适用于圆形基坑的竖向可分离一体化支撑体系

技术领域

本发明涉及基坑施工技术领域，尤其涉及一种适用于圆形基坑的竖向可分离一体化支撑体系。

背景技术

当前常见深基坑支护形式多为竖向围护+内支撑体系。内支撑形式一般采用混凝土支撑或钢支撑。传统市政基坑由于宽度限制，常采用对撑形式。

而混凝土支撑的现浇作业以及钢支撑的安装存在以下问题：

1.支撑作业期间须投入大量施工人员在基坑内作业；

2.支撑作业期间须与挖机、吊装等设备交叉作业；

3.施工现场交叉作业存在大量安全隐患，极易发生坠物伤人、高处坠落、机械打击等安全事故；

4.混凝土支撑须投入大量时间绑扎浇筑养护时间，无法做到随挖随撑，施工周期长，导致基坑变形效应累加；

5.钢支撑安装速度虽较混凝土支撑快，但钢支撑安装须逐根进行，导致前序挖土作业须配合支撑安装进度，同样制约基坑建造速度；且普通钢支撑在加力前后，会因支撑安装不密贴等因素而产生三重应力损失，在分级施加预应力之后，其轴力损失率为49％～67％。即便引入伺服钢支撑解决轴力损失问题，也无法弥补钢支撑刚度小易失稳的先天不足；

6.钢支撑安装质量参差不齐，也导致基坑变形效应进一步累加。

发明内容

针对上述现有技术中存在的不足之处，本发明提出了一种适用于圆形基坑的竖向可分离一体化支撑体系，实现基坑作业自动化、随挖随撑、有效提高基坑建造速度、进一步压缩基坑暴露时间，有效控制基坑变形。

为实现上述技术效果，本发明采用的技术方案为：

一种适用于圆形基坑的竖向可分离一体化支撑体系，其包括：

形状适于圆形基坑的多层水平桁架框支撑，多层所述水平桁架框支撑的层间采用机械式卡扣连接，每层所述水平桁架框支撑的外圈均匀分布有多个主动式水平支撑装置；每层所述水平桁架框支撑包括呈圆环形分布的多个标准桁架段以及连接于相邻所述标准桁架段之间的连接段；

提升机构，至少连接于最底层的所述水平桁架框支撑；

控制监测系统，包括安装于所述水平桁架框支撑上的监测装置以及控制连接所述监控装置、所述主动式水平支撑装置和所述提升机构的主控装置。

作为本发明竖向可分离一体化支撑体系的实施方式，所述机械式卡扣包括翻板及销轴，所述翻板和所述销轴配对设置在所述水平桁架框支撑的顶部和底部，所述翻板上开设有供所述销轴插入的锁孔。

作为本发明竖向可分离一体化支撑体系的实施方式，所述销轴采用电机和液压缸控制伸缩于所述锁孔，所述电机或液压缸由所述主控装置驱使。

作为本发明竖向可分离一体化支撑体系的实施方式，每个所述标准桁架段由多根型钢焊接而成，在每根水平向的型钢的两侧的顶部和底部设置所述翻板和所述销轴。

作为本发明竖向可分离一体化支撑体系的实施方式，多层所述水平桁架框支撑的层间还设置有内埋式竖向液压装置，由所述控制监测系统控制伸缩，所述液压装置竖向顶出时分离上下层所述水平桁架框支撑。作为本发明竖向可分离一体化支撑体系的实施方式，所述提升机构包括安装于基坑围护顶部的机械固定架以及安装于所述机械固定架上的卷扬机，所述卷扬机通过钢丝绳连接于最底层的所述水平桁架框支撑。

作为本发明竖向可分离一体化支撑体系的实施方式，所述主动式水平支撑装置为围绕所述水平桁架框支撑的外圈间隔设置的多个液压千斤顶或液压油缸。

作为本发明竖向可分离一体化支撑体系的实施方式，所述标准桁架段的数量为偶数，呈中心对称分布。

由于采用上述技术方案，使得本发明取得的技术效果是：

本发明开发一种适用于圆形基坑的竖向可分离一体化支撑体系，颠覆传统支撑以多根对撑作为内支撑体系，引入竖向可分离一体化支撑体系替代传统内支撑体系形式，借鉴现代工业机械化流水作业模式，实现一体化支撑随开挖步序，竖向分离、竖向升降就位、主动式水平支撑生效全程机械化作业。实现坑作业自动化、随挖随撑、有效提高基坑建造速度、进一步压缩基坑暴露时间，有效控制基坑变形。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的适用于圆形基坑的竖向可分离一体化支撑体系的基坑平面图。

图2为本发明实施例的竖向可分离一体化支撑体系的第一种使用状态下的立面示意图。

图3为图2的局部放大示意图。

图4为本发明实施例的竖向可分离一体化支撑体系的第二种使用状态下的立面示意图。

图5为图4的局部放大示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

随着我国城市经济的快速发展，基坑的深度不断增加，而开挖环境日趋复杂化。如何加快基坑施工步序，解决或减少对环境的影响成为城市环境岩土工程研究领域的重要内容。传统基坑工程投入大量人员、时间用于钢筋混凝土支撑的绑扎浇筑以及钢支撑的架设作业，存在施工周期长，作业交叉面多，机械化程度低，钢支撑施工质量参差等问题。基坑建造速度及质量，直接影响基坑变形。因此，引入竖向可分离一体化支撑体系替代传统内支撑体系形式，借鉴现代工业机械化流水作业模式，实现基坑开挖到位后，一体化支撑竖向分离、竖向升降就位、主动式水平支撑生效全程机械化作业。实现作业自动化、随挖随撑、有效提高基坑建造速度、进一步压缩基坑暴露时间，有效控制基坑变形。

参阅图1～5，本发明实施例提供了一种适用于圆形基坑的竖向可分离一体化支撑体系，包含四大系统：预制装配整体支撑系统1、竖向分离升降系统2、主动式水平支撑装置3和控制监测系统4。

(一)预制装配整体支撑系统1

引入装配式、集成理念，将每道支撑集成为单层组合式水平桁架框支撑11，而非传统内支撑单根概念。为方便现场拼装及提高各类基坑适用性，将组合式水平桁架框支撑11分为标准桁架段111和连接段112，多个标准桁架段111呈圆环形分布，外轮廓与圆形基坑的内壁相适配，多个标准桁架段111之间通过连接段112进行连接，可采用螺栓、螺母连接固定。较佳地，如图2所示，采用10个标准桁架段111呈中心对称分布，相邻标准桁架段111的之间由连接段112进行连接，连接段112也可采用桁架结构，每个标准桁架段111和每个连接段112均由多根型钢焊接而成。多层组合式水平桁架框支撑11叠合组成预制装配整体支撑系统1。

(二)竖向分离升降系统2

竖向分离升降系统2包含机械式卡扣21和竖向提升机构22两部分，其中：

机械式卡扣21包括翻板及销轴，翻板和销轴对应设置在水平桁架框支撑中水平设置的型钢的两侧的顶部和底部位置，如图5所示，翻板上开设有供销轴插入的锁孔，翻板通过转轴转动安装在型钢的两侧的中下部。销轴可水平伸缩地安装在型钢的两侧的中上部，翻板上开设锁孔，以便销轴在伸出时插入锁孔，实现组合式水平桁架框支撑11的层间固定，当需要分离时，销轴自锁孔中缩回，解除锁定，销轴的伸缩可采用小型电机控制，小型电机由控制监测系统4控制。当然，销轴也可以用普通螺栓、螺母代替，采用人工方式，在翻板到位后，用螺栓螺母进行固定，实现组合式水平桁架框支撑11的层间固定，当需要分离时，拧开螺母，取出翻板。同样的，销轴也可以采用L型销轴，由小型电机控制其转动，配合翻板上的条形孔，实现销轴与翻板的锁定和解锁。故本发明竖向连接分离系统的形式多样，并不限于以上例举的几种形式，只要能够实现其功能的都应当属于本发明的保护范围。

另外，作为本发明的较佳实施方式(图中未显示)，为防止上下单层组合式水平桁架框支撑11在分离过程中存在吸附等无法分离情况，在单层组合式水平桁架框支撑11内埋设可竖向顶出的液压装置，在体系竖向分离过程中竖向顶出，将上下单层组合式水平桁架框支撑11层间分离，同时设置后靠系统为竖向液压装置的顶出提供反力。其中，液压装置可设置在每层组合式水平桁架框支撑11的底部，向下推抵下一层的组合式水平桁架框支撑11的顶部，以实现分离。

竖向提升机构22可采用如卷扬机，在基坑外围的围护结构10的顶部安装机械固定架23，卷扬机固定在机械固定架23上，卷扬机进一步通过钢丝绳连接于最底层的组合式水平桁架框支撑11。由于其余层组合式水平桁架框支撑11叠合在最底层的组合式水平桁架框支撑11之上，因此，只要将最底层的组合式水平桁架框支撑11与卷扬机连接，就能同时对组装在一起的多层组合式水平桁架框支撑11起到升降作用。竖向升降机构22也由控制监测系统4控制升降。

竖向提升机构22须完成两项任务：一是将预制装配整体支撑系统1升降至基坑计算指定标高，二是将预制装配整体支撑系统竖向分离并将组合式水平桁架框支撑11升降至基坑计算指定各标高。

(三)主动式水平支撑装置3

在预制装配整体支撑系统1的每层组合式水平桁架框支撑11外圈均设置主动式水平支撑装置3，该主动式水平支撑装置3采用如液压千斤顶或液压油缸等，使预制装配整体支撑系统1的作用方式从由传统基坑内支撑的被动受压和松弛变形状态转变为主动加压调控变形，能很好地控制基坑开挖过程中围护变形的发展趋势，减小围护结构变形及基坑开挖对周边环境的影响。并且加力值可根据基坑开挖深度等周边条件进行调整。

其中，主动式水平支撑装置3可采用液压油缸或液压千斤顶，围绕着每一层组合式水平桁架框支撑11的外圈均匀间隔地设置一周，液压油缸或液压千斤顶的底座垂直固定在组合式水平桁架框支撑11的外侧端面上，推杆端朝外。主动式水平支撑装置3由控制监测系统4控制。

(四)控制监测系统4

可以包括安装于组合式水平桁架框支撑11和围护结构10上的监测装置以及电连接于监测装置、机械式卡扣21、竖向提升机构22、主动式水平支撑装置3的主控装置，如PLC控制器或单片机或小型电脑等。其中，监测装置可以采用不同类型的应力计或传感器等，用于测量体系主要构件内力、体系自身变形监测。控制监测系统4的功能包括但不限于：机械式卡扣21的监测；竖向提升机构22的监测(包含升降速度监测、组合式水平桁架框支撑11升降姿态同步监测、升降钢丝绳最大轴力监测、升降报警自锁系统)；伺服监测系统(液压千斤顶同步释放系统、液压千斤顶加压实时监测)；围护监测系统：围护变形监测。

本发明适用于圆形基坑的竖向可分离一体化支撑体系的使用原理如下：

1.预制装配整体支撑系统1及主动式水平支撑装置3在工厂完成集成模块加工后运至现场；

2.将多层组合式水平桁架框支撑11叠合组成预制装配整体支撑系统1；

3.主动式水平支撑装置3施加主动力后可开挖基坑下一层土方；

4.组合式水平桁架框支撑11之间用层间机械式卡扣21连接；

5.组合式水平桁架框支撑11之间通过竖向分离升降系统2分离以及升降。

具体施工过程如下：

a.围护结构10完成后，基坑开挖前，在围护结构10顶部安装机械固定架23；

b.待开挖第一层土方至指定深度，在开挖面用层间机械式卡扣21将多层组合式水平桁架框支撑11叠合组装在一起，至少最底层组合式水平桁架框支撑11与机械固定架23之间连接有竖向提升机构22，每层组合式水平桁架框支撑11的外圈均设置有主动式水平支撑装置3；

c.安装控制监测系统4，用于监控层间机械式卡扣21、竖向提升机构22、组合式水平桁架框支撑11和主动式水平支撑装置3；

d.顶部首层主动式水平支撑装置3向围护结构10施加主动力，固定首层组合式水平桁架框支撑11，如图2和图3所示；

e.开挖下一层土方至指定深度，利用控制监测系统4控制首层组合式水平桁架框支撑11与第二层组合式水平桁架框支撑11之间的机械式卡扣21解锁，推出首层与第二层之间的内埋式竖向液压装置，将首层组合式水平桁架框支撑11与其余多层组合式水平桁架框支撑11进行分离，控制竖向提升机构22下放其余层组合式水平桁架框支撑至开挖面；

f.第二层主动式水平支撑装置3向围护结构10施加主动力，固定第二层组合式水平桁架框支撑11，如图4和图5所示；

g.循环进行步骤e和步骤f，直至开挖至基坑底。

本发明内支撑形式为竖向可分离一体化支撑体系，包含四大部分：预制装配整体支撑系统1、竖向分离升降系统2、主动式水平支撑装置3、控制监测系统4。本发明施工方法采用竖向可分离一体化支撑体系工厂模块化预制，现场一次性安装就位后，伴随开挖步序，竖向逐步分离，就位后主动式支护，循环至坑底后，伴随回筑步序，卸载主动力，竖向逐步合并，提升至首道后分解模块外运。

本发明中未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。