基坑支护和地基处理协同作用方法、结构及地下结构施工方法与流程

本发明涉及岩土工程领域，具体涉及一种在上硬下软复合地层中的基坑支护和地基处理协同作用方法、结构及地下结构施工方法。

背景技术：

在地下结构施工环境的诸多因素中，基础地质和工程地质特征对施工工艺的选择尤其重要，特别是在复合地层中的工程施工。复合地层是指在地下工程开挖断面范围内和开挖延伸方向上，由两种或两种以上不同地层组成。复合地层有多种类型，在本文中，复合地层特指在端面垂直方向上不同地层的组合的类型，上硬下软复合地层是其中的一种；在持力层之上，该类地层结构包含上下两层性质不同的地层，上层地层主要为细中砂层等透水性较好、质地较硬的地层，下层地层主要为欠固结淤泥等透水性较差、灵敏度高、质地较软的地层。

在复合地层中进行地下结构施工，例如管廊、下穿通道、航站楼和塔台的地下部分等地下结构施工，首先进行基坑施工，基坑开挖完成后，在基坑中施工地下结构，基坑开挖和地下结构施工过程中基坑的稳定性要求需要得到满足。为满足基坑稳定性要求，在常规基坑施工过程中，通常在基坑开挖前在基坑四周施工围护桩和被动区加固，而后进行基坑开挖，基坑开挖完成后在基坑内进行地基处理对基底进行加固，而后进行地下结构施工。由于在基坑开挖前进行了围护桩施工和被动区加固，因此基坑开挖和地下结构施工过程中对基坑稳定性的要求能够得到满足。

然而在上硬下软复合地层施工上述施工工艺存在缺陷。上层地层具有的最大厚度常常不能满足地下结构对埋置深度的需求，开挖基坑需要穿过上层较硬地层并深入到下层较软地层之中，这将造成地基处理不得不在基底的淤泥层工作，由于淤泥层承载力低，施工机械难以进入基底工作，基底加固变得非常困难甚至无法施工。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基坑支护和地基处理协同作用方法、结构及地下结构施工方法，解决现有技术中施工机械不得不在基底软弱地层上工作，导致施工困难甚至无法施工的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种基坑支护和地基处理协同作用方法，用于在上硬下软复合地层中进行基坑开挖之前对施工区域加固，依次包含以下步骤：

步骤1，在施工区域内确定基坑边线，并布设降水管井；

步骤2，对基坑被动区施工预制桩加固基坑坑底；

步骤3，在基坑边线外附近布设止水帷幕；在基坑被动区施工柔性桩加固基坑坑底，所述柔性桩与所述预制桩沿基坑纵向或横向交替间隔布置，以及沿所述基坑边线内侧施工基坑边缘加固体，沿基坑纵向每隔预设距离施工基坑内加固体，所述基坑内加固体沿基坑横向延伸并连接在所述基坑两侧沿基坑纵向延伸的所述基坑边缘加固体；

步骤4，贴合所述基坑边缘加固体外侧、沿所述基坑边线施工围护桩。

本发明还提供一种地下结构施工方法，用于在上硬下软复合地层中进行地下结构施工，依次包含以下步骤：

步骤1，在施工区域内确定基坑边线，并布设降水管井；

步骤2，对基坑被动区施工预制桩加固基坑坑底；

步骤3，在基坑边线外附近布设止水帷幕；在基坑被动区施工柔性桩加固基坑坑底，所述柔性桩与所述预制桩沿基坑纵向或横向交替间隔布置，以及沿所述基坑边线内侧施工基坑边缘加固体，沿基坑纵向每隔预设距离施工基坑内加固体，所述基坑内加固体沿基坑横向延伸并连接在所述基坑两侧沿基坑纵向延伸的所述基坑边缘加固体，以及在基坑主动区施工复合土体；

步骤4，贴合所述基坑边缘加固体外侧、沿所述基坑边线施工围护桩；

步骤5，基坑开挖，开挖所述基坑边线限定区域至预设深度，基坑宽度方向设置支撑；

步骤6，在所述基坑中施工地下结构；

步骤7，地下结构搭板位置下土体回填，施工搭板，基坑回填。

本发明还提供一种基坑支护和地基处理协同作用结构，用于在上硬下软复合地层中进行基坑开挖之前对施工区域加固，所述基坑具有基坑边线，所述基坑支护和地基处理协同作用结构包括：

止水帷幕和降水管井，布设在施工区域内；

预制桩，布设在基坑被动区内以加固基坑坑底；

柔性桩，布设在基坑被动区内以加固基坑坑底，所述柔性桩与所述预制桩沿基坑纵向或横向交替间隔布置；

基坑边缘加固体，布设在沿所述基坑边线内侧；

基坑内加固体，沿基坑纵向每隔预设距离分布，所述基坑内加固体沿基坑横向延伸并连接在所述基坑两侧沿基坑纵向延伸的所述基坑边缘加固体；

以及围护桩，贴合所述基坑边缘加固体外侧、沿所述基坑边线分布。

相比于现有技术，本发明的有益效果在于：

在基坑开挖之前施工基坑支护和地基处理协同作用结构和方法，能够保证基坑开挖中和开挖后基坑区域土体的稳定性，上层地层降排水后土体可有效固结，强度较高，满足施工机械的施工需求，避免了施工机械在淤泥层上难以工作的问题。

优选的，所述步骤3中，还包括在基坑主动区施工复合土体；所述步骤4中，采用长短桩间隔布置所述围护桩。施工复合土体加固和改良主动区土体，能够减少围护桩体系的土压力，有利于优化围护桩机构；采用长短桩间隔布置所述围护桩，能够保证支护体系稳定的同时，节省大量的施工材料和提高施工效率。

优选的，所述复合土体至少包含第一复合土体单元和第二复合土体单元；所述第一复合土体单元包含第一桩体和所述第一桩体承担的桩间土体，所述第一桩体贴近所述基坑边线，所述第一桩体的桩端深入持力层，述第二复合土体单元包含第二桩体和所述第二桩体承担的桩间土体；所述第二桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离大于所述第一桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离，所述第二复合土体单元的桩土置换率小于所述第一复合土体单元的桩土置换率。

优选的，所述复合土体还包含第三复合土体单元，所述第三复合土体单元包含第三桩体和所述第三桩体承担的桩间土体，所述第三桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离大于所述第二桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离，所述第三复合土体单元的桩土置换率小于所述第二复合土体单元的桩土置换率。通过调整基坑主动区土体的桩土置换率，使距离基坑较远的土体的桩土置换率小于距离基坑较近的土体的桩土置换率，为基坑至施工区域周边间的土体差异沉降起到过渡作用，从而有效满足地下结构所在例如机场建设等工程对土体差异沉降更为严格的要求。

优选的，在所述步骤2之前，以预设放坡高度施工摘帽支护形成边坡和摘帽平台，所述基坑边线限定区域位于所述摘帽平台上，所述预设放坡高度不超过上层地层深度；在所述摘帽平台处施工所述预制桩、柔性桩、基坑边缘加固体和基坑内加固体。相比其他支护方式，摘帽桩撑支护施工更加简单，施工周期更短；摘帽施工减小了预制桩、柔性桩、基坑边缘加固体和基坑内加固体等桩体所需的桩长，节省大量施工材料。

优选的，所述基坑支护和地基处理协同作用结构还包括布设在基坑主动区的复合土体，所述围护桩为长短桩间隔布置。

优选的，所述基坑支护和地基处理协同作用结构还包括摘帽支护结构，所述摘帽支护结构包含边坡和摘帽平台，所述边坡以预设放坡高度设置，所述预设放坡高度不超过上层地层深度；所述基坑边线限定区域位于所述摘帽平台上，所述预制桩、柔性桩、基坑边缘加固体和基坑内加固体布设在所述摘帽平台处。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例，下面将对实施例中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例中基坑支护和地基处理协同作用结构的整体示意图；

图2为本发明实施例中基坑支护和地基处理协同作用结构的俯视图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

在以下描述中，基坑纵向和横向分别指基坑底所在平面长度方向和宽度方向；桩体纵向和横向分别指桩体长度方向和与所述长度方向垂直的方向；内侧和外侧分别指靠近基坑中心的一侧和远离基坑中心的一侧；内侧方向是指由基坑中心指向基坑边线的方向，外侧方向是指由基坑边线指向基坑中心的方向；“上”、“下”、“顶”、“底”等方向仅是相对于附图中所示基坑的定向而言的，并且随基坑的实际方向而变化。

本实施例公开一种基坑支护和地基处理协同作用方法，用于在上硬下软复合地层中进行基坑开挖之前对施工区域加固，依次包含以下步骤：

步骤1，在施工区域内确定基坑边线，并布设降水管井；

步骤2，对基坑被动区施工预制桩加固基坑坑底；

步骤3，在基坑边线外附近布设止水帷幕；在基坑被动区施工柔性桩加固基坑坑底，所述柔性桩与所述预制桩沿基坑纵向或横向交替间隔布置，以及沿所述基坑边线内侧施工基坑边缘加固体，沿基坑纵向每隔预设距离施工基坑内加固体，所述基坑内加固体沿基坑横向延伸并连接在所述基坑两侧沿基坑纵向延伸的所述基坑边缘加固体；

步骤4，贴合所述基坑边缘加固体外侧、沿所述基坑边线施工围护桩。

基坑边线通常为合围成一封闭矩形区域的四条线段，该封闭矩形区域为基坑边线限定区域。基坑边线限定区域为待开挖的基坑区域，基坑开挖范围主要受潜水影响，局部受承压水影响。利用上部潜水地层透性强，富水性好，水量较大的特点，上层地层采用布置降水井抽排浅层水控制地下水；下部潜水因混有淤泥质黏土，透水性差，采用围护桩桩后设置止水帷幕控制深层水；坑内配合疏干井进行地下水控制。其中，止水帷幕可选用三轴深层深搅桩，桩端深入有效隔水层，采用两搅两喷套接一孔法施工。基底位置预先设置排水盲沟和疏干井，排水盲沟沿基坑区域周边布置。降水井及疏干井采用管井降水，管井可采用无砂混凝土滤管,并用竹匹保护；滤管范围内回填滤料，外包尼龙网，井口用粘土球封填。基坑开挖前完成地表排水系统和基坑周边施工区域的硬化和封闭，以避免地面积水。

基坑边缘加固体和基坑内加固体采用三轴搅拌桩，桩体桩径、桩间距、基坑内加固体间距、基坑边缘加固体和基坑内加固体的加固宽度和深度根据实际情况进行选取。在一些实施例中，基坑顶部和底部分别距地表深度6m和11m，基坑长度700m、净宽度12m，所述三轴搅拌桩的桩径为0.85m、桩间距1.2m，坑内加固深度5m、宽度为3m，沿基坑纵向每间隔12m施工基坑内加固体将基坑两侧基坑边缘加固体横向连接。

围护桩外侧土体区域为基坑主动区，围护桩受到基坑主动区中土压力作用产生变形；围护桩内侧土体区域为基坑被动区，围护桩变形后受到基坑被动区中土压力作用。预制桩为刚性桩，预制桩可根据地层基岩起伏设置桩长，桩端进入持力层，桩顶设置桩帽。在一些实施例中，基坑被动区采用预制桩结合水泥土搅拌桩复合地基，水泥土搅拌桩桩长小于预制桩桩长，水泥土强度满足地基处理强度需求。在本实施例中，在基坑开挖之前施工基坑支护和地基处理协同作用结构和方法，能够保证基坑开挖中和开挖后基坑区域土体的稳定性，上层地层降排水后土体可有效固结，强度较高，满足施工机械的施工需求，避免了施工机械在淤泥层上难以工作的问题。

在一些优选的实施例中，在桩顶之上还铺设加筋碎石垫层以进一步控制沉降变形。加筋碎石垫层的铺设过程包括在垫层内自桩帽往上每铺设一定厚度碎石再铺设一层加筋材料，加筋碎石垫层可设置多层；加筋材料具有足够的拉伸强度，可选用聚丙烯双拉土工格栅等常用材料作为加筋材料。

具体的，在预制桩施工完成后、围护桩施工之前，在基坑主动区施工复合土体；施工复合土体即通过改变基坑主动区的桩土置换率来加固和改良主动区土体，能够减少围护桩体系的土压力，有利于优化围护桩机构。在一些优选的实施例中，采用长短桩间隔布置所述围护桩，其中，长桩的桩长与相同条件下、通常采用的全部使用长桩布置围护桩的工艺中的桩长相同，短桩相对长桩除桩长更短外其它方面均相同；其中，至少两根长桩间设置有至少一根短桩，例如，在每一根长桩两侧各设置一根短桩，在每一根短桩两侧各设置一根长桩。与通常采用的全部使用长桩布置围护桩的工艺相比，上述采用一定数量的短桩替换一部分长桩会对基坑隆起稳定性产生不利影响，但由于在施工围护桩之前已经完成了基坑地基处理、主动区加固和被动区加固工作，基坑隆起能够被有效抑制，同时短桩替换长桩不影响基坑整体稳定性，因此在桩距和总桩数相同下、与全部使用长桩布置围护桩相比，不但同样能保证支护体系稳定，还可节省大量的施工材料和提高施工效率。

具体的，所述复合土体至少包含第一复合土体单元和第二复合土体单元；所述第一复合土体单元包含第一桩体和所述第一桩体承担的桩间土体，所述第一桩体贴近所述基坑边线，所述第一桩体的桩端深入持力层，述第二复合土体单元包含第二桩体和所述第二桩体承担的桩间土体；所述第二桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离大于所述第一桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离，所述第二复合土体单元的桩土置换率小于所述第一复合土体单元的桩土置换率。

桩土置换率为桩体积与所在复合土体单元体积之比。桩体纵向轴线至基坑边线的距离等同于桩体纵向轴线在四条基坑边线所在平面上的点至所述基坑边线的距离，桩体纵向轴线至基坑边线的最短距离为桩体纵向轴线至多条基坑边线的多个距离中的最小值。

第一桩体纵向轴线与相邻的第二桩体纵向轴线相对于第一复合土体单元和第二复合土体单元的分界面相互对称；当第一复合土体单元作为最内侧的复合土体单元时，其在第一桩体内侧的部分的体积不大于其在第一桩体外侧的部分的体积；当第二复合土体单元作为最外侧的复合土体单元时，其在第二桩体内侧的部分的体积不小于其在第二桩体外侧的部分的体积。第一桩体和第二桩体可采用三轴搅拌桩、单轴深层搅拌桩等常用桩型，桩径根据实际需求进行选取。所述复合土体可包含一根或多根第一桩体，多根第一桩体纵向轴线分别与所述基坑边线的最短距离相互大致相同；所述复合土体可包含一根或多根第二桩体，多根第二桩体纵向轴线分别与所述基坑边线的最短距离大致相同。

可通过改变复合土体单元中桩体的长细比来调整其桩土置换率。一些实施例中，第一复合土体单元和第二复合土体单元体积相同，布置第一桩体和第二桩体的桩径相同，第一桩体桩长大于第二桩体桩长；另一些实施例中，第一复合土体单元和第二复合土体单元体积相同，布置第一桩体和第二桩体的桩长相同，第一桩体桩径大于第二桩体桩径。

具体的，所述复合土体还包含第三复合土体单元，所述第三复合土体单元包含第三桩体和所述第三桩体承担的桩间土体，所述第三桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离大于所述第二桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离，所述第三复合土体单元的桩土置换率小于所述第二复合土体单元的桩土置换率。

第二桩体纵向轴线与相邻的第三桩体纵向轴线相对于第二复合土体单元和第三复合土体单元的分界面相互对称。第三桩体可采用三轴搅拌桩、单轴深层搅拌桩等常用桩型，桩径根据实际需求进行选取。所述复合土体可包含一根或多根第三桩体，每根第三桩体纵向轴线与所述基坑边线的最短距离大致相同。

可通过改变桩间距来调整桩土置换率。一些实施例中，第二桩体和第三桩体的桩长和桩径相同，布置第一桩体纵向轴线至相邻第二桩体纵向轴线的距离小于第二桩体纵向轴线至相邻第三桩体纵向轴线的距离，这使得第二土体单元在第二桩体内侧的部分的体积小于其在第二桩体外侧的部分的体积，同时第二土体单元在第二桩体外侧的部分的体积与第三土体单元在第三桩体内侧的部分的体积相同，第三土体单元在第三桩体内侧的部分的体积不小于其在在第三桩体外侧的部分的体积，因此第三复合土体单元体积大于第二复合土体单元体积，使得第三复合土体单元的桩土置换率小于第二复合土体单元的桩土置换率。同理，此时第二复合土体单元的桩土置换率小于第一复合土体单元的桩土置换率。

每一复合土体单元中，上部荷载是由桩体本身和桩体承担的桩间土体共同承担，桩土置换率越大，桩体本身承载的荷载越大，复合土体单元整体压缩模量越小，沉降也越小。通过调整基坑主动区土体的桩土置换率，使距离基坑较远位置的土体的桩土置换率小于距离基坑较近位置的土体的桩土置换率，为基坑至施工区域周边间的土体差异沉降起到过渡作用，从而有效满足地下结构所在例如机场建设等工程对土体差异沉降更为严格的要求。因此，本领域技术人员能够容易理解，当施工需要布置更多距基坑边线距离不同的复合土体单元时，仍可通过上述方法调整得到桩土置换率适当的复合土体单元。

具体的，在所述步骤2之前，以预设放坡高度施工摘帽支护形成边坡和摘帽平台，所述基坑边线限定区域位于所述摘帽平台上，所述预设放坡高度不超过上层地层深度，在所述摘帽平台处施工所述预制桩、柔性桩、基坑边缘加固体和基坑内加固体。

边坡和摘帽平台的范围覆盖了基坑的主要施工区域，包括基坑主动区和基坑被动区。一些优选的实施例中，在摘帽平台处施工所述复合土体。

一方面，由于上层地层较硬，因此边坡和摘帽平台稳定性较强，能够满足基坑加固和开挖施工需求，相比其他支护方式摘帽桩撑支护施工更加简单，施工周期更短；另一方面，摘帽施工减小了预制桩、柔性桩、基坑边缘加固体和基坑内加固体等桩体所需的桩长，节省大量施工材料。

本实施例公开一种地下结构施工方法，用于在上硬下软复合地层中进行地下结构施工，依次包含以下步骤：

步骤1，在施工区域内确定基坑边线，并布设降水管井；

步骤2，对基坑被动区施工预制桩加固基坑坑底；

步骤3，在基坑边线外附近布设止水帷幕；在基坑被动区施工柔性桩加固基坑坑底，所述柔性桩与所述预制桩沿基坑纵向或横向交替间隔布置，以及沿所述基坑边线内侧施工基坑边缘加固体，沿基坑纵向每隔预设距离施工基坑内加固体，所述基坑内加固体沿基坑横向延伸并连接在所述基坑两侧沿基坑纵向延伸的所述基坑边缘加固体，以及在基坑主动区施工复合土体；

步骤4，贴合所述基坑边缘加固体外侧、沿所述基坑边线施工围护桩；

步骤5，基坑开挖，开挖所述基坑边线限定区域至预设深度，基坑宽度方向设置支撑；

步骤6，在所述基坑中施工地下结构；

步骤7，地下结构搭板位置下土体回填，施工搭板，基坑回填。

地下结构可以为例如管廊、下穿通道、航站楼和塔台的地下部分等常见的地下结构。在一些实施例中，如图1所示，随着基坑开挖，分别在基坑顶部和基坑中部的深度处设置两道支撑8，以增加基坑稳定性。尽管支撑被示出为如前所述，但应当可以理解，支撑设置的数量和位置可根据实际工程的需要进行调整。

地下结构搭板位置下土体回填至搭板位置后，进行搭板施工及回填基坑。基坑回填可采用石屑、碎石土和场内素土等材料。可采取在地下结构搭板以下的回填土体内铺设土工合成材料，以及回填顶面外延一定范围内通铺土工合成材料等方法，减小基坑回填与周边的差异沉降。

如图1和图2所示，本实施例公开一种基坑支护和地基处理协同作用结构，用于在上硬下软复合地层中进行基坑开挖之前对施工区域加固，

所述基坑1具有基坑边线11，所述基坑支护和地基处理协同作用结构包括：

止水帷幕21和降水管井22，布设在施工区域内；

预制桩31，布设在基坑被动区12内以加固基坑坑底；

柔性桩32，布设在基坑被动区12内以加固基坑坑底，所述柔性桩32与所述预制桩31沿基坑纵向或横向交替间隔布置；

基坑边缘加固体41，布设在沿所述基坑边线11内侧；

基坑内加固体42，沿基坑纵向每隔预设距离分布，所述基坑内加固体42沿基坑横向延伸并连接在所述基坑1两侧沿基坑纵向延伸的所述基坑边缘加固体41；

以及围护桩5，贴合所述基坑边缘加固体41外体外侧、沿所述基坑边线11分布。

具体的，所述基坑支护和地基处理协同作用结构还包括布设在基坑主动区13的复合土体，所述围护桩5为长短桩间隔布置。

具体的，所述复合土体至少包含第一复合土体单元和第二复合土体单元；所述第一复合土体单元包含第一桩体61和所述第一桩体61承担的桩间土体，所述第一桩体61贴近所述基坑边线11，所述第一桩体61的桩端深入持力层，述第二复合土体单元包含第二桩体62和所述第二桩体62承担的桩间土体；所述第二桩体62纵向轴线与所述基坑边线11的最短距离大于所述第一桩体61纵向轴线与所述基坑边线11的最短距离，所述第二复合土体单元的桩土置换率小于所述第一复合土体单元的桩土置换率。

具体的，所述复合土体还包含第三复合土体单元，所述第三复合土体单元包含第三桩体63和所述第三桩体63承担的桩间土体，所述第三桩体63纵向轴线与所述基坑边线11的最短距离大于所述第二桩体62纵向轴线与所述基坑边线11的最短距离，所述第三复合土体单元的桩土置换率小于所述第二复合土体单元的桩土置换率。

具体的，所述基坑支护和地基处理协同作用结构还包括摘帽支护结构，所述摘帽支护结构包含边坡71和摘帽平台72，所述边坡71以预设放坡高度设置，所述预设放坡高度不超过上层地层深度；所述基坑边线11限定区域位于所述摘帽平台72上，所述预制桩31、柔性桩32、基坑边缘加固体41和基坑内加固体42布设在所述摘帽平台72处。

显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。