本發(fā)明涉及一種凍土釘墻支護施工工程，尤其是涉及一種高水位軟土基坑凍土釘墻支護結構體系及施工方法。

背景技術：

由于土地資源的緊缺，城鎮(zhèn)建設中高層及超高層建筑大量涌現(xiàn)，深基坑工程越來越多，深基坑支護一般施工方法復雜、安全風險大、工程造價高，選擇合適的支護方法對保證基坑安全、節(jié)約施工成本尤為重要。目前，在高水位的軟土地區(qū)常采用的支護方式有鉆孔咬合樁和地下連續(xù)墻。鉆孔咬合樁是鉆孔灌注樁與水泥土攪拌樁相互咬合的一種基坑支護結構，由鋼筋混凝土灌注樁承擔水平向的土壓力，水泥土攪拌樁結合鉆孔灌注樁共同擋水；地下連續(xù)墻施工需先修筑導墻，然后在導墻內(nèi)分段挖豎直槽，挖槽過程中采用泥漿護壁，然后吊放鋼筋籠，水下澆筑混凝土，一段一段連接成一堵地下鋼筋混凝土連續(xù)墻，成為永久性的支護結構。上述兩種方法支護高水位軟土基坑技術較為成熟，但具有如下缺點：①支護成本特別高；②支護施工工期長且施工難度大；③施工中需要泥漿護壁，易污染環(huán)境。

土釘墻支護是一種原位土體加固技術，其受力特點是通過斜向土釘對基坑邊坡土體的加固，增加邊坡的抗滑力和抗滑力矩，達到穩(wěn)定基坑邊坡的作用，該支護方法施工方法簡單、支護成本很低，經(jīng)濟效益明顯。土釘支護一般適用于可塑、硬塑或堅硬狀態(tài)的粘性土土層，在軟土地區(qū)，由于軟土強度低，土釘與土之間的摩擦力較小，土釘?shù)目拱纬休d力不足，土釘易被拔出，故無法應用土釘墻；另外，土釘墻沒有擋水能力，也不適用于高水位基坑。

目前，高水位軟土基坑支護存在的主要問題有如下幾點：

1、鉆孔咬合樁和地下連續(xù)墻能夠支護高水位軟土基坑，但支護成本高、支護施工工期長、施工方法復雜、易污染環(huán)境。

、土釘墻支護成本低、工期短、無污染，但在軟土基坑中土釘?shù)目拱纬休d力不足，故無法應用到軟土基坑。

、土釘墻支護無防水能力，不適用于地下水位高于坑底的基坑支護。

在高水位軟土地區(qū)進行基坑支護，如想達到支護成本低、支護工藝簡單、支護工期短、無環(huán)境污染的目的，可以考慮采取類似土釘墻支護的方式，但必須解決兩個問題：一是土釘抗拔承載力不足的問題，二是土釘墻不能擋水的問題。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是：提供一種高水位軟土基坑凍土釘墻支護結構體系及施工方法，其支護成本低、施工工期短、不會污染環(huán)境，而且解決了上層土釘易被拔出、下層土釘抗拔承載力不足的問題，同時還具有強大的擋水能力。

本發(fā)明的技術方案是：一種高水位軟土基坑凍土釘墻支護結構體系，包括若干個沿基坑周邊地面豎直鉆入的凍結管，若干個由基坑邊坡坡面鉆入、且呈規(guī)則排列的鋼管式土釘，以及設于基坑邊坡坡面外側壁上的混凝土防沖刷面板；在所述凍結管下端、位于地下水位線以下設有垂直于基坑周邊地面的凍土帷幕防水墻，其中位于地下水位線以上的鋼管式土釘內(nèi)部設有凍結管、末端設有凍土錨固頭，其余鋼管式土釘末端鉆入凍土帷幕防水墻內(nèi)錨固。

作為優(yōu)選的技術方案，所述鋼管式土釘包括鉆頭以及多節(jié)中空鋼管，所述多節(jié)中空鋼管的節(jié)與節(jié)之間采用螺紋連接。

作為優(yōu)選的技術方案，所述鋼管式土釘鉆入深度位于基坑滑裂面以下。

作為優(yōu)選的技術方案，所述凍土帷幕防水墻頂端與所述基坑滑裂面交叉。

一種高水位軟土基坑凍土釘墻支護結構體系的施工方法，包括以下步驟：

第一步：在基坑周邊打設凍結管，凍結管安裝完畢后開始凍結并在地下水位線以下形成凍土帷幕防水墻；

第二步：分層開挖地下水位線上層土體，每層開挖完畢后安裝前端帶鉆頭的鋼管式土釘，在該層鋼管式土釘內(nèi)部安裝凍結管，連接冷源，對鋼管式土釘端頭進行凍結，形成擴大的凍結錨固頭，然后在基坑邊坡坡面上安裝預制混凝土防沖刷面板；

第三步：分層開挖地下水位線下層土體，每層開挖完畢后安裝前端帶鉆頭的鋼管式土釘，該層鋼管式土釘伸入凍土帷幕防水墻內(nèi)錨固，然后在基坑邊坡坡面上安裝預制混凝土防沖刷面板；

第四步：施工地下結構，待地下結構施工完成后，由下向上逐層拔出多節(jié)中空鋼管，最后停止凍結，施工完成。

作為優(yōu)選的技術方案，所述鋼管式土釘包括鉆頭以及多節(jié)中空鋼管，所述多節(jié)中空鋼管的節(jié)與節(jié)之間采用螺紋連接。

本發(fā)明的優(yōu)點是：

1．本發(fā)明提出一種適用于深度小于10米的高水位軟土基坑凍土釘墻支護結構體系，施工用材料可以完全回收，施工成本僅為人工費和機械費，支護費用極低，解決了在高水位軟土基坑中采用鉆孔咬合樁和地下連續(xù)墻支護成本高的問題；

2．本發(fā)明打設凍結管用時很少，打設完凍結管就可以開挖，支護工期短，解決了鉆孔咬合樁和地下連續(xù)墻支護施工工期長的問題，同時施工過程無需泥漿護壁，不會污染環(huán)境；

3．本發(fā)明一、二層土釘端部設有凍土錨固頭，錨固頭的外表面積為原來土釘面積的100倍左右，大大增加了土釘?shù)目拱纬休d力，解決了一、二層土釘易被拔出的問題；

4．本發(fā)明下層鋼管式土釘錨固在凍土帷幕防水墻內(nèi)，凍土帷幕防水墻無側限抗壓強度約為6-10MPa，凍土與土釘間的粘結力足以錨固下層土釘，凍土墻位于潛在滑裂面外側，解決了下層土釘抗拔承載力不足的問題；

5．本發(fā)明凍土帷幕防水墻具有強大的擋水能力，由凍土帷幕防水墻作為基坑外圍的擋水構件，解決了土釘墻結構不能擋水的問題；

6．本發(fā)明鋼管式土釘為分段螺旋連接，支護完成后進行凍土解凍，解凍后的凍土失去對土釘?shù)恼辰Y力，土釘用很小的力就可以分段拔出，實現(xiàn)回收再利用。

附圖說明

下面結合附圖及實施例對本發(fā)明作進一步描述：

圖1為本發(fā)明結構示意圖；

圖2為本發(fā)明鋼管式土釘?shù)慕Y構示意圖；

其中：1基坑，2凍結管，3鋼管式土釘，31鉆頭，32多節(jié)中空鋼管，33螺紋，4混凝土防沖刷面板，5地下水位線，6凍土帷幕防水墻，7凍土錨固頭，8基坑滑裂面。

具體實施方式

實施例：

（1）施工工藝流程

打設凍結孔→安裝凍結管→開始凍土帷幕凍結→分層開挖（地下水位線）上層土體（第一、二層土）→安裝第一、二層鋼管式土釘→凍結第一、二層鋼管式土釘形成凍土錨固頭→安裝預制混凝土（防沖刷）面板→分層開挖（地下水位線）下層土體→安裝鋼管式土釘→安裝預制混凝土（防沖刷）面板→地下工程施工→由下向上逐層拔出鋼管式土釘→分層回填土→停止凍結。

（2）凍結設備安裝

凍結設備安裝施工操作要點:施工過程中應加強對每個施工工序的管理，控制好凍結孔成孔質量、凍結管安裝質量、凍結站安裝質量、做好凍結過程的檢測。

）凍結孔開孔施工

①開孔間距誤差控制在±20mm內(nèi)，在打鉆設備就位前，用儀器精確確定開孔孔位，以提高定位精度。

②準確丈量鉆桿尺寸，控制鉆進深度。

③按要求鉆進、用燈光測斜，偏斜過大則進行糾偏。鉆進3m時，測斜一次，如果偏斜不符合設計要求，立即采取調(diào)整鉆孔角度及鉆進參數(shù)等措施進行糾偏，如果鉆孔仍然超出設計規(guī)定，則進行補孔。

）凍結管試漏與安裝

凍結管（含測溫管）采用絲扣聯(lián)接加焊接，管子端部采用底蓋板和底錐密封。凍結管安裝完，進行水壓試漏，初壓力0.8MPa，經(jīng)30分鐘觀察，降壓≤0．05MPa，再延長15分鐘壓力不降為合格，否就近重新鉆孔下管。

）凍結系統(tǒng)安裝與調(diào)試

①按1.5倍制冷系數(shù)選配制冷設備，為確保凍結施工順利進行，冷凍站安裝足夠的備用制冷機組。冷凍站運轉期間，要有兩套的配件，備用設備完好，確保冷凍機運轉正常，提高制冷效率。

②管路用法蘭連接，在鹽水管路和冷卻水循環(huán)管路上要設置伸縮接頭、閥門和測溫儀、壓力表、流量計等測試元件。鹽水管路經(jīng)試漏、清洗后用聚苯乙烯泡沫塑料保溫，保溫厚度為50mm，保溫層的外面用塑料薄膜包扎。集配液圈與凍結管的連接用高壓膠管，每根凍結管的進出口各裝閥門一個，以便控制流量。

③冷凍機組的蒸發(fā)器及低溫管路用棉絮保溫，鹽水箱和鹽水干管用50mm厚的聚苯乙烯泡沫塑料板保溫。

④機組充氟和冷凍機加油按照設備使用說明書的要求進行。首先進行制冷系統(tǒng)的檢漏和氮氣沖洗，在確保系統(tǒng)無滲漏后，再充氟加油。

⑤設備安裝完畢后進行調(diào)試和試運轉。在試運轉時，要隨時調(diào)節(jié)壓力、溫度等各狀態(tài)參數(shù)，使機組在有關工藝規(guī)程和設備要求的技術參數(shù)條件下運行。

⑥冷凍站安裝完成后要按《礦山井巷工程施工及驗收規(guī)范》要求進行試漏和抽真空，確保安裝質量符合設計要求。

（3）凍土帷幕防水墻凍結施工

1）凍結試運轉

在凍結試運轉過程中，定時檢測鹽水溫度、鹽水流量和凍土帷幕擴展情況，必要時調(diào)整凍結系統(tǒng)運行參數(shù)。凍結系統(tǒng)運轉正常后進入積極凍結。

）積極凍結

積極凍結，就是充分利用設備的全部能力，盡快加速凍土發(fā)展，在設計時間內(nèi)把鹽水溫度降到設計溫度。積極凍結鹽水溫度一般控制在-25～-28℃之間。

）維護凍結

維護凍結，就是通過對凍結系統(tǒng)運行參數(shù)的調(diào)整，提高或保持鹽水溫度，降低或停止凍土的繼續(xù)發(fā)展，維持結構施工的要求。維持凍結鹽水溫度一般控制在-22～-25℃之間，維護凍結時間由地下結構施工的時間決定。

（4）土方開挖

1）測量放線

根據(jù)地下工程施工的要求，確定基坑邊坡的下邊線位置，并根據(jù)坡度大小，放出邊坡的上邊線。每層土方開挖完畢并修整完邊坡后，根據(jù)施工準備階段制定的施工方案放出土釘?shù)奈恢镁€，然后進行其他工作。

）土方開挖

基坑開挖應按設計要求分層開挖，分層開挖高度由設計要求土釘?shù)呢Q向距離確定，超挖不低于土釘向下0.5m。分層開挖長度也宜分段進行，分段長度按土體可能維持不塌的自穩(wěn)時間和施工流程相互銜接情況而定。

）修理邊坡

在挖土過程中及時進行側壁的修補，保證坡度滿足施工要求，因為此項工藝直接關系到預制混凝土防沖刷面板的安裝，故要嚴格按要求施工。

（5）鋼管式土釘安裝

1）土釘成孔

土釘成空前，應按設計要求定出孔位并作出標記和編號，成孔過程中遇到障礙需要調(diào)整孔位時，不得損害支護原定的安全程度。成孔過程中應做好成孔記錄，按土釘編號逐一記載成孔質量和成孔事故處理。

）土釘安裝

本發(fā)明采用的土釘為前端帶鉆頭的中空鋼管，無需像普通土釘一樣先成孔、再放置鋼筋、后進行孔內(nèi)灌漿，本發(fā)明土釘成孔與土釘安裝一次進行，成孔結束土釘即完成安裝。

（6）凍土錨固頭凍結

1）土釘內(nèi)放置凍結管

根據(jù)設計的凍土錨固頭長度，在鋼管式土釘內(nèi)放置凍結管，凍結管應深入土釘?shù)撞?，凍結管長度由凍土錨固頭的設計長度確定。

）積極凍結

積極凍結，就是充分利用設備的全部能力，盡快加速凍土發(fā)展，在設計時間內(nèi)把鹽水溫度降到設計溫度。積極凍結鹽水溫度一般控制在-25～-28℃之間。凍土錨固頭一般設計半徑為300mm，積極凍結時間可根據(jù)土熱參數(shù)計算獲得。

）維護凍結

維護凍結，就是通過對凍結系統(tǒng)運行參數(shù)的調(diào)整，提高或保持鹽水溫度，降低或停止凍土的繼續(xù)發(fā)展，維持結構施工的要求。維持凍結鹽水溫度一般控制在-22～-25℃之間，維護凍結時間由地下結構施工的時間決定。

（7）鋼管式土釘回收

拆除預制混凝土面板，在土釘鋼管內(nèi)進行熱水循環(huán)，將土釘周圍的凍土融化，接著反方向旋轉土釘，將土釘從土層中旋出，分節(jié)卸下土釘管，回收再利用。

上述實施例僅例示性說明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對上述實施例進行修飾或改變。因此，舉凡所屬技術領域中具有通常知識者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應由本發(fā)明的權利要求所涵蓋。