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(kāi)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(kāi)挖中，由于基坑位于強(qiáng)滲透的富水砂層地層中，基坑在開(kāi)挖過(guò)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(kāi)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(kāi)挖深度深，有的開(kāi)挖深度超過(guò)40米，開(kāi)挖產(chǎn)生的土壓力大，開(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖難度大，開(kāi)挖安全風(fēng)險(xiǎn)非常高，如果開(kāi)挖方法不當(dāng)容易引起開(kāi)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(kāi)挖方法：

為確保基坑安全，傳統(tǒng)的富水砂層高承壓方形深基坑均采用全部帶水開(kāi)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(guò)濾、沉淀，同步將沉淀池上部的沉淀過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)挖過(guò)程無(wú)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(lái)抵抗。

基坑開(kāi)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(kāi)挖過(guò)程中沒(méi)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(kāi)挖”方法的局限性：

1)開(kāi)挖過(guò)程中地連墻變形大、安全風(fēng)險(xiǎn)高：由于帶水開(kāi)挖過(guò)程中無(wú)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(kāi)挖較深時(shí)，基坑內(nèi)的水壓無(wú)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(guò)大，甚至造成地連墻開(kāi)裂、垮塌。

2)開(kāi)挖深度受地下水位和地連墻的剛度影響大，開(kāi)挖深度相對(duì)較小：當(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(lái)抵抗一部分開(kāi)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(kāi)挖深度。地下水位越高，則基坑的可開(kāi)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(kāi)挖，地連墻在開(kāi)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(kāi)挖深度較深時(shí)，則必然要極大地增大地連墻的厚度，以確保基坑的安全，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(guò)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(kāi)挖過(guò)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(guò)程中發(fā)生滲水、涌水或涌沙，給后期的抽水過(guò)程帶來(lái)較大安全風(fēng)險(xiǎn)。另外，無(wú)論是地連墻本身的施工質(zhì)量問(wèn)題，還是開(kāi)挖過(guò)程產(chǎn)生的裂紋，一旦引起地連墻在抽水過(guò)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(lái)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(kāi)挖難度大，效率低，開(kāi)挖進(jìn)度慢，開(kāi)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(kāi)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(guò)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(guò)20米)方形深基坑(通常指深度超過(guò)25米，特別是40米以上)及其開(kāi)挖方法，既能通過(guò)設(shè)置多道混凝土撐來(lái)增加地連墻的整體剛度，減小地連墻開(kāi)挖過(guò)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(guò)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(kāi)挖安全，提高了基坑的開(kāi)挖進(jìn)度，降低了基坑開(kāi)挖成本。

本發(fā)明目的通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)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(kāi)挖區(qū)域和基坑下部的帶水開(kāi)挖區(qū)域，在降水開(kāi)挖區(qū)域設(shè)有降水井，在整個(gè)降水開(kāi)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(kāi)挖區(qū)域開(kāi)挖深度深2米至3米，在整個(gè)降水開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)程中拆除降水井，并始終保持住坑內(nèi)水位；

9)基坑深度開(kāi)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(kāi)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(guò)程為：在深基坑上部設(shè)置多道鋼筋混凝土撐來(lái)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(kāi)挖；在深基坑下部采用回灌水的方式來(lái)平衡基坑外側(cè)的土壓力，該區(qū)域采取水下開(kāi)挖的方式進(jìn)行開(kāi)挖。另外在基坑上部疏干開(kāi)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(kāi)挖過(guò)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(kāi)挖區(qū)域開(kāi)挖深度深2米至3米，如果加固深度沒(méi)有超過(guò)降水開(kāi)挖深度，則開(kāi)挖過(guò)程中由于干挖太深，沒(méi)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(guò)干挖深度，則基坑內(nèi)必然存在大量的加固體需要水下開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(wú)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(guò)干挖深度2到3米為宜，這樣既能確保基坑降水開(kāi)挖安全，又能確保后期水下開(kāi)挖的功效及降低后期開(kāi)挖的難度和潛水員的使用量。

該方法的開(kāi)挖原理是：在上部區(qū)域設(shè)置了鋼筋混凝土撐來(lái)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(guò)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(kāi)挖，達(dá)到了提高開(kāi)挖的進(jìn)度的目的；在基坑開(kāi)挖下部采用相對(duì)安全的帶水開(kāi)挖，能夠確保開(kāi)挖安全，有效地防止基坑在開(kāi)挖過(guò)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(wú)法降水疏干開(kāi)挖的問(wèn)題，又解決了帶水開(kāi)挖可行但存在諸多缺陷的問(wèn)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖安全系數(shù)一樣的情況下，可以加深基坑的開(kāi)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(kāi)挖。

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

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明實(shí)施例的深基坑降水疏干開(kāi)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(kāi)挖階段立面示意圖；

其中1為降水開(kāi)挖區(qū)域、2為帶水開(kāi)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(kāi)挖底標(biāo)高、13為帶水開(kāi)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(shuō)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(kāi)挖區(qū)域1和基坑下部的帶水開(kāi)挖區(qū)域2，在降水開(kāi)挖區(qū)域1設(shè)有降水井8，在整個(gè)降水開(kāi)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(kāi)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(kāi)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(guò)濾、沉淀，同步泥水泵將沉淀池上部的沉淀過(guò)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(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖，開(kāi)挖過(guò)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(kāi)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(kāi)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(kāi)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(kāi)挖深度約41.6m。

地質(zhì)概況：基坑開(kāi)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(kāi)挖方式：從地面至地面下23.5米深采用干挖法開(kāi)挖，從地面下23.5米至為地面下41.6m采用水下開(kāi)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(kāi)挖時(shí)從地面至地面下27米深采用干挖法開(kāi)挖，下面14.6米采取水下開(kāi)挖，最終該深基坑已全部安全開(kāi)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)。