一种钢结构建筑地下增层施工装置及其施工方法

技术领域

本发明涉及地下结构的建筑工程施工技术领域，具体地，涉及一种钢结构建筑地下增层施工装置及其施工方法。

背景技术

随着城市化进程的不断发展，城市土地资源和空间发展的矛盾和问题日益突出，地下空间的利用不断立体化，城市建设呈现出地上—地下表层—深度地下的发展趋势。合理开发和利用城市既有建筑地下室以下空间，是当前解决城市土地资源和空间发展矛盾的有效途径之一。

在一些已建成的建筑物下方，由于需求的改变以及规划时期考虑的不完整性，往往需要进行地下室的加建或者改造工程。而现有施工方法中，一般会采用设置桩来增设地下室，但该方法中桩只是支撑上部结构的临时构件，浇注了新的地下室梁柱后，桩被会拆除。此外，桩施工完毕后仍要截除新建基础之上的部分，造成浪费；通常的钻孔桩工艺需要泥浆护壁，泥浆会对周围环境造成污染，而且钻机的噪音也会影响周边环境。由此可见，目前常规的增层扩建方法很难满足需求。

因此，需要对钢结构建筑地下增层施工装置及施工方法进行改进。

发明内容

为了解决现有技术中的缺陷，本发明提供了一种钢结构建筑地下增层施工装置及其施工方法。本发明针对现有技术中的缺陷进行改进和提高，能够有效缩短施工工期，降低施工难度，提高增层施工效果，保证施工安全。

为实现上述目的，本发明提供了一种钢结构建筑地下增层施工装置，包括行走机构、底盘、顶升支撑机构、挖掘和立撑机构以及驾驶操作室；

行走机构的上部设置有底盘，底盘连接有水平和竖向伸缩设置的支腿，底盘的上方分别设置有顶升支撑机构、挖掘和立撑机构以及驾驶操作室；

顶升支撑机构可实现竖向伸缩，在进行增层施工时可竖向向上伸展顶升，支撑钢结构建筑的底部；底盘上还设有转盘机构，转盘机构上设置挖掘和立撑机构以及驾驶操作室；挖掘和立撑机构包括施工臂、挖掘斗和立撑结构，施工臂的一端固定连接在转盘机构上，另一端连接有挖掘斗和立撑结构，所述挖掘斗和立撑结构之间为可分离式连接。

优选的，所述立撑结构包括框架体，框架体背离挖掘斗的表面设置有上夹持单元和下夹持单元，以便稳固夹持增层支撑柱。

在上述任一方案中优选的是，所述转盘机构可相对于底盘进行转动，使得施工时由施工人员在驾驶操作室进行操作而控制挖掘和立撑机构转动，实现大范围挖掘和立撑作业。

在上述任一方案中优选的是，当进行增层并对地基土实施挖掘施工时，所述挖掘斗和立撑结构之间为连接状态；当进行增层并竖立对钢结构建筑进行支撑的支撑立柱时，所述挖掘斗和立撑结构之间为分离状态，进而控制挖掘斗枢转至其前言与施工臂贴合，并控制立撑结构始终保持竖直状态。

在上述任一方案中优选的是，所述转盘机构上设置有转动限位机构，其限制挖掘和立撑机构转动至顶升支撑机构一侧，从而防止在施工时挖掘和立撑机构撞击损坏顶升支撑机构。

此外，为实现上述目的，本发明还提供了一种钢结构建筑地下增层的施工方法，包括以下步骤：

A、钢结构建筑地下增层施工装置就位；施工人员在驾驶操作室进行操作，控制行走机构移动，使钢结构建筑地下增层施工装置到达指定施工位置；

B、进行施工前固定调试准备；钢结构建筑地下增层施工装置就位后，控制支腿向底盘四周之外并向下伸出，直至其接触地基，并进行压力和平整度调整，使得行走机构不与地基接触并且支腿完全支持底盘，此时底盘基本保持水平状态；

C、进行顶升施工；控制顶升支撑机构向上伸展，直至其顶部与钢结构建筑的底部完全接触，并对顶升支撑机构进行加压，使其对钢结构建筑的支撑力达到临时支撑设计阈值；

D、对钢结构建筑的立柱周围的地基土实施挖掘施工；控制挖掘和立撑机构，挖掘出紧靠立柱且能够放置增层支撑柱的孔洞空间，挖掘的孔洞空间深度满足增层施工的高度设计需求，挖掘的孔洞空间直径大于增层支撑柱的直径；

E、在钢结构建筑的立柱周围立撑增层支撑柱；挖掘孔洞空间结束后，解除挖掘斗和立撑结构之间的连接，控制挖掘斗枢转至其前言与施工臂贴合，并控制立撑结构保持竖直状态，利用立撑结构夹持一根增层支撑柱放入到所述孔洞空间内；重复操作，将多根增层支撑柱依次在高度方向上连接，直至最上层的一根增层支撑柱顶住钢结构建筑的底部，然后将增层支撑柱与钢结构建筑的立柱进行固定连接；

F、重复步骤C-E，直至完成所有立柱周围的增层支撑柱立撑，然后收缩顶升支撑机构，继续挖掘剩余的地基土至设计标高，撤走钢结构建筑地下增层施工装置，并施工地下室结构，最终完成增层施工。

优选的，在所述步骤E中，相连接的增层支撑柱之间设置有双头套管构件，每一根增层支撑柱的端部分别插入双头套管构件的每一头套管中并进行紧固；增层支撑柱的端部与每一头套管的连接位置设置有减震缓冲单元。

在上述任一方案中优选的是，所述减震缓冲单元包括多层减震衬板，每层衬板的弹性模量按照从上到下的顺序依次减小。

在上述任一方案中优选的是，在所述步骤E中，进行最下面一根增层支撑柱立撑时，控制施工臂竖直加压，进而将该增层支撑柱紧紧压入增层设计标高以下的地基中，并在其周围浇筑混凝土进行加固；最下面一根增层支撑柱的底端呈尖锥形。

在上述任一方案中优选的是，增层支撑柱与钢结构建筑的立柱通过在两者之间焊接牛腿连接件进行固定连接。

本发明的有益效果为：

1.本发明针对现有技术中的缺陷进行改进和提高，通过采用特别设置的钢结构建筑地下增层施工装置能够同步实现对钢结构的顶升支撑、地基土挖掘和增层支撑柱的立撑，采用自动控制操作和运行，同步操作一步到位，速度快，操作方便，稳定性好，降低施工成本，节约了施工场地，缩短了施工时间，降低施工难度，提高增层施工效果，保证施工安全。

2.本发明中增层支撑柱是钢结构建筑增层后的永久竖向承重构件，不必拆除，减少了浪费、节约了资源。并且直接立撑增层支撑柱与钢结构建筑的原有立柱进行固定连接，完成受力体系转换，大大提高了施工效率，并且保证了支撑效果，实现了良好的减震效果。

3.本发明通过一个整体施工装置实现顶升支撑、挖掘和立撑功能，极大节约了人力，又提高了挖掘和立撑的可靠性能，并避免了因夹持力度不均匀而造成增层支撑柱的倾斜，极大提高了施工效果。

附图简要说明

图1为根据本发明的钢结构建筑地下增层施工装置的结构示意图；

图2为根据本发明的试验场混合型测试路面施工方法中使用的混凝土分仓浇筑器的结构示意图；

图3为根据本发明的钢结构建筑地下增层施工装置的立撑结构的示意图。

具体实施方式

下面将结合本申请的附图和具体实施方式对本申请的技术方案进行详细的说明，但如下实施例仅是用以理解本发明，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合，本申请可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

实施例1

参见图1和3，一种钢结构建筑地下增层施工装置1，包括行走机构2、底盘、顶升支撑机构4、挖掘和立撑机构以及驾驶操作室8；

行走机构2的上部设置有底盘，底盘连接有水平和竖向伸缩设置的支腿3，底盘的上方分别设置有顶升支撑机构4、挖掘和立撑机构以及驾驶操作室8；

顶升支撑机构4可实现竖向伸缩，在进行增层施工时可竖向向上伸展顶升，支撑钢结构建筑9的底部；底盘上还设有转盘机构，转盘机构上设置挖掘和立撑机构以及驾驶操作室8；挖掘和立撑机构包括施工臂5、挖掘斗6和立撑结构7，施工臂5的一端固定连接在转盘机构上，另一端连接有挖掘斗6和立撑结构7，所述挖掘斗6和立撑结构7之间为可分离式连接。

所述立撑结构7包括框架体13，框架体13背离挖掘斗6的表面设置有上夹持单元14和下夹持单元15，以便稳固夹持增层支撑柱10。

所述转盘机构可相对于底盘进行转动，使得施工时由施工人员在驾驶操作室8进行操作而控制挖掘和立撑机构转动，实现大范围挖掘和立撑作业。

当进行增层并对地基土实施挖掘施工时，所述挖掘斗6和立撑结构7之间为连接状态；当进行增层并竖立对钢结构建筑9进行支撑的支撑立柱时，所述挖掘斗6和立撑结构7之间为分离状态，进而控制挖掘斗6枢转至其前言与施工臂5贴合，并控制立撑结构7始终保持竖直状态。

所述转盘机构上设置有转动限位机构，其限制挖掘和立撑机构转动至顶升支撑机构4一侧，从而防止在施工时挖掘和立撑机构撞击损坏顶升支撑机构4。

实施例2

参见图1和3，一种钢结构建筑地下增层施工装置1，包括行走机构2、底盘、顶升支撑机构4、挖掘和立撑机构以及驾驶操作室8；

行走机构2的上部设置有底盘，底盘连接有水平和竖向伸缩设置的支腿3，底盘的上方分别设置有顶升支撑机构4、挖掘和立撑机构以及驾驶操作室8；

顶升支撑机构4可实现竖向伸缩，在进行增层施工时可竖向向上伸展顶升，支撑钢结构建筑9的底部；底盘上还设有转盘机构，转盘机构上设置挖掘和立撑机构以及驾驶操作室8；挖掘和立撑机构包括施工臂5、挖掘斗6和立撑结构7，施工臂5的一端固定连接在转盘机构上，另一端连接有挖掘斗6和立撑结构7，所述挖掘斗6和立撑结构7之间为可分离式连接。

所述立撑结构7包括框架体13，框架体13背离挖掘斗6的表面设置有上夹持单元14和下夹持单元15，以便稳固夹持增层支撑柱10。

所述转盘机构可相对于底盘进行转动，使得施工时由施工人员在驾驶操作室8进行操作而控制挖掘和立撑机构转动，实现大范围挖掘和立撑作业。

当进行增层并对地基土实施挖掘施工时，所述挖掘斗6和立撑结构7之间为连接状态；当进行增层并竖立对钢结构建筑9进行支撑的支撑立柱时，所述挖掘斗6和立撑结构7之间为分离状态，进而控制挖掘斗6枢转至其前言与施工臂5贴合，并控制立撑结构7始终保持竖直状态。

所述转盘机构上设置有转动限位机构，其限制挖掘和立撑机构转动至顶升支撑机构4一侧，从而防止在施工时挖掘和立撑机构撞击损坏顶升支撑机构4。

此外，为了进一步提高本发明的技术效果，该实施例中，施工臂5的液压活塞缸与顶升支撑机构4的液压活塞缸通过电磁阀实现单向连通。当进行挖掘和立撑施工时，在施工臂5下降时，施工臂5的液压活塞缸的液压油进入顶升支撑机构4的液压活塞缸内，持续为顶升支撑机构4的顶升提供动力，由此将施工臂5的势能转化为顶升支撑机构4的一部分顶升动力，实现了施工臂5的势能转换和利用，达到节能的目的。

在施工臂5抬升时，由其提升油缸单独提供动力以实现抬升。

该实施例中实现了钢结构建筑地下增层施工装置1工作过程中施工臂5的势能的转换和利用，减少能量损耗，达到节能降耗的效果。并且结构简单、成本低，可靠性高，冲击小，能大大提高钢结构建筑地下增层施工装置1的操控性。

实施例3

参见图1-3，一种钢结构建筑地下增层的施工方法，包括以下步骤：

A、钢结构建筑地下增层施工装置1就位；施工人员在驾驶操作室8进行操作，控制行走机构2移动，使钢结构建筑地下增层施工装置1到达指定施工位置；

B、进行施工前固定调试准备；钢结构建筑地下增层施工装置1就位后，控制支腿3向底盘四周之外并向下伸出，直至其接触地基，并进行压力和平整度调整，使得行走机构2不与地基接触并且支腿3完全支持底盘，此时底盘基本保持水平状态；

C、进行顶升施工；控制顶升支撑机构4向上伸展，直至其顶部与钢结构建筑9的底部完全接触，并对顶升支撑机构4进行加压，使其对钢结构建筑9的支撑力达到临时支撑设计阈值；

D、对钢结构建筑9的立柱10周围的地基土12实施挖掘施工；控制挖掘和立撑机构，挖掘出紧靠立柱10且能够放置增层支撑柱10的孔洞空间，挖掘的孔洞空间深度满足增层施工的高度设计需求，挖掘的孔洞空间直径大于增层支撑柱10的直径；

E、在钢结构建筑9的立柱10周围立撑增层支撑柱10；挖掘孔洞空间结束后，解除挖掘斗6和立撑结构7之间的连接，控制挖掘斗6枢转至其前言与施工臂5贴合，并控制立撑结构7保持竖直状态，利用立撑结构7夹持一根增层支撑柱10放入到所述孔洞空间内；重复操作，将多根增层支撑柱10依次在高度方向上连接，直至最上层的一根增层支撑柱10顶住钢结构建筑9的底部，然后将增层支撑柱10与钢结构建筑9的立柱10进行固定连接；

F、重复步骤C-E，直至完成所有立柱10周围的增层支撑柱10立撑，然后收缩顶升支撑机构4，继续挖掘剩余的地基土12至设计标高，撤走钢结构建筑地下增层施工装置1，并施工地下室结构，最终完成增层施工。

在所述步骤E中，相连接的增层支撑柱10之间设置有双头套管构件，每一根增层支撑柱10的端部分别插入双头套管构件的每一头套管中并进行紧固；增层支撑柱10的端部与每一头套管的连接位置设置有减震缓冲单元。

所述减震缓冲单元包括多层减震衬板，每层衬板的弹性模量按照从上到下的顺序依次减小。

在所述步骤E中，进行最下面一根增层支撑柱10立撑时，控制施工臂5竖直加压，进而将该增层支撑柱10紧紧压入增层设计标高以下的地基中，并在其周围浇筑混凝土进行加固；最下面一根增层支撑柱10的底端呈尖锥形。

增层支撑柱10与钢结构建筑9的立柱10通过在两者之间焊接牛腿连接件进行固定连接。

实施例4

参见图1-3，一种钢结构建筑地下增层的施工方法，包括以下步骤：

A、钢结构建筑地下增层施工装置1就位；施工人员在驾驶操作室8进行操作，控制行走机构2移动，使钢结构建筑地下增层施工装置1到达指定施工位置；

B、进行施工前固定调试准备；钢结构建筑地下增层施工装置1就位后，控制支腿3向底盘四周之外并向下伸出，直至其接触地基，并进行压力和平整度调整，使得行走机构2不与地基接触并且支腿3完全支持底盘，此时底盘基本保持水平状态；

C、进行顶升施工；控制顶升支撑机构4向上伸展，直至其顶部与钢结构建筑9的底部完全接触，并对顶升支撑机构4进行加压，使其对钢结构建筑9的支撑力达到临时支撑设计阈值；

D、对钢结构建筑9的立柱10周围的地基土12实施挖掘施工；控制挖掘和立撑机构，挖掘出紧靠立柱10且能够放置增层支撑柱10的孔洞空间，挖掘的孔洞空间深度满足增层施工的高度设计需求，挖掘的孔洞空间直径大于增层支撑柱10的直径；

E、在钢结构建筑9的立柱10周围立撑增层支撑柱10；挖掘孔洞空间结束后，解除挖掘斗6和立撑结构7之间的连接，控制挖掘斗6枢转至其前言与施工臂5贴合，并控制立撑结构7保持竖直状态，利用立撑结构7夹持一根增层支撑柱10放入到所述孔洞空间内；重复操作，将多根增层支撑柱10依次在高度方向上连接，直至最上层的一根增层支撑柱10顶住钢结构建筑9的底部，然后将增层支撑柱10与钢结构建筑9的立柱10进行固定连接；

F、重复步骤C-E，直至完成所有立柱10周围的增层支撑柱10立撑，然后收缩顶升支撑机构4，继续挖掘剩余的地基土12至设计标高，撤走钢结构建筑地下增层施工装置1，并施工地下室结构，最终完成增层施工。

在所述步骤E中，相连接的增层支撑柱10之间设置有双头套管构件，每一根增层支撑柱10的端部分别插入双头套管构件的每一头套管中并进行紧固；增层支撑柱10的端部与每一头套管的连接位置设置有减震缓冲单元。

所述减震缓冲单元包括多层减震衬板，每层衬板的弹性模量按照从上到下的顺序依次减小。

在所述步骤E中，进行最下面一根增层支撑柱10立撑时，控制施工臂5竖直加压，进而将该增层支撑柱10紧紧压入增层设计标高以下的地基中，并在其周围浇筑混凝土进行加固；最下面一根增层支撑柱10的底端呈尖锥形。

增层支撑柱10与钢结构建筑9的立柱10通过在两者之间焊接牛腿连接件进行固定连接。

此外，为了进一步提高本发明的技术效果，该实施例中，所述牛腿连接件为多个水平和斜向交叉设置的型钢构件，连接节点处通过焊接固定，由此将增层支撑柱10与钢结构建筑9的立柱10之间形成空间稳定体系。

在所述步骤F中，在完成所有立柱10周围的增层支撑柱10立撑之后，收缩顶升支撑机构4，进行基坑周边支护结构施工，通过止水帷幕或降水控制地下水后，进一步继续挖掘剩余的地基土12至设计标高。挖掘完成后，由新建地下室的底板向上施工地下室结构，与原钢结构建筑9相连，完成既有钢结构建筑9的地下室增层改造。

该实施例中，采用很少施工设备即能完成增层施工，且保证增层支撑体系与原钢结构建筑的牢固连接，完美实现了增层施工的安全性和结构稳定性，缩短施工周期，降低施工成本，对环境影响小。

由上述实施例可知，本发明针对现有技术中的缺陷进行改进和提高，通过采用特别设置的钢结构建筑地下增层施工装置能够同步实现对钢结构的顶升支撑、地基土挖掘和增层支撑柱的立撑，采用自动控制操作和运行，同步操作一步到位，速度快，操作方便，稳定性好，降低施工成本，节约了施工场地，缩短了施工时间，降低施工难度，提高增层施工效果，保证施工安全。

本发明中增层支撑柱是钢结构建筑增层后的永久竖向承重构件，不必拆除，减少了浪费、节约了资源。并且直接立撑增层支撑柱与钢结构建筑的原有立柱进行固定连接，完成受力体系转换，大大提高了施工效率，并且保证了支撑效果，实现了良好的减震效果。

本发明通过一个整体施工装置实现顶升支撑、挖掘和立撑功能，极大节约了人力，又提高了挖掘和立撑的可靠性能，并避免了因夹持力度不均匀而造成增层支撑柱的倾斜，极大提高了施工效果。以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。