成过大破坏；
④锚杆安装前对钻孔重新进行检查，对塌孔、掉块进行清理；
⑤将锚杆用力一致地推送进入孔道16，推送过程中不得转动杆体，并确保将锚杆体15推送至预定的深度；
⑥采用压力活塞式注浆泵对孔道进行灌浆，将水泥浆经注浆管19推入孔内，然后进行灌浆，所述灌浆过程为两次灌浆，第一次灌浆先灌注锚固段14，必须保持锚固段长度内灌满，在锚固段具备一定强度后对自由段15进行第二次灌浆，最后在孔端注入锚浆；
⑦在锚杆孔道口浇筑锚固托板17并安装紧固螺母18；
(5)第二层锚杆5施工
①下挖基坑至第二层锚杆5设计标高以下Im处；
②按照施工设计图采用全站仪进行测量放样确定锚杆设计孔位及锚孔方位角，并在围护桩I身上标记，所述方位角与筒桩预制钢筋笼上预留孔洞21角度一致；
③钻机就位，在标记孔位进行钻孔，所述钻孔过程中保持特定的钻孔速度，防止对围护桩的薄壁造成过大破坏；
④锚杆安装前对钻孔重新进行检查，对塌孔、掉块进行清理；
⑤将锚杆用力一致地推送进入孔道16，推送过程中不得转动杆体，并确保将锚杆体推送至预定的深度，同时预留一定长度的第二层锚杆5的杆体钢筋22在孔道16外；；
⑥采用压力活塞式注浆泵对孔道进行灌浆，将水泥浆经注浆管19推入孔内，然后进行灌浆，所述灌浆过程为两次灌浆，第一次灌浆先灌注锚固段14，必须保持锚固段14长度内灌满，在锚固段14具备一定强度后对锚杆的自由段15进行第二次灌浆，最后在孔端注入锚浆。
[0026](6)第一层围檩6施工
①将第二层锚杆预留的孔道外的杆体钢筋22与第一层围檩钢筋23绑扎，所述的第二层预留杆体钢筋22设计为全部浇筑在第一层围檩6体内，锚杆与围檩钢筋间绑扎钢筋为高强钢丝24 ；
②安装第一层围檩6的模板，并浇筑混凝土 ；
通过以上施工，即成本发明的基坑围护结构。
[0027]参见图f图7。本发明还可以有另外的实施例，即基坑围护结构有多层如三层锚杆5与两层围檩6，其施工方法具体如下:
(1)水泥搅拌桩止水帷幕26施工
(2)大直径薄壁筒桩I施工
(3)被动区加固桩25施工
(4)第一层锚杆4施工
(5)第二层锚杆5施工
(6)第一层围檩6施工
[上述(I)?(6)施工步骤同上一个施工例]
(7)第三层锚杆施工
①下挖基坑至第三层锚杆设计标高以下Im处；
②重复上述(2)中②?⑥的施工过程(不需要浇筑托板和安装紧固螺母)，预留一定长度的杆体钢筋在孔道外；
(8)第二层围檩施工
①将第三层锚杆预留的孔道外的杆体钢筋与围檩钢筋绑扎，所述的第三层预留杆体钢筋设计为全部浇筑在第二层围檩体内，锚杆与围檩钢筋间绑扎钢筋为高强钢丝；
②安装第二层围檩的模板，并浇筑混凝土；
通过以上施工，即成本发明基坑围护结构的另一实施例。
【权利要求】
1.一种大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构，其特征是:包括水泥搅拌桩止水帷幕、大直径薄壁筒桩、第一层锚杆和第二层锚杆、压顶梁、围檩和被动区加固桩，所述止水帷幕处于基坑围护结构的外围，且由沿基坑周围分布的多个单排水泥搅拌桩构成；所述大直径薄壁筒桩为现浇式薄壁筒桩，且处于止水帷幕内侧，大直径薄壁筒桩包括薄壁桩身和桩头，桩头带有桩头通孔，所述桩顶浇筑有增强各围护桩整体稳定性的压顶梁，在所述薄壁桩身上沿深度方向依次开设第一孔道和第二孔道，所述第一孔道和第二孔道均包括处于桩身的桩身孔和处于土体中的土体孔，所述第一层锚杆插入第一孔道并到达土体孔中，第一孔道与第一层锚杆之间灌注有水泥浆，所述第一层锚杆插入的第一孔道口浇筑锚固有托板，紧固螺母与第一层锚杆的一端螺纹连接并将托板压紧在薄壁桩身上，所述第二层锚杆插入第二孔道并到达土体孔中，第二孔道与第二层锚杆之间灌注有水泥浆，所述第二层锚杆预留一定长度的杆体钢筋在第二孔道外，围檩内部钢筋与杆体钢筋绑扎，围檩由混凝土构成；所述被动区加固桩处于大直径薄壁筒桩内侧，且由打设于土体内的水泥搅拌桩构成。
2.大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构，其特征是:构成所述止水帷幕的水泥搅拌桩的直径为500mm、桩间距为350mm、设计深度为8m ;所述大直径薄壁筒桩I的筒桩壁厚为200mm、筒桩外径为1000mm、桩间距为1000mm、设计深度为1m ;所述被动区每隔3m作为一个加固节点，设置水泥搅拌桩加固，加固桩25设置三排，每排5根桩，桩的直径为500mm，桩间距为350mm，排间距为500mm，设计深度为1m ;所述第一层锚杆和第二层锚杆的杆体为精轧螺纹钢，所述第一孔道和第二孔道的深度为5m，孔径80mm。
3.一种大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构的施工方法，其特征是:包括以下施工步骤: (1)止水帷幕施工 止水帷幕处于基坑围护结构的外围，采用沿基坑周围分布的数量较多的单排水泥搅拌桩包围形成； (2)大直径薄壁筒桩施工 ①将大直径薄壁筒桩的预制桩头嵌入内钢筒模板和外钢筒模板之间； ②在刚筒模板顶部安装夹振器，用来固定高频振动器，高频振动器调整就位后，将内钢筒模板和外钢筒模板及预制桩头压入土内至预制桩头达到设计深度； ③松开模板顶部的夹振器，将预制好的钢筋笼放入环形模板腔内，通过外钢筒模板上的混凝土浇注口浇注混凝土，并同时起吊钢筒模板； ④重复上述步骤，施工下一个大直径薄壁筒桩直至基坑所需的所有围护用大直径薄壁筒桩施工完毕； ⑤待围护桩混凝土达到设计强度后，清除基坑围护桩顶部的杂土，浇筑增强各围护桩整体稳定性的压顶梁； (3)被动区加固桩施工 被动区加固桩处于大直径薄壁筒桩内侧,且由打设于土体内的水泥搅拌桩构成； (4)第一层锚杆施工 ①下挖基坑至第一层锚杆设计标高以下Im处； ②按照施工设计图采用全站仪进行测量放样确定锚杆设计孔位及锚孔方位角，并在围护桩身上标记；③钻机就位，在标记孔位进行钻孔； ④将锚杆用力一致地推送进入孔道，推送过程中不得转动杆体；采用压力活塞式注浆泵对孔道进行灌浆，将水泥浆经注浆管推入孔内，然后进行灌浆，并在锚杆孔道口浇筑锚固托板并安装紧固螺母； (5)第二层锚杆施工 ①下挖基坑至第二层锚杆设计标高以下Im处； ②按照施工设计图采用全站仪进行测量放样确定锚杆设计孔位及锚孔方位角，并在围护桩身上标记； ③钻机就位，在标记孔位进行钻孔； ④将锚杆用力一致地推送进入孔道，推送过程中不得转动杆体；采用压力活塞式注浆泵对孔道进行灌浆，将水泥浆经注浆管推入孔内，然后进行灌浆；预留一定长度的锚杆的杆体钢筋在孔道外； (6)第一层围檩施工 ①将第二层锚杆预留的第二孔道外的杆体钢筋与第一层围檩钢筋绑扎； ②安装第一层围檩的模板，并浇筑混凝土。
4.根据权利要求书I所述的大直径薄壁筒桩复合锚杆式基坑围护结构的施工方法，其特征是:施工步骤(2)的分步骤③中的预制钢筋笼预留了锚杆孔道所需的孔洞，为锚杆能在对筒桩破坏最小的情况下穿过筒桩与其复合；施工步骤(2) —③中的混凝土浇注为分段浇注分段振实，钢模板分段起吊。
【文档编号】E02D5/76GK104074197SQ201410102546
【公开日】2014年10月1日 申请日期:2014年3月20日 优先权日:2014年3月20日
【发明者】王军, 叶强, 蔡袁强, 丁光亚, 王鹏 申请人:温州大学