一种水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构及其施工方法与流程

本发明涉及土木工程领域，具体为一种适用于建筑工程、堤防工程、道路工程、地铁工程中的深基坑支护处理的水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构及施工方法。

背景技术：

水泥土墙成墙施工是通过带有链锯式刀具箱的机械，将该刀具箱竖直插入地层中，然后作水平横向运动，同时由链条带动刀具作上下的回转运动，搅拌混合原状土并灌入水泥浆，形成等厚度的渠式水泥土搅拌墙。其主要特点是成墙连续、表面平整、厚度一致、墙体均匀性好，应用于各类地下工程的基础加固和防渗处理。

基坑工程不仅面临防渗止水，而且面临开挖挡土，但作为临时结构的基坑支护结构，其利用周期短，成本高。因此，缩短基坑工期和降低支护结构成本，成为必须解决的问题。工程中常采用三轴水泥土搅拌桩中植入h型钢，形成复合挡土止水结构，即利用三轴水泥土搅拌桩先搅拌土体，然后在水泥土初凝前植入h型钢的方式。但该方法存在以下缺陷：（1）h钢用量大，其运输与租赁费用随着基坑规模的增加，不断增加，不经济，而且在地下室施工结束后，需要拔除h型钢，这势必导致h型钢弯曲、拉裂等损坏，当无法拔出时，又大大增加支护成本；（2）搅拌桩都具有一定的桩轴心间距，在植入h型钢时，其间距是一定的，不能够根据需要调整间距，因此，在不少情况下，该支护方法不满足设计对支护结构的抗弯、抗剪要求，且在较深基坑中桩长亦达不到设计对嵌固深度的要求。

专利申请号为201110460244.4的中国专利申请公开了“现浇工字型钢筋混凝土和水泥土相间地下连续墙及其工法”，其特征是现浇工字型钢筋混凝土为横截面呈工字型的沉管灌注桩，相间的水泥土为水泥旋喷桩或水泥搅拌桩。这种工法虽然无泥浆污染，但具有以下缺点：（1）工字型桩现场浇筑混凝土养护时间过长，影响工程工期；（2）现浇混凝土等级较低，成桩后桩身刚度较低，抵抗变形能力太差；（3）沉管灌注成孔过程存在挤土现象，对场地周边具有变形敏感的管线、建筑会产生挤土位移和变形，影响较大。

申请号为201310030440.7的中国申请专利公开了“现浇后张工字型桩在水泥土中的插入方法”，包括：测量放样，根据已知的坐标基点，定位桩体的位置；开沟挖槽，对应桩机的施工位置开沟挖槽，并清理多余土体；设置导向，在桩体的具体位置处设置型钢导向；桩机就位：将桩机架设在具体的施工位置上；搅拌成桩：利用水泥土形成工字型桩体；插入桩体：将工字型桩体插入土体内；移机：工字桩体施工完成后，移动桩机，进行下一次施工。该方法虽具有可规模制作的特点，同时能避免型钢拔出时造成周边建筑和环境沉降、开裂的情况，但该方法存在以下缺陷：（1）对于后张工字型桩的具体尺寸和预应力的施工方法并未提及，施工现场难以实现；（2）水泥土成桩方法不明确，尺寸不清楚，施工现场无法实施；（3）工字型桩的内插间距未明确，施工现场无法确定；（4）该工字型桩刚度无法根据现场需要进行调节，达不到刚度可增大减小位移的目的。

因此，迫切需要一种能够形成一种既能充分利用水泥土桩的止水效果又可短形成挡土支护结构工期的基坑支护结构，同时可根据工程现场随时调节刚度有效地控制基坑变形，且具有成本和工期优势的支护结构及其施工方法。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的不足，本发明提供了一种水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构及施工方法，在传统smw工法桩的思路以及传统水泥土搅拌桩内插工字型桩的基础上，改变原水泥土桩的成桩方法，形成连续、等厚度水泥土墙，同时改进原预制桩刚度不可调节，无法根据基坑变形及时调节支护桩刚度的问题。工程现场，在渠式水泥土搅拌墙初凝之前，将已施加初步预应力的工型预制桩通过吊机起吊插入水泥土墙内。工型预制桩间距，根据设计要求灵活设置，插桩完成后，其它施工工序与普通基坑支护工程一致，但在基坑施工过程可通过土体深层水平位移监测情况，对工型预制桩刚度进行调节，增大支护桩刚度，减小变形的进一步发展。这种渠式水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构，既能解决传统止水桩长度不足的问题，又能解决支护刚度不足无法调节、基坑变形过大或者水泥土抗剪强度不能满足要求的问题，而且具有施工方便、造价低廉、成桩质量可靠、无挤土影响等优点。

本发明的目的是这样实现的：

一种水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构，包括用于止水的水泥土墙1以及设置在水泥土墙1内的用于挡土的刚度可调节工型预制桩2；所述的刚度可调节工型预制桩2顶端设置有混凝土冠梁3；

所述的刚度可调节工型预制桩2的桩身短边与长边比值为0.55～0.6；所述的刚度可调节工型预制桩桩身混凝土强度等级为c55～c80；

所述的刚度可调节工型预制桩2的桩身两端分别设置有2块多边形钢端板9和一块矩形钢端板10，且桩底和桩顶腹板两侧预埋2块腹板两侧预埋钢板8；

所述的刚度可调节工型预制桩2的桩身内埋设有多根可张拉预应力钢绞线5及桩身纵向钢筋7；所有预应力钢绞线5在桩身底端通过锚具固定在工型预制桩桩底端板上，其中75%的钢绞线在桩身顶端通过钢绞线锚具6锚固在桩头端板上，预留25%的钢绞线，后期根据工程现场基坑深层土体水平位移情况，张拉预留钢绞线，补偿预应力损失，进一步增大或调节工型预制桩刚度；

所述的刚度可调节工型预制桩的桩身上设置4个预应力钢绞线穿插钢套管4，施工前根据设计计算要求将预留的钢绞线穿入预应力钢绞线套管4内；

所述的刚度可调节工型预制桩2间隔地插入在水泥土墙1内；所述的刚度可调节工型预制桩2的净间距为20～35cm；所述的刚度可调节工型预制桩的桩身短边与水泥土墙平行，桩身长边为水泥土墙厚度的0.7～0.8倍；

所述的刚度可调节工型预制桩插入水泥土墙的垂直度应与水泥土墙施工垂直度保持一致，且不大于1/300；

水泥土墙1的墙位偏差不大于+20mm～–50mm（向坑内偏差为正），墙深偏差小于50mm，成墙厚度应不小于设计墙厚，偏差控制在0～–20mm（控制切割箱刀头尺寸偏差）；水泥土墙的28d浆液试块无侧限抗压强度标准值不小于1.0mpa，28d钻孔取芯无侧限抗压强度标准值不小于0.8mpa，墙体渗透系数不大于10^-7cm/s；水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩的支护结构中，水泥土墙的墙端应比刚度可调节工型预制桩端深1.5m～2.5m；

水泥土墙1的厚度取450mm～850mm；当墙厚不大于550mm时，最大施工深度不宜大于25m；当墙厚不大于700m时，最大施工深度不宜大于40m；当墙厚不大于850mm时，最大施工深度不宜大于55m；工型预制桩现场施工成桩后，桩顶设置混凝土冠梁3，且混凝土冠梁3高度小于桩身上端设置的4个预应力钢绞线套管5cm；桩顶设置混凝土冠梁施工完成达到设计强度后，根据现场基坑开挖过程土体深层水平位移变化情况，逐孔、逐根张拉预留钢绞线，增加或调节工型预制桩刚度。

一种水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构的施工方法，具体步骤如下：

步骤1：平整施工场地，进行水泥土墙切割搅拌成墙施工；

步骤2：刚度可调节工型预制桩选型，工厂制作，以及初步施加预应力，通过端板钢绞线锚具6，固定一部分预应力钢绞线5；

步骤3：设置刚度可调节工型预制桩插入导向架和起吊起重机就位；

步骤4：在水泥土尚未初凝前将刚度可调节工型预制桩插入水泥土墙2内，同时按照设计要求采用经纬仪进行垂直度校正；

步骤5：刚度可调节工型预制桩施工完毕后，在桩顶按设计要求施工混凝土冠梁3，并于混凝土冠梁上留出预应力钢绞线穿插孔；

步骤6：开挖基坑，根据设计要求设置内支撑，同时采用土体深层水平测斜仪监测基坑变形情况，以及通过应力计监测桩身应力，当变形过大，达到设计预警值时，在混凝土冠梁3梁顶张拉预应力钢绞线增加或调节工型预制桩刚度，控制基坑变形的进一步发展；

步骤7：持续进行变形监测，并不断开挖基坑直至基坑开挖到底，施工主体结构基础底板；按设计要求施工主体结构。

积极有益效果：本发明中的水泥土墙适应地层广，对硬质地层（硬土、砂卵砾石、软岩石等）具有良好的掘进性能，成墙精度高。成墙掘进与搅拌时通过参数仪可实现施工全过程的对墙体质量的随钻监控；离散性小，强度高，上下强度均匀，隔水性能好；相比于传统工艺，渠式切割形成的水泥土搅拌墙的强度更高，平整性、连续性、致密性、均匀性更好，深度亦更深，土层适应性更好；连续成墙，接缝较少，墙体等厚，刚度可调节工型预制桩间距可以根据设计需要调整，不受桩位限制；噪音、振动小，邻接建（构）筑物到壁芯许最小间距仅1000mm。该支护结构不仅操作简单，而且施工方便快速、可靠，同时充分发挥了刚度可调节工型预制桩混凝土强度等级高、预应力可根据现场调节的特点，达到了缩短工期、降低工程造价的目的，这样既可以减少混凝土和钢材的用量，又能满足安全要求。

附图说明

图1为本发明中支护结构剖面示意图；

图2是本发明中支护结构平面示意图；

图3是本发明中的刚度可调节工型预制桩桩身纵截面示意图；

图4是本发明中的刚度可调节工型预制桩桩身横截面示意图；

图5是本发明中的刚度可调节工型预制桩端板顶视结构示意图；

图6是水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构施工流程图；

图中为：水泥土墙1、刚度可调节工型预制桩2、混凝土冠梁3、钢绞线套管4、预应力钢绞线5、钢绞线锚具6、桩身纵向钢筋7、腹板两侧预埋钢板8、多边形钢端板9、矩形钢端板10。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创造性特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合附图进一步阐述本发明。

如图1、图6所示，一种水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构，包括用于止水的水泥土墙1以及设置在水泥土墙1内的用于挡土的刚度可调节工型预制桩2；所述的刚度可调节工型预制桩2顶端设置有混凝土冠梁3；

所述的刚度可调节工型预制桩2的桩身短边与长边比值为0.55～0.6；所述的刚度可调节工型预制桩桩身混凝土强度等级为c55～c80；

如图3、图4、图5所示，所述的刚度可调节工型预制桩2的桩身两端分别设置有2块多边形钢端板9和一块矩形钢端板10，且桩底和桩顶腹板两侧预埋2块腹板两侧预埋钢板8；

如图2所示，所述的刚度可调节工型预制桩2的桩身内埋设有多根可张拉预应力钢绞线5及桩身纵向钢筋7；所有预应力钢绞线5在桩身底端通过锚具固定在工型预制桩桩底端板上，其中75%的钢绞线在桩身顶端通过钢绞线锚具6锚固在桩头端板上，预留25%的钢绞线，后期根据工程现场基坑深层土体水平位移情况，张拉预留钢绞线，补偿预应力损失，进一步增大或调节工型预制桩刚度；

所述的刚度可调节工型预制桩的桩身上设置4个预应力钢绞线穿插钢套管4，施工前根据设计计算要求将预留的钢绞线穿入预应力钢绞线套管4内；

所述的刚度可调节工型预制桩2间隔地插入在水泥土墙1内；所述的刚度可调节工型预制桩2的净间距为20～35cm；所述的刚度可调节工型预制桩的桩身短边与水泥土墙平行，桩身长边为水泥土墙厚度的0.7～0.8倍；

所述的刚度可调节工型预制桩插入水泥土墙的垂直度应与水泥土墙施工垂直度保持一致，且不大于1/300；

水泥土墙1的墙位偏差不大于+20mm～–50mm（向坑内偏差为正），墙深偏差小于50mm，成墙厚度应不小于设计墙厚，偏差控制在0～–20mm（控制切割箱刀头尺寸偏差）；水泥土墙的28d浆液试块无侧限抗压强度标准值不小于1.0mpa，28d钻孔取芯无侧限抗压强度标准值不小于0.8mpa，墙体渗透系数不大于10^-7cm/s；水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩的支护结构中，水泥土墙的墙端应比刚度可调节工型预制桩端深1.5m～2.5m；

水泥土墙1的厚度取450mm～850mm；当墙厚不大于550mm时，最大施工深度不宜大于25m；当墙厚不大于700m时，最大施工深度不宜大于40m；当墙厚不大于850mm时，最大施工深度不宜大于55m；工型预制桩现场施工成桩后，桩顶设置混凝土冠梁3，且混凝土冠梁3高度小于桩身上端设置的4个预应力钢绞线套管5cm；桩顶设置混凝土冠梁施工完成达到设计强度后，根据现场基坑开挖过程土体深层水平位移变化情况，逐孔、逐根张拉预留钢绞线，增加或调节工型预制桩刚度。

一种水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩支护结构的施工方法，具体步骤如下：

步骤1：平整施工场地，进行水泥土墙切割搅拌成墙施工；

步骤2：刚度可调节工型预制桩选型，工厂制作，以及初步施加预应力，通过端板钢绞线锚具6，固定一部分预应力钢绞线5；

步骤3：设置刚度可调节工型预制桩插入导向架和起吊起重机就位；

步骤4：在水泥土尚未初凝前将刚度可调节工型预制桩插入水泥土墙2内，同时按照设计要求采用经纬仪进行垂直度校正；

步骤5：刚度可调节工型预制桩施工完毕后，在桩顶按设计要求施工混凝土冠梁3，并于混凝土冠梁上留出预应力钢绞线穿插孔；

步骤6：开挖基坑，根据设计要求设置内支撑，同时采用土体深层水平测斜仪监测基坑变形情况，以及通过应力计监测桩身应力，当变形过大，达到设计预警值时，在混凝土冠梁3梁顶张拉预应力钢绞线增加或调节工型预制桩刚度，控制基坑变形的进一步发展；

步骤7：持续进行变形监测，并不断开挖基坑直至基坑开挖到底，施工主体结构基础底板；按设计要求施工主体结构。

如附图1～6所示，水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩的支护结构，包括刚度可调节工型预制桩钢绞线穿插和锚定，水泥土墙搅拌成墙，将刚度可调节工型预制桩插入水泥土墙内，施工混凝土冠梁，后期根据土体水平位移张拉预应力钢绞线，这五个流程。

刚度可调节工型预制桩中配置有多根预应力钢绞线5及桩身纵向钢筋7，预应力钢绞线采用15.2无粘结型，数量根据设计计算确定，所述的刚度可调节工型预制桩桩端设置有2块多边形钢端板9和设置1块矩形钢端板10，其中在工型预制桩插入水泥土墙前，所有预应力钢绞线5应通过锚具6固定在桩底端板上，而桩顶锚具只固定75%的预应力钢绞线。刚度可调节工型预制桩腹板两侧分别设置2块预埋钢板8，多边形钢端板9和矩形钢端板10与腹板两侧预埋钢板8用于刚度可调节工型预制桩接桩焊接使用，腹板两侧预埋钢板起到两节桩焊接后桩腹板侧加强作用。刚度可调节工型预制桩在工厂加工，截面尺寸、长度和桩身混凝土强度等级应根据设计计算要求确定，刚度可调节工型桩制作好后运输至施工现场。

施工时，首先进行开槽切割土体并搅拌形成水泥土墙（1），再根据设计长度与尺寸，将多节刚度可调节工型预制桩通过多边形钢端板9和矩形钢端板10焊接连接成整体，同时通过桩腹板两侧预埋钢板8加强连接，最后利用履带式起吊机将连接就绪的刚度可调节工型预制桩吊起插入水泥土墙中，植入深度根据工程需要确定。

将施工设备移至第二个需要水泥土墙内插刚度可调节工型预制桩的位置，实施以上相同作业。

刚度可调节工型预制桩插入水泥土墙内后，在施工混凝土冠梁之前，设置预留的25%预应力钢绞线的外侧钢套管4；钢套管采用直径48mm，壁厚3mm的脚手架钢管。外侧钢套管4通过焊接与刚度可调节工型桩多边形端板9连接在一起，外侧钢套管4高度大于混凝土冠梁5cm，确保冠梁混凝土浇筑与振捣时，钢套管内无混凝土填充。

混凝土冠梁施工结束养护强度达到设计要求后，开挖深基坑。在基坑开挖与地下室施工期间，全过程监测基坑外侧土体深层水平位移，并根据土体位移大小，张拉预留的25%未张拉的预应力钢绞线，进行刚度调节，达到增大或调节工型预制桩桩身刚度，进而抵抗土体变形的目的。

钢绞线张拉结束后，通过锚具固定在混凝土冠梁3顶部。

本发明中的水泥土墙适应地层广，对硬质地层（硬土、砂卵砾石、软岩石等）具有良好的掘进性能，成墙精度高。成墙掘进与搅拌时通过参数仪可实现施工全过程的对墙体质量的随钻监控；离散性小，强度高，上下强度均匀，隔水性能好；相比于传统工艺，渠式切割形成的水泥土搅拌墙的强度更高，平整性、连续性、致密性、均匀性更好，深度亦更深，土层适应性更好；连续成墙，接缝较少，墙体等厚，刚度可调节工型预制桩间距可以根据设计需要调整，不受桩位限制；噪音、振动小，邻接建（构）筑物到壁芯许最小间距仅1000mm。该支护结构不仅操作简单，而且施工方便快速、可靠，同时充分发挥了刚度可调节工型预制桩混凝土强度等级高、预应力可根据现场调节的特点，达到了缩短工期、降低工程造价的目的，这样既可以减少混凝土和钢材的用量，又能满足安全要求。

以上所述和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点，仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明要求的保护范围之内。