本發(fā)明屬于城市軌道交通施工和橋梁施工領(lǐng)域方形深基坑開挖領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在城市軌道交通施工領(lǐng)域中和橋梁施工領(lǐng)域方形深基坑開挖中，由于基坑位于強(qiáng)滲透的富水砂層地層中，基坑在開挖過程中需承受巨大的水壓力和土壓力，方形基坑受力后變形大，自穩(wěn)性差。

1、這類富水砂卵層中方形深基坑開挖具有以下特征：

1)深基坑位于砂卵層中，地層滲透系數(shù)很大。

2)基坑開挖深度深，有的開挖深度超過40米，開挖產(chǎn)生的土壓力大，開挖過程中基坑變形大，難于采用降水疏干干挖挖到底。

3)圍護(hù)結(jié)構(gòu)為方形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)本身抵抗土壓力能力相對(duì)較差。

4)開挖難度大，開挖安全風(fēng)險(xiǎn)非常高，如果開挖方法不當(dāng)容易引起開挖容易圍護(hù)結(jié)構(gòu)涌水、涌沙，甚至造成基坑垮塌。

2、傳統(tǒng)的富水砂層高承壓方形深基坑開挖方法：

為確?；影踩?，傳統(tǒng)的富水砂層高承壓方形深基坑均采用全部帶水開挖方法。其施工方法為：等圍護(hù)結(jié)構(gòu)和頂部第一道混凝土撐做好后，直接向基坑內(nèi)回灌水位至一定的標(biāo)高，采用砂石泵在基坑內(nèi)循環(huán)抽取泥水至基坑外的多級(jí)沉淀池進(jìn)行過濾、沉淀，同步將沉淀池上部的沉淀過的泥水抽回到基坑內(nèi)以保持基坑內(nèi)的水位標(biāo)高，通過反復(fù)循環(huán)抽泥、沉淀，從而達(dá)到將基坑內(nèi)的泥土取出到基坑外的目的。

由于在基坑開挖前就在基坑內(nèi)回灌了較高的水位，故這類施工方法在開挖過程無法在基坑內(nèi)施工混凝土撐或施加鋼支撐。取土后基坑外產(chǎn)生的巨大土壓力完全需依靠基坑內(nèi)回灌的高水頭差來抵抗。

基坑開挖封底好后，等封底混凝土強(qiáng)度滿足設(shè)計(jì)要求后，進(jìn)行基坑內(nèi)抽水，由于基坑在開挖過程中沒有施工混凝土撐及鋼支撐，抽水達(dá)到一定深度后，地連墻難于承受基坑外側(cè)的土壓力，必須安裝鋼支撐才能繼續(xù)往下抽水。

3、傳統(tǒng)的富水砂層高承壓方形深基坑全部“帶水開挖”方法的局限性：

1)開挖過程中地連墻變形大、安全風(fēng)險(xiǎn)高：由于帶水開挖過程中無法施工混凝土支撐，也不能安裝鋼支撐，整個(gè)基坑頂部只有一道混凝土支撐，當(dāng)基坑開挖較深時(shí)，基坑內(nèi)的水壓無法平衡基坑外的土壓時(shí)，地連墻需承受較大的土壓力，造成基坑變形過大，甚至造成地連墻開裂、垮塌。

2)開挖深度受地下水位和地連墻的剛度影響大，開挖深度相對(duì)較?。寒?dāng)?shù)叵滤惠^高時(shí)，基坑內(nèi)采取灌水提供的水頭差十分有限，必然要靠地連墻本身來抵抗一部分開挖所產(chǎn)生的不平衡土壓力，由于地連墻只有一道混凝土支撐，且基坑圍護(hù)結(jié)構(gòu)為四方形，這樣造成地連墻本身抗土壓力的能力十分有限，因此大大制約了基坑的開挖深度。地下水位越高，則基坑的可開挖的安全深度就越淺。

3)地連墻較厚，工程量大，總造價(jià)高。由于采取全部采取帶水開挖，地連墻在開挖區(qū)域不能設(shè)置混凝土支撐或鋼支撐，造成地連墻受力差，當(dāng)開挖深度較深時(shí)，則必然要極大地增大地連墻的厚度，以確?；拥陌踩?，這樣就增大了地連墻的工程量，從而增加了施工造價(jià)。

4)地連墻抽水過程中發(fā)生的涌水、涌沙，堵漏難度大，時(shí)間長(zhǎng)，嚴(yán)重影響施工進(jìn)度：開挖過程中容易使地連墻產(chǎn)生變形裂紋，使原本完好的不滲水的地連墻在基坑抽水過程中發(fā)生滲水、涌水或涌沙，給后期的抽水過程帶來較大安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，無論是地連墻本身的施工質(zhì)量問題，還是開挖過程產(chǎn)生的裂紋，一旦引起地連墻在抽水過程中涌水、涌沙，處理難度都非常大，較小的滲水需在水面上進(jìn)行堵漏，較大的均需要進(jìn)行坑內(nèi)回灌水后在坑外引孔注漿，已不能簡(jiǎn)單地采取在基坑內(nèi)碼沙袋進(jìn)行反壓的方式來處理，這樣造成處理時(shí)間長(zhǎng)，對(duì)施工進(jìn)度影響大。

5)水下開挖難度大，效率低，開挖進(jìn)度慢，開挖成本高。

6)槽壁加固短，降低了地連墻施工質(zhì)量。槽壁加固有兩個(gè)作用：確保地連墻開挖槽壁穩(wěn)定和地連墻施工質(zhì)量；輔助地連墻防滲、抗?jié)B，有效減小地連墻滲水。采取該方法施工的槽壁加固深度較短，因?yàn)椴郾诩庸屉y于在水下挖除，造成地連墻施工時(shí)槽壁容易垮塌，降低了地連墻施工質(zhì)量，增加了地連墻滲水的概率。

7)抽水過程中需在水面以上施工腰梁，安裝鋼支撐，水上作業(yè)難度大，施工風(fēng)險(xiǎn)高，效率低。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于：提出一種適用于富水砂卵層(通常指含水極豐富的含水層，單位涌水量q≥10l/sm)高承壓(通常指水壓頭超過20米)方形深基坑(通常指深度超過25米，特別是40米以上)及其開挖方法，既能通過設(shè)置多道混凝土撐來增加地連墻的整體剛度，減小地連墻開挖過程中變形量，從而達(dá)到減薄地連墻的厚度和工程量、達(dá)降低工程造價(jià)的目的，又能通過增加槽壁加固的深度，從而有效地確保了地連墻的施工質(zhì)量，降低地連墻發(fā)生滲水、涌水、涌沙的概率，保證了基坑的開挖安全，提高了基坑的開挖進(jìn)度，降低了基坑開挖成本。

本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)：

一種適用于富水砂卵層高承壓方形深基坑，包括基坑上部的降水開挖區(qū)域和基坑下部的帶水開挖區(qū)域，在降水開挖區(qū)域設(shè)有降水井，在整個(gè)降水開挖區(qū)域的地連墻內(nèi)外分別設(shè)有坑外槽壁加固和坑內(nèi)槽壁加固，坑內(nèi)、外槽壁加固深度一致，坑內(nèi)、外槽壁加固采用三軸攪拌樁，基坑內(nèi)外三軸攪拌樁加固深度比基坑降水開挖區(qū)域開挖深度深2米至3米，在整個(gè)降水開挖區(qū)域還設(shè)置有至少兩道鋼筋混凝土撐腰梁及鋼筋混凝土撐；在帶水開挖區(qū)域設(shè)有泥水抽取設(shè)備和濾水回灌設(shè)備，對(duì)應(yīng)基坑外設(shè)置有多級(jí)沉淀池。

一種前述的適用于富水砂卵層高承壓方形深基坑的開挖方法，包括以下步驟：

1)進(jìn)行基坑內(nèi)外側(cè)槽壁加固；施工地連墻導(dǎo)墻；

2)施工地連墻；

3)施工冠梁和第一道鋼筋混凝土撐；打設(shè)降水井進(jìn)行基坑內(nèi)降水；

4)進(jìn)行第一層土方開挖，同步破除并清理基坑內(nèi)槽壁加固；

5)施工第二道鋼筋混凝土撐腰梁及第二道鋼筋混凝土撐；

6)進(jìn)行第二層土方開挖，同步破除并清理基坑內(nèi)槽壁加固；

7)按照步驟5)和步驟6)，繼續(xù)向下進(jìn)行土方開挖至一級(jí)基坑底部；

8)向基坑內(nèi)灌水至冠梁頂，用砂石泵吸泥等進(jìn)行水下開挖，開挖過程中拆除降水井，并始終保持住坑內(nèi)水位；

9)基坑深度開挖到設(shè)計(jì)要求的封底砼底標(biāo)高后澆注水下封底混凝土；

10)等封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始進(jìn)行基坑內(nèi)抽水；

11)抽水到底后，從下到上分段分層進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工，并逐步拆除鋼筋混凝土撐和腰梁。

前述本發(fā)明主方案及其各進(jìn)一步選擇方案可以自由組合以形成多個(gè)方案，均為本發(fā)明可采用并要求保護(hù)的方案；且本發(fā)明，(各非沖突選擇)選擇之間以及和其他選擇之間也可以自由組合。本領(lǐng)域技術(shù)人員在了解本發(fā)明方案后根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)和公知常識(shí)可明了有多種組合，均為本發(fā)明所要保護(hù)的技術(shù)方案，在此不做窮舉。

工作過程為：在深基坑上部設(shè)置多道鋼筋混凝土撐來抵抗基坑外側(cè)的土壓力，該區(qū)域采取降水井降水進(jìn)行干開挖；在深基坑下部采用回灌水的方式來平衡基坑外側(cè)的土壓力，該區(qū)域采取水下開挖的方式進(jìn)行開挖。另外在基坑上部疏干開挖區(qū)域內(nèi)外兩側(cè)均采用三軸攪拌樁進(jìn)行槽壁加固，既可提高地連墻的施工質(zhì)量，又可輔助地連墻阻水，減小地連墻干開挖過程中出現(xiàn)涌水、涌沙的概率。

基坑內(nèi)外三軸攪拌樁加固深度比基坑降水開挖區(qū)域開挖深度深2米至3米，如果加固深度沒有超過降水開挖深度，則開挖過程中由于干挖太深，沒有外側(cè)加固的保護(hù)，容易發(fā)生涌水涌砂，一旦發(fā)生處理難度非常大，安全風(fēng)險(xiǎn)高。而片面地強(qiáng)調(diào)安全，如果加固太深，遠(yuǎn)超過干挖深度，則基坑內(nèi)必然存在大量的加固體需要水下開挖，這些加固體需要大量潛水員在水下進(jìn)行處理，工效低，且人身風(fēng)險(xiǎn)高。而為了確保地連墻開挖的垂直度，基坑內(nèi)外的加固體要求一樣深，不能一邊加固深，一邊加固淺，那樣的話，地連墻成槽開挖時(shí)會(huì)因一邊硬、一邊軟而偏位，造成地連墻偏位及垂直度不滿足要求，鋼筋籠無法下放到位。基于以上理由，綜合考慮，內(nèi)外側(cè)加固深度以超過干挖深度2到3米為宜，這樣既能確?；咏邓_挖安全，又能確保后期水下開挖的功效及降低后期開挖的難度和潛水員的使用量。

該方法的開挖原理是：在上部區(qū)域設(shè)置了鋼筋混凝土撐來輔助地連墻受力，抵抗基坑外的土壓力，從而達(dá)到增加了地連墻的整體剛度，防止了地連墻的變形量過大，該區(qū)域由于有多道鋼筋混凝土撐輔助受力，可采用降水井降水進(jìn)行干開挖，達(dá)到了提高開挖的進(jìn)度的目的；在基坑開挖下部采用相對(duì)安全的帶水開挖，能夠確保開挖安全，有效地防止基坑在開挖過程中出現(xiàn)涌水、涌沙的現(xiàn)象。

本發(fā)明的有益效果：本專利方法，巧妙地既解決了現(xiàn)有技術(shù)深基坑無法降水疏干開挖的問題，又解決了帶水開挖可行但存在諸多缺陷的問題。

1)可以施工更長(zhǎng)的槽壁加固，既有利于提高地連墻施工質(zhì)量，又相當(dāng)于在地連墻外側(cè)施工了一道防水帷幕，提高了地連墻的防水質(zhì)量。

2)基坑上部設(shè)置了多道鋼筋混凝土撐，增加了地連墻的剛度，減少了地連墻的開挖變形，有利于基坑和周邊管線、建構(gòu)筑物穩(wěn)定。

3)在基坑開挖相同的情況下，可以減薄地連墻的厚度、工程量和地連墻的施工造價(jià)。

4)在地連墻厚度和基坑開挖安全系數(shù)一樣的情況下，可以加深基坑的開挖深度，本方法適合范圍更廣，特別適合于富水強(qiáng)滲透系數(shù)的砂卵層中超深基坑開挖。

5)開挖過程中，不容易產(chǎn)生涌水、涌沙現(xiàn)象，上部干挖開挖效率高、進(jìn)度快，開挖成本低。

附圖說明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的深基坑降水疏干開挖階段立面示意圖；

圖2是本發(fā)明實(shí)施例的深基坑帶水開挖階段立面示意圖；

其中1為降水開挖區(qū)域、2為帶水開挖區(qū)域、3為地連墻、4為坑外槽壁加固、5為坑內(nèi)槽壁加固、6為鋼筋混凝土撐、7為鋼筋混凝土撐腰梁、8為降水井、9為地面線、10為地下水位標(biāo)高、11為回灌水位線、12為降水開挖底標(biāo)高、13為帶水開挖底標(biāo)高、14為地連續(xù)墻底。

具體實(shí)施方式

下列非限制性實(shí)施例用于說明本發(fā)明。

參考圖1、2所示，一種適用于富水砂卵層高承壓方形深基坑，包括基坑上部的降水開挖區(qū)域1和基坑下部的帶水開挖區(qū)域2，在降水開挖區(qū)域1設(shè)有降水井8，在整個(gè)降水開挖區(qū)域1的地連墻3內(nèi)外分別設(shè)有三軸攪拌樁的坑外槽壁加固4和三軸攪拌樁的坑內(nèi)槽壁加固5，在整個(gè)降水開挖區(qū)域1還設(shè)置有至少兩道鋼筋混凝土撐腰梁7及鋼筋混凝土撐6(本實(shí)施例圖中施工了五道鋼筋混凝土撐腰梁7及鋼筋混凝土撐6)；在帶水開挖區(qū)域2設(shè)有泥水抽取設(shè)備和濾水回灌設(shè)備，對(duì)應(yīng)基坑外設(shè)置有多級(jí)沉淀池。泥水抽取設(shè)備采用砂石泵等，濾水回灌設(shè)備采用泥水泵等，采用砂石泵在基坑內(nèi)循環(huán)抽取泥水至基坑外的多級(jí)沉淀池進(jìn)行過濾、沉淀，同步泥水泵將沉淀池上部的沉淀過的泥水抽回到基坑內(nèi)以保持基坑內(nèi)的水位標(biāo)高，通過反復(fù)循環(huán)抽泥、沉淀，從而達(dá)到將基坑內(nèi)的泥土取出到基坑外的目的。

一種前述的適用于富水砂卵層高承壓方形深基坑的開挖方法，包括以下步驟：

1)采用三軸攪拌樁進(jìn)行基坑內(nèi)外側(cè)槽壁加固，基坑內(nèi)外側(cè)槽壁加固施工至一級(jí)基坑底部；施工地連墻導(dǎo)墻；

2)施工地連墻；

3)施工冠梁和第一道鋼筋混凝土撐6；打設(shè)降水井8進(jìn)行基坑內(nèi)降水；

4)進(jìn)行第一層土方開挖，同步破除并清理基坑內(nèi)槽壁加固5的三軸攪拌樁；

5)施工第二道鋼筋混凝土撐腰梁7及第二道鋼筋混凝土撐6；

6)進(jìn)行第二層土方開挖，同步破除并清理基坑內(nèi)槽壁加固5的三軸攪拌樁；

7)按照步驟5)和步驟6)，繼續(xù)向下進(jìn)行土方開挖至一級(jí)基坑底部；本實(shí)施例圖中施工了五道鋼筋混凝土撐腰梁7及鋼筋混凝土撐6；

8)向基坑內(nèi)灌水至冠梁頂，吸泥的同時(shí)進(jìn)行水下開挖，開挖過程中拆除降水井8，并始終保持住坑內(nèi)水位；

9)基坑深度開挖到設(shè)計(jì)要求的封底砼底標(biāo)高后澆注水下封底混凝土；

10)等封底混凝土達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度后，開始進(jìn)行基坑內(nèi)抽水；

11)抽水到底后，從下到上分段分層進(jìn)行主體結(jié)構(gòu)施工，并逐步拆除鋼筋混凝土撐和腰梁。

作為示例，某地鐵中間風(fēng)井深基坑開挖如下所示。

(1)中間風(fēng)井工程概況：

基坑長(zhǎng)24.2m，寬16.3m，開挖深度約41.6m。

地質(zhì)概況：基坑開挖范圍內(nèi)為雜填土、素填土、粗中砂、卵石層。

地下水位情況：潛水水位埋深3.40～5.66m，水位標(biāo)高3.40～8.13m，含水層主要為粗中砂層和卵石層，主要接受側(cè)向徑流及越流補(bǔ)給。

地連墻：基坑采用厚1.2米的地連墻，地連墻深55.2米，底部座落在卵石層上。

設(shè)計(jì)要求的基坑開挖方式：從地面至地面下23.5米深采用干挖法開挖，從地面下23.5米至為地面下41.6m采用水下開挖施工。支撐結(jié)構(gòu)形式：干挖采用5道鋼筋混凝土支撐。

實(shí)際開挖時(shí)從地面至地面下27米深采用干挖法開挖，下面14.6米采取水下開挖，最終該深基坑已全部安全開挖完成。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。