用于既有地下构筑物上方开挖卸载的保护结构及设计方法与流程

1.本发明涉及基坑工程技术领域，尤其是一种用于既有地下构筑物上方开挖卸载的保护结构及设计方法。


背景技术：

2.目前随着国内城市化进程，地下工程蓬勃发展，由于各工程规划、修建时序不同，导致地下空间资源愈发紧张；在遇到已经修建的地下构筑物上方进行基坑开挖时会不可避免的导致既有地下构筑物的抗浮、地层回弹上浮产生一系列问题，给既有地下构筑物带来运营使用上的安全隐患；当前主流的施工技术为：先进行地层加固同时施作锚桩，再对基坑分小块开挖、浇筑底板或锚板梁以形成门式刚架，在形成稳定的门式框架后方可放心施工底板以上结构，在但该工艺仍存在开挖过程中必然有一定时间和空间下的基坑底处“零应力”暴露，属于“滞后保护”导致既有地下构筑物抗浮和回弹上浮问题；其次分块开挖导致新建结构接缝众多、受力差、施工效率低。基于此，亟待研究一种有效的针对既有地下构筑物的“超前保护”措施解决基底“零应力”状态下时空暴露问题，同时提高施工效率。


技术实现要素：

3.本发明的目的是根据上述现有技术的不足，提供了用于既有地下构筑物上方开挖卸载的保护结构及设计方法，在地层未开挖前，实施横向加固体、斜向加固体、锚杆组成联合保护措施，以形成超前保护，使得下部既有构筑物安全性大幅度提高。
4.本发明目的实现由以下技术方案完成：一种用于既有地下构筑物上方开挖卸载的保护结构，用于在既有地下构筑物上方开挖施工新建结构时保护所述既有地下构筑物，其特征在于：该保护结构包括设置在既有地下构筑物上方的横向加固体以及锚杆，所述锚杆与所述横向加固体连接，所述锚杆呈斜向插入至所述既有地下构筑物的两侧并深入稳定地层；所述横向加固体和所述锚杆所构成的结构围闭在所述既有地下构筑物的外围。
5.所述横向加固体对应所述锚杆的位置分别设置有斜向加固体，所述斜向加固体与所述锚杆连接；所述横向加固体、所述斜向加固体和所述锚杆所构成的结构围闭在所述既有地下构筑物的外围。
6.所述横向加固体沿所述既有地下构筑物的延伸方向布置，所述锚杆和所述斜向加固体沿所述既有地下构筑物的延伸方向均匀间隔布置。
7.所述横向加固体为锚板梁。
8.所述保护结构还包括设置在所述新建结构位置外围的基坑围护结构。
9.一种涉及上述的用于既有地下构筑物上方开挖卸载的保护结构的设计方法，其特征在于：所述设计方法包括：（1）横向加固体受力计算横向加固体受力只计竖直向上，由两部分组成，分别为：既有地下构筑物的剩余浮
力和地层卸载产生的回弹力。即：其中，，式中各物理量含义如下：-水的天然重度；-既有地下构筑物外轮廓体积；-重力加速度；-既有地下构筑物自重；-开挖后，剩余土体对既有地下构筑物的压重；当计算时，取0值计算。
10.其中，，回弹力计算时可分层分块，式中各物理量含义如下：-回弹力计算经验系数，与卸荷区长宽、地层等有关；-上部开挖卸载应力；-按照boussinesq理论计算的平均附加应力系数；-地层主要回弹区深度；计算时应将既有地下构筑物范围内回弹力扣除。
11.（2）横向加固体的强度检算横向加固体需对其抗剪、抗弯进行检算，以确定单次开挖尺寸；抗剪计算：；式中，-开挖时加固体龄期强度，按常规经验，抗剪强度取1/6抗压强度，有可靠实测值时，抗剪强度取实测值计算；-加固体截面厚度；-横向加固体的竖向力。
12.拉应力计算：式中，-开挖时加固体龄期强度，按常规经验，抗拉强度取0.15倍抗压强度，有可靠实测值时，抗拉强度取实测值计算；-加固体截面厚度；-计算截面弯矩。
13.压应力计算：式中，-开挖时加固体龄期强度；-加固体截面厚度；-加固体重度；-计算截面弯矩。
14.（3）锚杆计算锚杆锚于稳定地层，主要提供拉力，锚杆需满足强度和变形计算。
15.锚杆位于稳定地层中的锚固体长度应满足以下要求：式中，-土层对锚杆锚固体的侧阻力标准值；-锚固体外径；-锚固区长度，一般取地层主要回弹区以下部分计算；-参与受力的锚杆根数；-安全系数；-横向加固体竖向力；同时，锚固体长度还应满足以下要求：式中，-锚固体与锚杆的侧阻力标准值；-锚杆体外径；-锚固区长度，一般取地层主要回弹区以下部分计算；-参与受力的锚杆根数；-安全系数；-横向加固体竖向力；锚杆位于加固体内的锚固长度计算原理同土层内锚固长度计算，计算时依据不同的侧阻力替换公式中相应数值，同时安全系数进行相应替换。
16.锚杆变形可按下式计算：式中，-锚杆变形量；-锚杆杆体弹性模量；-锚杆截面面积；-锚固区长度，一般取地层主要回弹区以下部分计算；-取地层主要回弹区以上部分计算；-参与受力的锚杆根数；-横向加固体竖向力。
17.本发明的优点是：1）开挖前已形成强有力保护，解决了传统施工作业至基底才能实施门式框架保护这一时间落后的弊端。
18.2）可有效减小在上部开挖过程中对既有地下构筑物的不利影响。
19.3）可有效减少分块开挖，减少施工步序、减少钢筋接头，加快施工效率。
20.4）锚杆可调整角度、长度与围护结构相连，以此可减短围护桩插入深度。
21.5）锚杆作为拉力提供构件，较传统锚桩因其钻孔直径很小，具有扰动小、造价低的优点。
附图说明
22.图1为本发明中实施例一的结构示意图；图2为本发明中实施例二的结构示意图。
具体实施方式
23.以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：如图1-2所示，图中标记1-7分别表示为：横向加固体1、斜向加固体2、锚杆3、既有地下构筑物4、新建基坑围护结构5、新建结构6、锚板梁7。
24.实施例一：如图1所示，本实施例中用于既有地下构筑物上方开挖卸载的保护结构用于在既有地下构筑物4上方需进行新建结构6的开挖施工时，使基坑在开挖前已具备受力能力，从而对该既有地下构筑物进行保护，可有效减小在上部开挖过程中对既有地下构筑物4的不利影响。
25.本实施例包括如下施工步骤：1）对横向加固体1进行受力计算；对横向加固体1需对其抗剪、抗弯进行检算，以确定单次开挖尺寸，对锚杆两端的锚固体的长度进行计算，使其满足强度和变形要求。
26.2）在基坑未开挖前，在地面上对下方土层内施作横向加固体1，该横向加固体1要求施工期间扰动小、设计强度高。横向加固体1沿既有地下构筑物4的延伸方向通长布置，满足于覆盖在既有地下构筑物4上方的要求，同时该横向加固体1位于拟建造的新建结构6的底板设计位置以下，以避免阻碍新建结构6的施工。
27.3）地面施作斜向加固体2，该斜向加固体2一般采用斜向打设，以此提供较好的对既有地下构筑物4的下压效果，同时可减短横向加固体1的主要受力区长度。斜向加固体4沿既有地下构筑物4的延伸方向均匀间隔布置。
28.4）地面实施锚杆3，锚杆3穿过加固体2，并需要与加固体2形成良好黏结，锚杆3底部深入稳定地层提供抗拔力。若干锚杆3沿既有地下构筑物4的延伸方向均匀间隔布置且与
各斜向加固体2构成一一对应。
29.此时，由横向加固体1、斜向加固体2以及两侧锚杆3所构成的保护结构围闭在既有地下构筑物4的外围，该保护结构具备了地层开挖前的超前保护能力。
30.5）之后打设新建基坑围护结构5，例如围护桩；完成后，开挖土体，回筑新建结构6。
31.在本实施例中，当新建基坑围护结构5的被动区抗力不足时，可将锚杆3与新建基坑围护结构5的底部相连，以提供被动区抗力，提高其整体稳定性。
32.实施例二：本实施例相较于实施例一的不同之处在于：采用锚板梁7替代横向加固体1并且不设置斜向加固体2，具体如下：1）在基坑开挖前在锚板梁7对应地面位置实施槽壁加固。
33.2）使用地下连续墙成槽机配合泥浆护壁开挖至锚板梁7底部，槽宽一般1m-1.5m左右，地面使用锚杆钻机打设锚杆3对应钻孔。
34.3）放入锚杆3、放入锚板梁7钢筋笼；对锚杆3压浆、锚板梁7实施水下混凝土浇筑工作。
35.4）沿线路纵向相隔1-1.5m，重复实施以上操作，完成若干锚板梁7与锚杆3的组合结构形成保护措施；当地层稳定性差时可采用方形长护筒跟进成槽。待保护措施的结构达到设计强度后即形成强有力保护，方可开挖上部土体。
36.实施例二的设计方法，可参考实施例一进行计算，主要区别在于实施例二中锚板梁为钢筋混凝土结构，其计算按照现行规范执行。
37.上述实施例在具体实施时：锚杆3可调整角度、长度，从而使其与新建基坑围护结构5相连，以此可减短新建基坑围护结构5的插入深度。
38.虽然以上实施例已经参照附图对本发明目的的构思和实施例做了详细说明，但本领域普通技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，故在此不一一赘述。