一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法技术

本发明专利技术公开了一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，该支护结构是由水平旋喷桩或预应力锚索旋喷桩相互搭接形成或者由型钢与水平旋喷桩相互搭接组成的近水平连续墙，用于地下结构开挖对周围地层的止水、挡土和固砂，具有超前封闭地下结构围岩和超前加固地层的作用。这种连接结构是大直径旋喷桩沿地下结构衬砌的外轮廓面分布，旋喷桩的轴线与地下结构的轴平面基本一致，并相互搭接形成的连续封闭结构；这种超前支护结构断面为圆形、矩形、半圆拱形，多边形或椭圆形，具体是由地下结构的外轮廓形状确定的。实现了地下开挖的止水、挡土与保护对邻近建筑物和构筑物的影响最小之目的。

An Advanced Support and Closed Structure for Underground Excavation and Its Construction Method

The invention discloses an advanced supporting and sealing structure for underground excavation and its construction method. The supporting structure is a near horizontal diaphragm wall formed by overlapping horizontal jet grouting piles or pre-stressed anchor cable jet grouting piles or by overlapping profiled steel and horizontal jet grouting piles. It is used for water stopping, soil retaining and sand fixing of surrounding strata in underground structure excavation, and has surrounding rock of advanced closed underground structure. The function of strengthening strata ahead of time. The connection structure is a continuous closed structure with large diameter jet grouting pile distributed along the outer contour surface of underground structure lining. The axis of jet grouting pile is basically the same as that of underground structure, and overlaps with each other. The cross section of this advanced support structure is circular, rectangular, semi-circular arch, polygon or ellipse, which is determined by the outer contour shape of underground structure. The purpose of minimizing the impact of water stopping, retaining and protection of underground excavation on adjacent buildings and structures is achieved.

【技术实现步骤摘要】
一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法
本专利技术涉及土木工程
，具体来说是地下空间施工过程中对软弱地层的加固和止水，形成临时掩护体，以便开挖和施工永久支护结构。
技术介绍
在地下空间施工过程中，遇到密集分布管线，地铁、市政交通隧道、桥梁和建筑桩基等地下构筑物时，需要对这些已有的设施进行保护。此外，还需要开挖一些联络通道与隧道及地下空间连接或跨越地下结构，为不影响这些隧道或地下室结构的使用功能和运行的安全，需在这些联络通道开挖或既有建筑物下开挖地下空间时，须对既有的构筑物采取有效的保护措施，同时需要对所穿过的软弱地层进行加固和止水，形成临时掩护体。当对已建建筑物和构筑物进行主动性保护时，大量的建筑物分布在开挖区域的上面，无法从地面向下进行超前加固处理，只能采用远处工作井水平施工，对保护区域地基进行导管注浆、管棚注浆加固或高压旋喷注浆加固。目前，传统的导管注浆、管棚注浆加固或高压旋喷注浆加固施工法，主要有普通注浆方法，如充填注浆、压密注浆和劈裂注浆等方法；高压旋喷注浆，如单重管、双重管高压旋喷注浆和三重管高压旋喷注浆方法。普通的注浆方法是通过在加固位置钻孔埋设固定的注浆管，注浆管与引孔的孔壁间设有止浆塞，注浆喷嘴不移动和转动，定点喷浆，浆液由近及远向地层中流动，压力越大，浆液流动的范围越大，浆液的扩散路径呈脉状，不均匀扩散。由于没有置换，当注浆量和压力较大时，出现浆液向地层表面流动，或向地下沟槽内流动，浆液和消耗量大，对邻近构筑物的影响和损害大，加固效果不可控，质量较差。导管注浆或管棚法注浆，由于浆液由近及远向地层中流动，总是沿阻力最小的区域流动。浆液的扩散路径呈脉状，不均匀扩散，难以形成理论上的封闭体。高压旋喷方法是先在加固位置钻孔埋设旋喷注浆管，喷浆嘴安装在旋喷管的头部，喷浆嘴随喷浆管旋转和提升移动，旋喷管与引孔孔壁之间留有间隙，允许旋喷注射浆液产生的置换泥浆从这个间隙中排出。旋喷嘴喷射的是浆、水和气流体，压力越大，切削地基土的能力越强，能使加固浆液扩散一个较大的直径，形成一个大直径的加固体。由于气升效果，能使置换的泥浆能从钻杆与引孔孔壁之间的间隙排出，但是，随着施工深度的增加，气升效果会越来越弱，另外，当间隙堵塞的时候，加固区域的压力会不断增加，一方面造成高压喷嘴的喷射效率会下降，另外会造成地面隆起、挤压管线、损伤隧道结构等副作用。此外，沿钻杆与引孔孔壁之间的间隙随意排出的泥浆清理十分困难，对施工结束后快速恢复是无法实现的。传统高压旋喷注浆加固施工时，引孔和注浆压力等参数监测水平较低，导致形成的加固体质量难以达到设计要求。此外，在对软弱地层加固或地下开挖止水时，需要预先形成一个水平的或缓倾斜的旋喷加固体，常规的旋喷桩施工过程中，由于旋喷切割形成的流态固化土，在自重作用下分层，上层积聚废泥浆，固化后在旋喷桩的上层存在收缩间隙，桩体中存在空隙和蜂窝状，具有安全隐患，得不到加固和封闭止水的效果。由于在盾构出洞口位置传统的旋喷桩加固质量问题，引起了较大的工程事故案例枚不胜举。可以说，传统的注浆加固或高压旋喷注浆加固施工法用于地层的水平加固、或对地下构筑物的保护，无法灌足加固的质量、对邻近建筑物保护和施工过程安全规定的要求。因此，需要创新的技术来满足地基加固及对已有建筑物和构筑物保护的要求。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题在于，克服现有水平的或缓倾斜高压旋喷注浆加固地层及保护隧道和地下结构产生的副作用，如对相邻建(构)筑物的扰动与损伤，加固体质量差、施工过程产生的废弃物排放量大，施工周期长，本专利技术提供一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法。为达到上述目的，本专利技术专利采用的技术方案是：使旋喷加固体相互搭接形成水平连续墙，用于地下结构开挖时，对周围地层的止水、挡土和固砂，具有超前封闭地下结构围岩和超前加固地层的作用。所述的超前支护与封闭结构是由成排的大直径旋喷加固体组成，沿地下结构衬砌的外轮廓面分布的，旋喷加固体的轴线与地下结构的轴平面基本一致，并相互搭接形成的连续封闭结构；所述的超前支护与封闭结构是由成排的型钢与大直径旋喷加固体组成，沿地下结构衬砌的外轮廓面分布的，预埋的型钢和旋喷加固体的轴线与地下结构的轴平面基本一致，大直径旋喷加固体相互搭接形成的连续封闭结构；型钢主要为钢管和H型钢或工字钢。所述的超前支护与封闭结构是由预应力锚索与大直径旋喷加固体组成，沿地下结构衬砌的外轮廓面分布的，预应力锚索的轴线与地下结构的轴平面基本一致，大直径旋喷加固体相互搭接形成的连续封闭结构；预应力锚索是由无粘结钢绞线和锚索端、张拉端组成。所述的超前支护与封闭结构是由摆喷法形成的半圆形桩体相互搭接而成的，在地下结构的外轮廓面处形成连续平整的加固结构面；所述的超前支护与封闭结构是由圆柱形旋喷加固体相互搭接形成的，将超前工作面全封闭；所述的超前支护与封闭结构的中轴面与水平面夹角为0～45度；所述的大直径旋喷加固体的直径为1～3.5m；所述的超前支护与封闭结构断面为圆形、矩形、半圆拱形，多边形或椭圆形。所述超前支护与封闭结构的中轴线长度不大于60m,超前支护与封闭结构的高度不大于30m，宽度不大于500m,加固体的厚度不大于5m；所述超前支护与封闭结构的旋喷加固体内插入有型钢，如H型钢、钢管、钢筋及钢绞线等。超前支护与封闭结构的施工方法，包括以下步骤：(1)在拟建地下结构的外轮廓面上，沿其轴线方向引水平钻孔或缓倾斜钻孔；(2)沿钻孔插入旋喷钻杆和旋喷钻头，从近向远处前推旋喷钻杆，同时，由施工参数控制器控制进行高压旋喷注浆，与切削的岩土体混合形成旋喷加固体；(3)沿钻孔长度完成一根旋喷加固体施工后，控制旋喷钻头向上翘起，使旋喷钻头上的吸浆口位于旋喷加固体的上层泥浆区中，吸入上浮的废泥浆排出孔外，同时用位于吸浆口下面的喷嘴再补喷加固浆液；(4)一边吸入废浆一边补喷浆液，并提拔旋喷钻杆；(5)达旋喷加固体的端部时，使旋喷钻头复位，让旋喷钻头与钻杆保持在同一轴线上，将钻具从钻孔中抽出。(6)根据旋喷加固体径、搭接量及桩体的空间位置，确定相邻旋喷加固体的引孔参数，进行相邻旋喷加固体的施工，形成相互搭接的超前支护与封闭结构体。(7)当开挖地下结构轴线长度大于60m时，应分段施工旋喷加固体超前支护与封闭结构使其分段封闭。先施工一段旋喷加固体超前支护与封闭结构，使其与地下结构的轴平面夹角3度以上，向地下结构轮廓面的外侧分布，形成连续封闭结构；在前一分段区域的超前加固结构掩护下，按与前一段相同的方法施工下一段旋喷加固体超前支护与封闭结构。(8)为提高超前支护与封闭结构的承载力，在旋喷加固体内设置预应力锚索，预应力锚索是在一端设置锚固端头，当旋喷加固土体达到设计强度后，在开口端位置张拉施工预应力，以提高支护结构的抗弯强度。(9)当需要的超前支护与封闭结构的承载力较高时，应先预顶进型钢，或在旋喷加固体内顶进型钢，型钢主要为钢管或H型钢、工字钢，旋喷加固土体是相互搭接的，形成封闭体。所述的旋喷钻头上设置有喷浆、喷气的喷嘴；所述的旋喷钻头上设置有喷浆、喷气和喷水的喷嘴；所述的旋喷钻杆旋转方式分为全圆旋转、半圆旋转和定角度旋转三种，全圆旋转为：正转360度后，反转360度；半圆旋转为：先正转180度，再反转180度，然后正转180本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种地下开挖超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是：所述的超前支护与封闭结构是沿地下结构的外轮廓面分布的，形成连续封闭结构；所述的超前支护与封闭结构是由扇形加固体相互搭接而成的；所述的超前支护与封闭结构是由圆柱形旋喷加固体相互搭接而成的；所述的超前支护与封闭结构是由旋喷加固体内插入型钢或预应力锚索复合而成的；所述的超前支护与封闭结构是由先顶入的型钢与旋喷加固体咬合而成的；所述的超前支护与封闭结构能将开挖的工作面周围的岩土层全封闭和隔离；所述的超前支护与封闭结构轴平面与地下空间的轴平面夹角为0～45度；所述的水平旋喷加固体的直径为0.5～3.5m；所述的超前支护与封闭结构的断面为圆形、矩形、半圆直墙拱形，多边形或椭圆形；所述的施工方法是采用置换式高压旋喷加固方法。

【技术特征摘要】
2018.11.17 CN 20181137051741.一种地下开挖超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是：所述的超前支护与封闭结构是沿地下结构的外轮廓面分布的，形成连续封闭结构；所述的超前支护与封闭结构是由扇形加固体相互搭接而成的；所述的超前支护与封闭结构是由圆柱形旋喷加固体相互搭接而成的；所述的超前支护与封闭结构是由旋喷加固体内插入型钢或预应力锚索复合而成的；所述的超前支护与封闭结构是由先顶入的型钢与旋喷加固体咬合而成的；所述的超前支护与封闭结构能将开挖的工作面周围的岩土层全封闭和隔离；所述的超前支护与封闭结构轴平面与地下空间的轴平面夹角为0～45度；所述的水平旋喷加固体的直径为0.5～3.5m；所述的超前支护与封闭结构的断面为圆形、矩形、半圆直墙拱形，多边形或椭圆形；所述的施工方法是采用置换式高压旋喷加固方法。2.根据权利要求1所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的超前支护与封闭结构的一段长度为60m以内,支护高度为50m以内，支护宽度为60m以内,加固体厚度为5m以内。3.根据权利要求1所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的型钢主要为圆钢管、方钢管、H型钢或工字钢。4.根据权利要求1所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，所述的预应力锚索使用无粘结钢绞线，在一端设置锚固端头，另一端施加预应力并锁定。5.根据权利要求1所述的一种地下开挖的超前支护与封闭结构及其施工方法，其特征是，按下列步骤实施：(1)在拟建地下空间的外轮廓面以外，沿其轴线方向预引旋喷钻孔；(2)沿钻孔插入旋喷钻杆和旋喷钻头，从近向远处前推旋喷钻杆，同时，由施工参数控制器控制施工参数进行高压旋喷注浆，与切削的岩土体混合形成旋喷加固体；(3)沿钻孔长度完成一根旋喷加固体施工后，控制旋喷钻头向上翘起，使旋喷钻头上的吸浆口位于旋喷加固体的上层泥浆集聚区中，吸入上浮的废泥浆排出孔外，同时从位于吸浆口下面的喷嘴喷出加固浆液，充填泥浆吸出后的空隙；(4)一边吸入废浆一边补喷浆液，并提拔旋喷钻杆；(5)达旋喷加固体的端部时，使旋喷钻头复位，让旋喷钻头与钻杆保持在同一轴线上，将钻具从钻孔中抽出。(6)根据旋喷加固体径、搭接量及桩体的空间位置，确定相邻旋喷加固体的引孔位置，进行相邻旋喷加固体的施工，形成相互搭接的超前支护与封闭结构体。(7)当开挖地下结构轴线长度大于60m时，应分段施工旋喷加固体超前支护与封闭结构使其分段封闭。先施工一段旋喷...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘斐然，张越，
申请(专利权)人：王琪，
类型：发明
国别省市：上海,31