一种大跨度地下空间深基坑支护系统与施工方法与流程

本发明属于地下空间深基坑支护技术领域，具体涉及一种可作为临时或永久支护的大跨度地下空间深基坑支护系统；本发明还涉及一种大跨度地下空间深基坑支护系统的施工方法。

背景技术：

近些年我国城市地下空间的高度开发和大量高层建筑的兴建，伴随着地下空间大跨度、深基坑等一系列工程技术难题和施工处理措施亟待解决，众多研究者不断地探寻着施工便捷、安全高效的新方法。期待探索出一种既能确保施工安全、经济节约，又能保证质量可靠、简单方便的支护结构新技术、新工艺，是建设者们共同追求的目标。

目前深基坑支护方式有钻孔灌注排桩维护墙、地下连续墙、钢板桩或重力式维护墙等支护常用结构和施工方法。对于地质情况稍差、跨度较大的深基坑，以上方法还需要设置横向内支撑、桩锚构件等作为水平向的横向支撑。但是，深基坑设置内支撑会大大减少基坑内的施工空间，大型施工设备难以大面积施工，增加施工成本和周期；而桩锚构件的措施通常因建筑红线的限制而难以在受限空间大范围使用。钻孔灌注桩支护施工周期也较长、成本高，对环境有污染且不经济等因素。

技术实现要素：

本发明要解决的第一技术问题在于提供一种施工工序简单、绿色环保，无横向支撑的大跨度地下空间深基坑支护系统；本发明要解决的第二技术问题在于提供一种大跨度地下空间深基坑支护系统的施工方法；本发明能够大大缩短施工工期，能显著提高工程施工效率，构成支护系统的支护构件为批量预制标准化生产。

本发明解决上述第一技术问题的技术方案如下所述：一种大跨度地下空间深基坑支护系统，包括深基坑；其特征在于：深基坑内四周内壁连续设有多个支护单元，相邻的两个支护单元之间设有工字型钢板桩；支护单元包括上下左右相互对接拼装的预制支护构件，左、右两端的预制支护构件通过螺栓固定连接于工字型钢板桩；在深基坑四周内壁形成整体支护墙。

支护单元与开挖的深基坑内壁地基的间隙灌注有防水素混凝土；预制支护构件采用专利号为zl201521112761.2、名称为地下空间施工拼装用预制支护构件的中国实用新型专利；工字型钢板桩的底部固定于地层中。

根据深基坑的土质情况，每个支护单元的水平方位的预制支护构件为4～6个。

本发明提供的一种大跨度地下空间深基坑支护系统采用预制支护构件作为主体，呈连续拱形状设置在深基坑的四周，各个连续拱形单元沿基坑四周形成环状支护系统，支护系统后背与开挖地基间隙灌注防水素混凝土并填充捣实，与支护单元、工字型钢板桩共同形成整体支护系统。其受力特点是：充分利用拱形构造和砼承受压力的特点用于大跨度地下空间深基坑支护结构，能够有效的抵抗基坑侧向地基土压力作用，使每个拱形构件承受的土压力在水平方向的推力能够相互抵消并且受力平衡，因此可减少或去除基坑横向支撑；工字型钢板桩作为竖直立柱，能够承受连续拱传来的水平荷载的推力作用，同时起到固定拱形预制支护构件和支撑、抗弯作用，与相互对接拼装的预制支护构件共同承担土压力和上部传来的荷载作用。

本发明解决上述第二技术问题的技术方案如下所述：一种大跨度地下空间深基坑支护系统的施工方法，包括下述步骤：

步骤1、工字型钢板桩进入基坑底设计标高至少2m以上深度，四个边角各设置一根，其余各边按照4m、5m或6m间距设置。

步骤2、根据本施工方法相关的开发计算软件，按照工程地质相关参数，计算出深基坑每次安全开挖的深度、长度、施工开挖要求的时间对应的支护安全系数，参见表1。

步骤3、深基坑开挖方式为分层、整体开挖，根据计算的支护安全系数，得知对应的深基坑需要开挖的安全深度、安全长度和要求完成支护的时间范围，进行深基坑内的第一层土体的开挖；开挖顺序为先中部、后四周。

步骤4、对深基坑内开挖出第一层基坑空间，及时进行预制支护构件的拼装与支护系统的整体安装；预制支护构件先进行水平方位的拼装组合，完成构成支护单元的、水平方位的第一排预制支护构件拼装后，将左、右两端的预制支护构件通过固定螺栓固定在工字型钢板桩，由下至上、逐排拼装预制支护构件，逐排固定，直至完成该开挖土层的拼装；当一次支护高度（即一层土体高度）超过2m，则设置一排加劲肋板构件；加劲肋板构件是对专利号为zl201521112761.2、名称为地下空间施工拼装用预制支护构件的改进，具体结构在具体实施方式中说明。

步骤5、当一次支护高度的、深基坑支护系统拼装完成后，在构成支护单元的连续拼装的拱形预制支护构件的背部，及时灌注、捣实一定厚度的防水素混凝土，可立即受力，共同形成防护墙，起到深基坑支护和止水双重作用；

步骤6、重复步骤3至5，进行下一层基坑的土体开挖与支护工作，在相应的安全深度与安全长度及要求的时间范围内完成所有土体开挖和相应的支护；每开挖一层土体，及时支护这部分开挖土层，如此循环，直至开挖并支护至基坑设计底标高要求的深度和宽度范围。

本发明采用专利号为zl201521112761.2提供的为地下空间施工拼装用预制支护构件，进行深基坑四周水平和垂直方向的拼装组合与工字型钢板桩成联合结构，减少或去除大跨度深基坑横向支撑和地连墙的设置，解决了现有技术不能大面积展开工作面施工等难题。具有结构合理、施工大大简化、造价较低、绿色环保、节约投资、安全便捷等优势，拓展了深基坑支护开挖的新方向，使用的预制支护构件为批量预制标准化生产，能显著提高工程施工效率、确保施工质量和安全，具有良好的社会效益和经济效益。

本发明使用的拱形的预制支护构件拼装后，两端固定在垂直打入地层中的的工字型钢板桩上，用于固定预制支护构件的工字型钢板桩沿深基坑四周每隔5m间距布设，深度方向的桩长需要通过计算，且每2m高度设置一层带肋拱形构件，起到横隔梁、加强横向刚度的作用；各个连续拱形支护单元与工字型钢板桩组合，沿深基坑四周形成封闭结构，从而形成一个连续拱形的预制拼装的环状支护系统。它适用于大跨度地下空间深基坑支护，既轻质安全又不需要设横向支撑或地连墙的结构。

本发明与现有技术相比，其创造性与有益效果主要是：

1、将连续拱型支护体系承受的土压力转换成水平推力的受力优势应用至竖直向的深基坑支护体结构中，减少了深基坑横向支撑的设置，增大了施工工作面，大型机械可进行分层开挖、方便土方的向外运输。

2、将竖直设置的工字型钢板桩和水平设置的拱形的预制支护构件与加劲肋板构件同时使用在支护单元中组成的联合支护体系，增加了支护墙身整体刚度和承受荷载的能力，简化了深基坑水平向支撑的设置。具有结构构造合理、施工方便、大幅度降低施工难度和安全保障，同时，具有环保节能和减少工程投资等优势。

3、本发明使用中国实用新型专利产品zl201521112761.2、地下空间施工拼装用预制支护构件，利用该构件本身轻质泡沫砼良好的消波吸能性能、可缓冲受力等作用的可靠性，扩大专利产品的应用范围，促进专利产品的延伸与推广。

附图说明

图1为本发明总体平面布置图；

图2为图1的局部放大图；

图3为图1转角a部的放大图；

图4为工字型钢板桩的主视图；

图5为图4的俯视图；

图6为图1的局部立体结构示意图；

图7为加劲肋板构件的立体结构示意图；

图8为改进的专利号zl201521112761.2的预制支护构件的立体示意图；

图9为深基坑四个角打入工字型钢板桩的示意图；

图10为开挖出第一层基坑空间的示意图；

图11为第一层基坑空间拼装了预制支护构件的示意图；

图12为间隙灌装了防水素混凝土的示意图。

图中：1—深基坑，2—防水素混凝土，3—预制支护构件，4—工字型钢板桩，5—螺栓，6—螺帽，7—螺栓孔，8—加劲肋板构件，801—加劲肋板，9—构件螺栓孔，10—深基坑未开挖的土体，11—间隙，12—第一层基坑空间。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步详细说明。支护系统实施例；如图1、图2与图6所示：一种大跨度地下空间深基坑支护系统，包括深基坑1；其特征在于：深基坑1内四周内壁连续设有多个支护单元，相邻的两个支护单元之间设有工字型钢板桩4；支护单元包括上下左右相互对接拼装的预制支护构件3，左、右两端的预制支护构件3通过螺栓5固定连接于工字型钢板桩4；在深基坑1四周内壁形成整体支护墙。

支护单元与开挖的深基坑内壁地基的间隙11灌注有防水素混凝土2；预制支护构件采用专利号为zl201521112761.2、名称为地下空间施工拼装用预制支护构件的中国实用新型专利产品；预制支护构件为拱形；工字型钢板桩4的底部固定于地层中。

本实施例每个支护单元的水平方位的预制支护构件3为五个；根据深基坑的土质情况，每个支护单元的水平方位的预制支护构件3为四至六个。

参见图4与图5，工字型钢板桩4上每隔50cm间距设置螺栓孔7；参见图3与图8，构成支护单元的左、右两端的预制支护构件3的连接拱肋设有构件螺栓孔9；螺栓5穿过螺栓孔7与构件螺栓孔9后用螺帽6紧固后将预制支护构件3与工字型钢板桩4固定连接。

参见图3；深基坑1的四角设有工字型钢板桩4，位于深基坑四角的工字型钢板桩4的工字翼缘上也设有螺栓孔7，用以固定转角处改变方向的拱形的预制支护构件3。预制支护构件3采用标准的、长*宽*厚为1000mm*500mm*80mm的规格，相邻的工字型钢板桩4的间距按照5m布置，最终形成整体封闭的深基坑支护系统。

作为本发明的完善，在两个工字型钢板桩4之间、沿高度方向每2m设置一排加劲肋板构件8，加劲肋板构件8的结构参见图7：弧形拱状支护板的上端设有加劲肋板801，起到横隔加劲梁与增大刚度的作用；加劲肋板构件8与预制支护构件3、工字型钢板桩4共同形成方格网形带横隔梁式的整体墙面支护系统，具有抵抗土压力和止水墙双重作用。

施工方法实施例；某v级围岩地区深基坑需要开挖深度8m，基坑长度30m，宽度15m，土壤地下水中等渗漏，施工震动为中等，粘聚力降低系数kc=0.5，基坑周边堆土高度h0=1m，土壤重度17.5kn/m³，粘聚力105kpa，粘聚力变化系数0.5，围岩内摩擦角ø=20⁰；根据以上条件设计基坑开挖实施方案。

步骤1、如图9所示：按照基坑长度30m、宽度15m放线，确定基坑四个角点位置，先将长11m的工字型钢板桩4沿深基坑未开挖的土体10四个角点竖直打入，然后在深基坑未开挖的土体周边长度方向两侧各打入5根、宽度方向两侧各打入2根同样规格工字型钢板桩。

步骤2、根据与本发明相关的开发计算软件计算参数结果如下：

2.1、计算结果

2.1.1假定一次开挖长度l=15m、开挖深度h1=8m：则安全系数=1.12；总侧向水平力f=3604.74kn，最大开挖自稳定高度hz=5.86m；基坑最大无支撑长度lmax=15m（计算提示：围岩稳定，若一次开挖长度15m、深度8m，则瞬间能稳定1天，要求3小时完成有效支护）。

2.1.2假定一次开挖长度l=30m、开挖深度h1=3m：则安全系数=1.81；总侧向水平力f=1351.78kn，最大开挖自稳定高度hz=5.86m；基坑最大无支撑长度lmax=30m（计算提示：围岩短期稳定数周，要求1周完成有效支护）。

2.2、开挖深度及长度对应安全系数及要求支护完成时间计算如表2；

步骤3、根据计算的安全系数和对应的深基坑需要开挖的安全深度、安全长度和要求完成支护的时间对比分析，考虑施工安全及施工时间等综合因素，应按照上述假定二分三次进行开挖比较可靠，并符合工程实际。上面两层h1、h2每层开挖深度3m，第3层开挖深度h3=2m则达到开挖总深度8m要求。

如图10所示，进行深基坑内的第一层土体的开挖，施工开挖安全深度h1=3m，安全长度30m；开挖顺序为先中部开挖、后四周开挖；要求一周时间内完成第一层土体的开挖和相应的支护，开挖第一层土体后，形成深基坑的第一层基坑空间12，及时进入步骤4进行第一层基坑空间12内的拱形构件支护系统的拼接安装工作。

步骤4、如图11所示，对深基坑内开挖出第一层基坑空间12，及时进行预制支护构件的拼装与支护系统的整体安装；预制支护构件先进行水平方位的拼装组合，完成构成支护单元的、水平方位的第一排预制支护构件拼装后，将左、右两端的预制支护构件通过固定螺栓5固定在工字型钢板桩4，由下至上、逐排拼装预制支护构件，逐排固定，直至完成第一层基坑空间的拼装；并且在第3排设置加劲肋板构件8；一次支护高度的、深基坑支护系统拼装完成后，即第一层基坑空间支护系统拼装完成后，在构成支护单元的连续拼装的拱形预制支护构件的背部与深基坑内壁之间构成了间隙11。

步骤5、如图12所示，向间隙11及时灌注、捣实一定厚度的防水素混凝土2，可立即受力，共同形成防护墙，起到深基坑支护和止水双重作用。

步骤6、重复步骤3至5，即进行第二层土体h2=3m的开挖和支护工作，再进行第三层土体h3=2m（即基坑设计底标高h）的开挖和支护工作。

支护及施工完成后，可作为基坑永久性防护，作为建筑物的地下室、地下停车场等空间利用；也可以逐层拆除预制拱片，重复利用，起到节能的效果。