本发明涉及一种多面围挖条件下既有浅基础建筑物的保护装置及其施工方法，适用于多面围挖条件下的建筑物保护，特别是针对浅基础古建筑物的保护，属于地下工程施工中既有建筑物保护技术领域。
背景技术：
基坑工程对既有保护建筑物形成多面围挖的情况屡见不鲜，这种情况下，建筑物处于“孤岛”上，其多个方向均存在基坑开挖所引起的卸荷作用，土体位移场变化规律复杂，变形控制困难；特别地，对于浅基础古建筑来说，由于基础形式薄弱，上部结构老化严重，自身承载力及抵抗变形的能力较低，处于多面围挖条件时，对地层位移场的反应十分灵敏，稍有不慎可能会出现建筑物沉降、变形、裂缝超限，乃至出现倒塌等风险，造成严重的社会不良影响。因此，采用有效手段对多面围挖条件下既有建筑物进行保护十分重要。
目前，现有的既有建筑物加固手段主要有基础加宽技术、墩式托换技术、桩式托换技术、地基加固技术和综合加固技术。基础加宽技术是采用混凝土套或钢筋混凝土套、或采用抬梁法、斜撑法等加大基础底面积，保护建筑物；墩式托换技术是对于软弱地基，特别是膨胀土地基的处理是较为有效的，费用较低，施工方便，但是工期较长。桩式托换技术主要包括锚杆静压桩技术、树根桩托换技术、坑式静压桩托换技术，其中锚杆静压桩托换技术是锚杆和静力压桩两项技术结合的一种工艺；树根法需要采用压浆法成桩；坑式静压桩是在已开挖的基础下托换坑内，利用建筑物上部结构自重作为支撑反力，用千斤顶将预制好的钢管桩或钢筋混凝土桩段接长后逐段压入土中的托换方法。注浆加固方法包括压力灌浆法和高压喷射注浆法。
现有的既有建筑物基础的加固保护技术的基本思想是通过注浆、打桩等手段对原有地基进行处理，提高其承载力及抵抗变形能力。但是对于处于围挖状态下的建筑物而言，地基土自身的位移及变形控制非常困难，单纯的通过注浆加固、静压桩基等手段仅对地基土进行处理，并不能有效的控制建筑的变形。
技术实现要素：
本发明目的在于弥补现有技术的不足，公开一种多面围挖条件下既有浅基础建筑物的保护装置及使用方法，克服了传统加固方法的弊端，不直接对地基进行处理，而是通过架设预应力钢结构，将建筑物荷载传递至围挖基坑的围护结构(施工期间)及新建结构(使用期间)上，充分发挥围护结构及新建结构的承载能力，对既有浅基础建筑物进行保护。
为了实现上述目标，本发明提供了如下技术方案：
一种多面围挖条件下既有浅基础建筑物的保护装置，包括横、纵搭接的弧形传力结构及用于横、纵搭接的弧形传力结构的连接件。
弧形传力结构包括外部弧形钢管、内部预应力钢绞线及端头锚固结构；其中，内部预应力钢绞线穿设在外部弧形钢管中，且可以通过内部预应力钢绞线的应力值调节外部弧形钢管的形状；外部弧形钢管横、纵搭接构成弧形传力结构。
外部弧形钢管穿过坑基围护结构，并通过端头固定螺栓在其两端与坑基围护结构固定连接。
内部预应力钢绞线的端部延伸至外部弧形钢管外；
端头锚固结构套设在内部预应力钢绞线的端部上，并与坑基围护结构搭接。
端头锚固结构包括楔形垫块、垫板、锚具。对应于外部弧形钢管的端部位置，锚具、垫板、楔形垫块、坑基围护结构顺次搭接连接，同时内部预应力钢绞线依次穿过坑基围护结构、楔形垫块、垫块、锚具。
进一步，在楔形垫块和坑基围护结构之间还设置有端头防水密封垫。
锚具用于夹持内部预应力钢绞线，并通过对内部预应力钢绞线张拉对其施加预应力，内部预应力钢绞线所产生的反作用力依次通过垫板、楔形垫块、端头防水密封垫传递至基坑围护结构。
连接件用于连接横、纵搭接的外部弧形钢管。连接件包括上部半圆形钢环、下部半圆形钢环、竖向铰接、半钢环水平转动座、螺栓水平转动座、螺帽、螺杆、螺孔。
上部半圆形钢环的一端与下部半圆形钢环的一端依次通过竖向铰接、半钢环水平转动座连接，且上部半圆形钢环的一端与下部半圆形钢环的一端可以绕竖向铰接在竖平面内转动，上部半圆形钢环的一端与下部半圆形钢环的一端可以绕半钢环水平转动座在水平面内转动。
螺栓水平转动座与上部半圆形钢环的另一端固定连接，同时螺栓水平转动座、螺帽、螺杆依次连接，且螺栓水平转动座与螺帽之间转动连接，螺帽与螺杆之间固定连接，螺帽与螺杆可绕螺栓水平转动座在水平面内转动；螺栓孔位于下部半圆形钢环的另一端。
连接件在实际使用过程中两两之间共同工作，其工作方式为：将甲、乙两个连接件的上部半圆形钢环和下部半圆形钢环之间的角度均通过各自的半钢环水平转动座调整到呈90°；甲、乙两个连接件分别放置在横、纵外部弧形钢管上，其中甲连接件的螺杆与乙连接件的螺孔相连，乙连接件的螺杆与甲连接件的螺孔相连；通过选择螺帽，按需求紧固两个连接件，使得横、纵搭接的外部弧形钢管连为一体。
本发明还提供一种所述的多面围挖条件下既有浅基础建筑物保护装置的施工方法，包括如下步骤：
(1)保护建筑物周边基坑的地下连续墙施工完成，施作第一道基坑内支撑并挖首层土至架设外部弧形钢管底部的标高处；
(2)采用高精度定向钻，施作建筑物浅基础下方的横、纵搭接的外部弧形钢管及其内部预应力钢绞线，通过采用张拉内部预应力钢绞线对其施加预应力，以调整外部弧形钢管的顶部位置至设计标高；
(3)开挖既有建筑物浅基础周围的土体至外部弧形钢管底部，按照所设计连接件的工作方式，将横、纵搭接的外部弧形钢管连接为一体；通过绑扎钢筋笼及浇筑混凝土连接既有建筑物浅基础与横、纵搭接的外部弧形钢管；
(4)建筑物浅基础周围的土体回填，平整地面，完成整个保护装置的架设；
(5)基坑继续开挖过程中，根据保护建筑物的绝对沉降及差异沉降的监测数据，对于沉降值或沉降速率超限的部位，通过有针对性地调整相应部位的内部预应力钢绞线的预应力，进而调整外部弧形钢管的形状以控制建筑物的沉降。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明无需对天然地基进行大规模的人工加固处理。
(2)本发明可以充分发挥基坑围护结构和新建结构的承载力。
(3)本发明采用预应力弧形钢管为传力结构，可以根据实际情况，通过调整相应钢管的预应力值，实现有针对性的动态保护。
(4)本发明所涉及的钢管架设和连接主要以暗挖工法为主，施工期间不影响保护对象的正常使用。
(5)本发明采用单根弧形钢结构拼接组合形成整体的受力结构，可以根据保护建筑的结构形式(平面形状、尺寸、基础类型及布置形式等)、周边基坑的形状及其二者的相互关系，灵活布置加固结构的形式。
附图说明
图1为所述的多面围挖条件下既有浅基础建筑物的保护装置在应用时剖面图；
图2为所述端头锚固结构的构造图；
图3为所述的连接件的构造图；
图4为所述的多面围挖条件下既有浅基础建筑物的保护装置施工顺序示意图，其中：(a)为横纵钢管及钢绞线施工完毕；(b)为开挖至横纵钢管底部；(c)为用连接件连接横纵钢管；(d)为用钢筋混凝土回填；
图5为所述多面围挖条件下既有浅基础建筑物的保护装置的整体三维示意图(不含连接件)。
附图标记说明：
1.保护建筑物；2.建筑物浅基础；3.基坑内支撑；4.基坑围护结构(地下连续墙)；5.端头锚固结构；51.楔形垫块；52.垫板；53锚具；6.混凝土；7.外部弧形钢管；8.内部钢绞线；9.连接件；91.上部半圆形钢环；92.下部半圆形钢环；93.竖向铰接；94.半钢环水平转动座；95.螺栓水平转动座；96.螺帽；97.螺杆；98.螺孔；10.端头防水密封垫；11.端头固定螺栓。
具体实施方式
下面将结合具体实施例及其附图对本发明提供的多面围挖条件下既有浅基础建筑物的保护装置及施工方法的技术方案作进一步说明。结合下面说明，本发明的优点和特征将更加清楚。
需要说明的是，本发明的实施例有较佳的实施性，并非是对本发明任何形式的限定。本发明实施例中描述的技术特征或者技术特征的组合不应当被认为是孤立的，它们可以被相互组合从而达到更好的技术效果。本发明优选实施方式的范围也可以包括另外的实现，且这应被本发明实施例所属技术领域的技术人员所理解。
对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限定。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。
本发明的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发明实施例的目的，并非是限定本发明可实施的限定条件。任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的效果及所能达成的目的下，均应落在本发明所揭示的技术内容所能涵盖的范围内。且本发明附图中所出现的相同标号代表相同的特征或者部件，可应用于不同实施例中。
如图1至图4所示，本发明提供一种多面围挖条件下既有浅基础建筑物的保护装置，包括横、纵搭接的弧形传力结构及用于横、纵搭接的弧形传力结构的连接件9。
所述的弧形传力结构包括外部弧形钢管7、内部预应力钢绞线8及端头锚固结构5；其中，内部预应力钢绞线8穿设在外部弧形钢管7中，且可以通过内部预应力钢绞线8的应力值调节外部弧形钢管7的形状；外部弧形钢管7横、纵搭接构成弧形传力结构。
所述的外部弧形钢管7穿过坑基围护结构4，并通过端头固定螺栓11在其两端与坑基围护结构4固定连接。
所述的端头锚固结构5包括楔形垫块51、垫板52、锚具53。对应于外部弧形钢管7的端部位置，锚具53、垫板52、楔形垫块51、坑基围护结构4顺次搭接连接，同时内部预应力钢绞线8依次穿过坑基围护结构4、楔形垫块51、垫块52、锚具53；进一步，在楔形垫块51和坑基围护结构4之间还设置有端头防水密封垫10。其中，锚具53用于夹持内部预应力钢绞线8，并通过对内部预应力钢绞线8张拉对其施加预应力，内部预应力钢绞线8所产生的反作用力依次通过垫板52、楔形垫块51、端头防水密封垫10传递至基坑围护结构4。
所述的连接件9用于连接横、纵搭接的外部弧形钢管7。所述的连接件9包括上部半圆形钢环91、下部半圆形钢环92、竖向铰接93、半钢环水平转动座94、螺栓水平转动座95、螺帽96、螺杆97、螺孔98。
所述的上部半圆形钢环91的一端与下部半圆形钢环92的一端依次通过竖向铰接93、半钢环水平转动座94连接，且上部半圆形钢环91的一端与下部半圆形钢环92的一端可以绕竖向铰接93在竖平面内转动，上部半圆形钢环91的一端与下部半圆形钢环92的一端可以绕半钢环水平转动座94在水平面内转动。
所述的螺栓水平转动座95与上部半圆形钢环91的另一端固定连接，同时螺栓水平转动座95、螺帽96、螺杆97依次连接，且螺栓水平转动座95与螺帽96之间转动连接，螺帽96与螺杆97之间固定连接，螺帽96与螺杆97可绕螺栓水平转动座95在水平面内转动；所述的螺栓孔98位于下部半圆形钢环92的另一端。
所述的连接件9在实际使用过程中两两之间共同工作，其工作方式为：将甲、乙两个连接件9的上部半圆形钢环91和下部半圆形钢环92之间的角度均通过各自的半钢环水平转动座94调整到呈90°；甲、乙两个连接件9分别放置在横、纵外部弧形钢管7上，其中甲连接件9的螺杆97与乙连接件9的螺孔98相连，乙连接件9的螺杆97与甲连接件9的螺孔98相连；通过选择螺帽96，按需求紧固两个连接件9，使得横、纵搭接的外部弧形钢管7连为一体。
如图5所示，本发明还提供一种所述的多面围挖条件下既有浅基础建筑物保护装置的施工方法，包括如下步骤：
(1)保护建筑物1周边基坑的地下连续墙4施工完成，施作第一道基坑内支撑3并挖首层土至架设外部弧形钢管7底部的标高处；
(2)采用高精度定向钻，施作建筑物浅基础2下方的横、纵搭接的外部弧形钢管及其内部预应力钢绞线8，通过采用张拉内部预应力钢绞线8对其施加预应力，调整外部弧形钢管7的顶部位置至设计标高；
(3)开挖既有建筑物浅基础2周围的土体至外部弧形钢管7底部，按照所设计连接件9的工作方式，将横、纵搭接的外部弧形钢管7连接为一体；通过绑扎钢筋笼及浇筑混凝土连接既有建筑物浅基础2与横、纵搭接的外部弧形钢管7；
(4)建筑物浅基础2周围的土体回填，平整地面，完成整个保护装置的架设；
(5)基坑继续开挖过程中，根据保护建筑物1的绝对沉降及差异沉降的监测数据，对于沉降值或沉降速率超限的部位，通过有针对性地调整相应部位的内部预应力钢绞线8的预应力，进而调整外部弧形钢管7的形状以控制建筑物的沉降。
上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非是对本发明范围的任何限定。任何熟悉该领域的普通技术人员根据上述揭示的技术内容做出的任何变更或修饰均应当视为等同的有效实施例，均属于本发明技术方案保护的范围。