本發明涉及土木工程領域，具體為一種適用于建筑工程、堤防工程、道路工程、地鐵工程中的深基坑支護處理的水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁支護結構及施工方法。

背景技術：

水泥土墻成墻施工是通過帶有鏈鋸式刀具箱的機械，將該刀具箱豎直插入地層中，然后作水平橫向運動，同時由鏈條帶動刀具作上下的回轉運動，攪拌混合原狀土并灌入水泥漿，形成等厚度的渠式水泥土攪拌墻。其主要特點是成墻連續、表面平整、厚度一致、墻體均勻性好，應用于各類地下工程的基礎加固和防滲處理。

基坑工程不僅面臨防滲止水，而且面臨開挖擋土，但作為臨時結構的基坑支護結構，其利用周期短，成本高。因此，縮短基坑工期和降低支護結構成本，成為必須解決的問題。工程中常采用三軸水泥土攪拌樁中植入h型鋼，形成復合擋土止水結構，即利用三軸水泥土攪拌樁先攪拌土體，然后在水泥土初凝前植入h型鋼的方式。但該方法存在以下缺陷：（1）h鋼用量大，其運輸與租賃費用隨著基坑規模的增加，不斷增加，不經濟，而且在地下室施工結束后，需要拔除h型鋼，這勢必導致h型鋼彎曲、拉裂等損壞，當無法拔出時，又大大增加支護成本；（2）攪拌樁都具有一定的樁軸心間距，在植入h型鋼時，其間距是一定的，不能夠根據需要調整間距，因此，在不少情況下，該支護方法不滿足設計對支護結構的抗彎、抗剪要求，且在較深基坑中樁長亦達不到設計對嵌固深度的要求。

專利申請號為201110460244.4的中國專利申請公開了“現澆工字型鋼筋混凝土和水泥土相間地下連續墻及其工法”，其特征是現澆工字型鋼筋混凝土為橫截面呈工字型的沉管灌注樁，相間的水泥土為水泥旋噴樁或水泥攪拌樁。這種工法雖然無泥漿污染，但具有以下缺點：（1）工字型樁現場澆筑混凝土養護時間過長，影響工程工期；（2）現澆混凝土等級較低，成樁后樁身剛度較低，抵抗變形能力太差；（3）沉管灌注成孔過程存在擠土現象，對場地周邊具有變形敏感的管線、建筑會產生擠土位移和變形，影響較大。

申請號為201310030440.7的中國申請專利公開了“現澆后張工字型樁在水泥土中的插入方法”，包括：測量放樣，根據已知的坐標基點，定位樁體的位置；開溝挖槽，對應樁機的施工位置開溝挖槽，并清理多余土體；設置導向，在樁體的具體位置處設置型鋼導向；樁機就位：將樁機架設在具體的施工位置上；攪拌成樁：利用水泥土形成工字型樁體；插入樁體：將工字型樁體插入土體內；移機：工字樁體施工完成后，移動樁機，進行下一次施工。該方法雖具有可規模制作的特點，同時能避免型鋼拔出時造成周邊建筑和環境沉降、開裂的情況，但該方法存在以下缺陷：（1）對于后張工字型樁的具體尺寸和預應力的施工方法并未提及，施工現場難以實現；（2）水泥土成樁方法不明確，尺寸不清楚，施工現場無法實施；（3）工字型樁的內插間距未明確，施工現場無法確定；（4）該工字型樁剛度無法根據現場需要進行調節，達不到剛度可增大減小位移的目的。

因此，迫切需要一種能夠形成一種既能充分利用水泥土樁的止水效果又可短形成擋土支護結構工期的基坑支護結構，同時可根據工程現場隨時調節剛度有效地控制基坑變形，且具有成本和工期優勢的支護結構及其施工方法。

技術實現要素：

為了克服上述現有技術中的不足，本發明提供了一種水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁支護結構及施工方法，在傳統smw工法樁的思路以及傳統水泥土攪拌樁內插工字型樁的基礎上，改變原水泥土樁的成樁方法，形成連續、等厚度水泥土墻，同時改進原預制樁剛度不可調節，無法根據基坑變形及時調節支護樁剛度的問題。工程現場，在渠式水泥土攪拌墻初凝之前，將已施加初步預應力的工型預制樁通過吊機起吊插入水泥土墻內。工型預制樁間距，根據設計要求靈活設置，插樁完成后，其它施工工序與普通基坑支護工程一致，但在基坑施工過程可通過土體深層水平位移監測情況，對工型預制樁剛度進行調節，增大支護樁剛度，減小變形的進一步發展。這種渠式水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁支護結構，既能解決傳統止水樁長度不足的問題，又能解決支護剛度不足無法調節、基坑變形過大或者水泥土抗剪強度不能滿足要求的問題，而且具有施工方便、造價低廉、成樁質量可靠、無擠土影響等優點。

本發明的目的是這樣實現的：

一種水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁支護結構，包括用于止水的水泥土墻1以及設置在水泥土墻1內的用于擋土的剛度可調節工型預制樁2；所述的剛度可調節工型預制樁2頂端設置有混凝土冠梁3；

所述的剛度可調節工型預制樁2的樁身短邊與長邊比值為0.55～0.6；所述的剛度可調節工型預制樁樁身混凝土強度等級為c55～c80；

所述的剛度可調節工型預制樁2的樁身兩端分別設置有2塊多邊形鋼端板9和一塊矩形鋼端板10，且樁底和樁頂腹板兩側預埋2塊腹板兩側預埋鋼板8；

所述的剛度可調節工型預制樁2的樁身內埋設有多根可張拉預應力鋼絞線5及樁身縱向鋼筋7；所有預應力鋼絞線5在樁身底端通過錨具固定在工型預制樁樁底端板上，其中75%的鋼絞線在樁身頂端通過鋼絞線錨具6錨固在樁頭端板上，預留25%的鋼絞線，后期根據工程現場基坑深層土體水平位移情況，張拉預留鋼絞線，補償預應力損失，進一步增大或調節工型預制樁剛度；

所述的剛度可調節工型預制樁的樁身上設置4個預應力鋼絞線穿插鋼套管4，施工前根據設計計算要求將預留的鋼絞線穿入預應力鋼絞線套管4內；

所述的剛度可調節工型預制樁2間隔地插入在水泥土墻1內；所述的剛度可調節工型預制樁2的凈間距為20～35cm；所述的剛度可調節工型預制樁的樁身短邊與水泥土墻平行，樁身長邊為水泥土墻厚度的0.7～0.8倍；

所述的剛度可調節工型預制樁插入水泥土墻的垂直度應與水泥土墻施工垂直度保持一致，且不大于1/300；

水泥土墻1的墻位偏差不大于+20mm～–50mm（向坑內偏差為正），墻深偏差小于50mm，成墻厚度應不小于設計墻厚，偏差控制在0～–20mm（控制切割箱刀頭尺寸偏差）；水泥土墻的28d漿液試塊無側限抗壓強度標準值不小于1.0mpa，28d鉆孔取芯無側限抗壓強度標準值不小于0.8mpa，墻體滲透系數不大于10^-7cm/s；水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁的支護結構中，水泥土墻的墻端應比剛度可調節工型預制樁端深1.5m～2.5m；

水泥土墻1的厚度取450mm～850mm；當墻厚不大于550mm時，最大施工深度不宜大于25m；當墻厚不大于700m時，最大施工深度不宜大于40m；當墻厚不大于850mm時，最大施工深度不宜大于55m；工型預制樁現場施工成樁后，樁頂設置混凝土冠梁3，且混凝土冠梁3高度小于樁身上端設置的4個預應力鋼絞線套管5cm；樁頂設置混凝土冠梁施工完成達到設計強度后，根據現場基坑開挖過程土體深層水平位移變化情況，逐孔、逐根張拉預留鋼絞線，增加或調節工型預制樁剛度。

一種水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁支護結構的施工方法，具體步驟如下：

步驟1：平整施工場地，進行水泥土墻切割攪拌成墻施工；

步驟2：剛度可調節工型預制樁選型，工廠制作，以及初步施加預應力，通過端板鋼絞線錨具6，固定一部分預應力鋼絞線5；

步驟3：設置剛度可調節工型預制樁插入導向架和起吊起重機就位；

步驟4：在水泥土尚未初凝前將剛度可調節工型預制樁插入水泥土墻2內，同時按照設計要求采用經緯儀進行垂直度校正；

步驟5：剛度可調節工型預制樁施工完畢后，在樁頂按設計要求施工混凝土冠梁3，并于混凝土冠梁上留出預應力鋼絞線穿插孔；

步驟6：開挖基坑，根據設計要求設置內支撐，同時采用土體深層水平測斜儀監測基坑變形情況，以及通過應力計監測樁身應力，當變形過大，達到設計預警值時，在混凝土冠梁3梁頂張拉預應力鋼絞線增加或調節工型預制樁剛度，控制基坑變形的進一步發展；

步驟7：持續進行變形監測，并不斷開挖基坑直至基坑開挖到底，施工主體結構基礎底板；按設計要求施工主體結構。

積極有益效果：本發明中的水泥土墻適應地層廣，對硬質地層（硬土、砂卵礫石、軟巖石等）具有良好的掘進性能，成墻精度高。成墻掘進與攪拌時通過參數儀可實現施工全過程的對墻體質量的隨鉆監控；離散性小，強度高，上下強度均勻，隔水性能好；相比于傳統工藝，渠式切割形成的水泥土攪拌墻的強度更高，平整性、連續性、致密性、均勻性更好，深度亦更深，土層適應性更好；連續成墻，接縫較少，墻體等厚，剛度可調節工型預制樁間距可以根據設計需要調整，不受樁位限制；噪音、振動小，鄰接建（構）筑物到壁芯許最小間距僅1000mm。該支護結構不僅操作簡單，而且施工方便快速、可靠，同時充分發揮了剛度可調節工型預制樁混凝土強度等級高、預應力可根據現場調節的特點，達到了縮短工期、降低工程造價的目的，這樣既可以減少混凝土和鋼材的用量，又能滿足安全要求。

附圖說明

圖1為本發明中支護結構剖面示意圖；

圖2是本發明中支護結構平面示意圖；

圖3是本發明中的剛度可調節工型預制樁樁身縱截面示意圖；

圖4是本發明中的剛度可調節工型預制樁樁身橫截面示意圖；

圖5是本發明中的剛度可調節工型預制樁端板頂視結構示意圖；

圖6是水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁支護結構施工流程圖；

圖中為：水泥土墻1、剛度可調節工型預制樁2、混凝土冠梁3、鋼絞線套管4、預應力鋼絞線5、鋼絞線錨具6、樁身縱向鋼筋7、腹板兩側預埋鋼板8、多邊形鋼端板9、矩形鋼端板10。

具體實施方式

為了使本發明實現的技術手段、創造性特征、達成目的與功效易于明白了解，下面結合附圖進一步闡述本發明。

如圖1、圖6所示，一種水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁支護結構，包括用于止水的水泥土墻1以及設置在水泥土墻1內的用于擋土的剛度可調節工型預制樁2；所述的剛度可調節工型預制樁2頂端設置有混凝土冠梁3；

所述的剛度可調節工型預制樁2的樁身短邊與長邊比值為0.55～0.6；所述的剛度可調節工型預制樁樁身混凝土強度等級為c55～c80；

如圖3、圖4、圖5所示，所述的剛度可調節工型預制樁2的樁身兩端分別設置有2塊多邊形鋼端板9和一塊矩形鋼端板10，且樁底和樁頂腹板兩側預埋2塊腹板兩側預埋鋼板8；

如圖2所示，所述的剛度可調節工型預制樁2的樁身內埋設有多根可張拉預應力鋼絞線5及樁身縱向鋼筋7；所有預應力鋼絞線5在樁身底端通過錨具固定在工型預制樁樁底端板上，其中75%的鋼絞線在樁身頂端通過鋼絞線錨具6錨固在樁頭端板上，預留25%的鋼絞線，后期根據工程現場基坑深層土體水平位移情況，張拉預留鋼絞線，補償預應力損失，進一步增大或調節工型預制樁剛度；

所述的剛度可調節工型預制樁的樁身上設置4個預應力鋼絞線穿插鋼套管4，施工前根據設計計算要求將預留的鋼絞線穿入預應力鋼絞線套管4內；

所述的剛度可調節工型預制樁2間隔地插入在水泥土墻1內；所述的剛度可調節工型預制樁2的凈間距為20～35cm；所述的剛度可調節工型預制樁的樁身短邊與水泥土墻平行，樁身長邊為水泥土墻厚度的0.7～0.8倍；

所述的剛度可調節工型預制樁插入水泥土墻的垂直度應與水泥土墻施工垂直度保持一致，且不大于1/300；

水泥土墻1的墻位偏差不大于+20mm～–50mm（向坑內偏差為正），墻深偏差小于50mm，成墻厚度應不小于設計墻厚，偏差控制在0～–20mm（控制切割箱刀頭尺寸偏差）；水泥土墻的28d漿液試塊無側限抗壓強度標準值不小于1.0mpa，28d鉆孔取芯無側限抗壓強度標準值不小于0.8mpa，墻體滲透系數不大于10^-7cm/s；水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁的支護結構中，水泥土墻的墻端應比剛度可調節工型預制樁端深1.5m～2.5m；

水泥土墻1的厚度取450mm～850mm；當墻厚不大于550mm時，最大施工深度不宜大于25m；當墻厚不大于700m時，最大施工深度不宜大于40m；當墻厚不大于850mm時，最大施工深度不宜大于55m；工型預制樁現場施工成樁后，樁頂設置混凝土冠梁3，且混凝土冠梁3高度小于樁身上端設置的4個預應力鋼絞線套管5cm；樁頂設置混凝土冠梁施工完成達到設計強度后，根據現場基坑開挖過程土體深層水平位移變化情況，逐孔、逐根張拉預留鋼絞線，增加或調節工型預制樁剛度。

一種水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁支護結構的施工方法，具體步驟如下：

步驟1：平整施工場地，進行水泥土墻切割攪拌成墻施工；

步驟2：剛度可調節工型預制樁選型，工廠制作，以及初步施加預應力，通過端板鋼絞線錨具6，固定一部分預應力鋼絞線5；

步驟3：設置剛度可調節工型預制樁插入導向架和起吊起重機就位；

步驟4：在水泥土尚未初凝前將剛度可調節工型預制樁插入水泥土墻2內，同時按照設計要求采用經緯儀進行垂直度校正；

步驟5：剛度可調節工型預制樁施工完畢后，在樁頂按設計要求施工混凝土冠梁3，并于混凝土冠梁上留出預應力鋼絞線穿插孔；

步驟6：開挖基坑，根據設計要求設置內支撐，同時采用土體深層水平測斜儀監測基坑變形情況，以及通過應力計監測樁身應力，當變形過大，達到設計預警值時，在混凝土冠梁3梁頂張拉預應力鋼絞線增加或調節工型預制樁剛度，控制基坑變形的進一步發展；

步驟7：持續進行變形監測，并不斷開挖基坑直至基坑開挖到底，施工主體結構基礎底板；按設計要求施工主體結構。

如附圖1～6所示，水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁的支護結構，包括剛度可調節工型預制樁鋼絞線穿插和錨定，水泥土墻攪拌成墻，將剛度可調節工型預制樁插入水泥土墻內，施工混凝土冠梁，后期根據土體水平位移張拉預應力鋼絞線，這五個流程。

剛度可調節工型預制樁中配置有多根預應力鋼絞線5及樁身縱向鋼筋7，預應力鋼絞線采用15.2無粘結型，數量根據設計計算確定，所述的剛度可調節工型預制樁樁端設置有2塊多邊形鋼端板9和設置1塊矩形鋼端板10，其中在工型預制樁插入水泥土墻前，所有預應力鋼絞線5應通過錨具6固定在樁底端板上，而樁頂錨具只固定75%的預應力鋼絞線。剛度可調節工型預制樁腹板兩側分別設置2塊預埋鋼板8，多邊形鋼端板9和矩形鋼端板10與腹板兩側預埋鋼板8用于剛度可調節工型預制樁接樁焊接使用，腹板兩側預埋鋼板起到兩節樁焊接后樁腹板側加強作用。剛度可調節工型預制樁在工廠加工，截面尺寸、長度和樁身混凝土強度等級應根據設計計算要求確定，剛度可調節工型樁制作好后運輸至施工現場。

施工時，首先進行開槽切割土體并攪拌形成水泥土墻（1），再根據設計長度與尺寸，將多節剛度可調節工型預制樁通過多邊形鋼端板9和矩形鋼端板10焊接連接成整體，同時通過樁腹板兩側預埋鋼板8加強連接，最后利用履帶式起吊機將連接就緒的剛度可調節工型預制樁吊起插入水泥土墻中，植入深度根據工程需要確定。

將施工設備移至第二個需要水泥土墻內插剛度可調節工型預制樁的位置，實施以上相同作業。

剛度可調節工型預制樁插入水泥土墻內后，在施工混凝土冠梁之前，設置預留的25%預應力鋼絞線的外側鋼套管4；鋼套管采用直徑48mm，壁厚3mm的腳手架鋼管。外側鋼套管4通過焊接與剛度可調節工型樁多邊形端板9連接在一起，外側鋼套管4高度大于混凝土冠梁5cm，確保冠梁混凝土澆筑與振搗時，鋼套管內無混凝土填充。

混凝土冠梁施工結束養護強度達到設計要求后，開挖深基坑。在基坑開挖與地下室施工期間，全過程監測基坑外側土體深層水平位移，并根據土體位移大小，張拉預留的25%未張拉的預應力鋼絞線，進行剛度調節，達到增大或調節工型預制樁樁身剛度，進而抵抗土體變形的目的。

鋼絞線張拉結束后，通過錨具固定在混凝土冠梁3頂部。

本發明中的水泥土墻適應地層廣，對硬質地層（硬土、砂卵礫石、軟巖石等）具有良好的掘進性能，成墻精度高。成墻掘進與攪拌時通過參數儀可實現施工全過程的對墻體質量的隨鉆監控；離散性小，強度高，上下強度均勻，隔水性能好；相比于傳統工藝，渠式切割形成的水泥土攪拌墻的強度更高，平整性、連續性、致密性、均勻性更好，深度亦更深，土層適應性更好；連續成墻，接縫較少，墻體等厚，剛度可調節工型預制樁間距可以根據設計需要調整，不受樁位限制；噪音、振動小，鄰接建（構）筑物到壁芯許最小間距僅1000mm。該支護結構不僅操作簡單，而且施工方便快速、可靠，同時充分發揮了剛度可調節工型預制樁混凝土強度等級高、預應力可根據現場調節的特點，達到了縮短工期、降低工程造價的目的，這樣既可以減少混凝土和鋼材的用量，又能滿足安全要求。

以上所述和描述了本發明的基本原理、主要特征和本發明的優點，僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明要求的保護范圍之內。