1.本发明属于地基基础领域，特别是一种装配式钢结构基坑围护结构及其施工方法。


背景技术：

2.当前，支挡式深基坑工程中的围护结构主要包括钢筋混凝土桩墙、钢板桩以及smw工法等。由于深基坑支护往往是变形控制为主，因此多采用刚度大、承载力高的排桩或地下连续墙作为基坑的围护结构，这种钢筋混凝土桩墙式基坑围护结构在基坑工程使用完成后，除极少数作为地下结构一部分进行使用外，多数被遗弃在地下成为建筑垃圾，不仅浪费资源，而且在后续地下空间开发中成为障碍物，给后续地下空间的开发利用带来极大的困难。
3.尽管采用钢板桩以及smw工法基坑围护结构，在基坑工程完成使用功能后进行回收，并可以重复利用，从而显著降低资源的浪费。但是由于钢板桩以及smw工法围护结构的抗弯刚度较低，在基坑深度较大以及变形控制严格的深基坑工程中无法使用，使用范围受限。
4.因此在土木工程绿色建造，可持续发展的大环境下，如何实现深基坑工程的绿色建造、工业化问题，一直是基坑工程领域工程师探索的问题。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种装配式基坑围护结构及其施工方法，要解决传统混凝土围护结构施工不环保和材料浪费严重的技术问题，还要解决常规型钢、钢板桩围护结构抗弯刚度小、承载力低，不能有效控制支护变形的技术问题。
6.为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种装配式基坑围护结构，包括设置在基坑周围的土体中的止水帷幕和支撑排桩，所述止水帷幕为三轴水泥土桩止水帷幕，所述三轴水泥土桩止水帷幕围绕基坑周边设置形成封闭的止水系统，所述三轴水泥土桩止水帷幕包括一组与基坑边壁平行设置的三轴水泥土桩平行单元，还包括一组与基坑边壁垂直设置的三轴水泥土桩垂直单元，所述三轴水泥土桩平行单元之间通过相邻单元一个桩位的重复套钻实现连接，重复套钻桩为连接桩，所述三轴水泥土桩垂直单元的个数与连接桩的个数相适应，三轴水泥土桩垂直单元包括三个桩位，分别为两个边侧垂直桩和一个中心垂直桩，其中中心垂直桩与连接桩中心对齐通过重复套钻实现连接，所述支撑排桩包括一组排架式双排桩单元，所述排架式双排桩单元的个数与三轴水泥土桩垂直单元的个数相适应，所述排架式双排桩单元也与基坑边壁垂直设置，包括两根钢管桩、组合连接钢板和十字中心止水钢板，每根钢管桩的内侧、沿钢管桩的高度方向均固定连接有伸出钢管桩内侧的组合连接钢板，所述组合连接钢板成平面状，该平面穿过钢管桩的纵向轴线，
所述十字中心止水钢板沿钢管桩的高度方向设置，包括与基坑边壁平行设置的平行翼板和与基坑边壁垂直设置的垂直翼板，所述十字中心止水钢板位于两侧组合连接钢板的中间，两侧带组合连接钢板的钢管桩等距离设置在垂直翼板的两侧，并且垂直翼板所在平面与组合连接钢板所在平面共面，所述排架式双排桩单元沿三轴水泥土桩垂直单元的位置埋入土体内，所述组合连接钢板和十字中心止水钢板埋入三轴水泥土桩垂直单元的范围内，所述三轴水泥土桩垂直单元的宽度不小于排架式双排桩单元的前后两根钢管桩的净距，所述钢管桩与边侧垂直桩咬合连接，所述十字中心止水钢板的竖向中轴线与中心垂直桩的中心轴重合，所述垂直翼板所在平面与三轴水泥土桩垂直单元的中线所在平面共面，所述平行翼板所在平面与三轴水泥土桩平行单元的中线所在平面共面。
7.所述三轴水泥土桩平行单元包括三个桩位，分别为两个边侧平行桩和一个中心平行桩，相邻两个三轴水泥土桩平行单元的边侧平行桩进行重复套钻连接。
8.所述组合连接钢板包括伸臂钢板和板间连接板，所述伸臂钢板沿钢管桩的高度方向设置，伸臂钢板的连接端端面与钢管桩的母线固定连接，伸臂钢板的悬臂端与板间连接板的一端固定连接，板间连接板的另一端与垂直翼板的端部固定连接。
9.所述板间连接板为一列沿钢管桩的高度方向间隔设置成格栅状的一组水平条板，所述水平条板与伸臂钢板均通过螺栓连接，每道水平条板与伸臂钢板的连接螺栓个数不少于两个。
10.所述伸臂钢板与钢管桩通过角焊缝连接，所述板间连接板与垂直翼板之间通过三面围焊连接。
11.所述钢管桩的外径不小600mm，钢管桩的壁厚不小于8mm，每个排架式双排桩单元的两根钢管桩按距离基坑边缘的距离分为前排钢管桩与后排钢管桩，两者的中心轴距为2.5～4倍的桩径。
12.所述十字中心止水钢板的平行翼板和垂直翼板的宽度为150mm～200mm，厚度为10mm～15mm，所述伸臂钢板的宽度为150mm～200mm，厚度为10mm～15mm，所述水平条板的宽度为150mm～200mm，厚度为10mm～15mm，上下相邻的两道水平条板的水平中线的距离为1.5m～2.5m。
13.所述伸臂钢板的底端最低点向下不超过钢管桩的底端，伸臂钢板的底端具有斜切角，所述十字中心止水钢板的底端与三轴水泥土桩垂直单元在土体内的底端平齐。
14.一种装配式基坑围护结构的施工方法，施工步骤如下：步骤一，根据施工场地的水文地质条件、基坑的开挖深度、周边环境和场地条件，通过设计计算每个排架式双排桩单元的各个组件的尺寸，然后将各个组件在工厂预制加工并运输到施工现场进行装配，形成排架式双排桩单元整体；步骤二，沿基坑周边土体测量放线，标示出止水帷幕以及支撑排桩的位置；步骤三，对支撑排桩进行除锈和清污处理，钢材进行除锈和清污处理后，对支撑排桩埋入止水帷幕内的部件表面涂刷减摩剂，厚度为2mm；步骤四，施工第一个施工循环，由两台三轴搅拌桩机配合完成三轴水泥土桩平行单元以及三轴水泥土桩垂直单元：先施工第一个三轴水泥土桩平行单元，然后施工相邻的三轴水泥土桩平行单元，其中连接桩重复套钻；随后施工三轴水泥土桩垂直单元，中心垂直
桩与连接桩重复套钻；施工三轴水泥土桩垂直单元后，及时将振沉施工用的桩基就位，保持桩机底盘的水平和立柱导向架的垂直，并调整桩架垂直度偏差小于1/250；步骤五，起吊和定位一个排架式双排桩单元：定位时，要求排架式双排桩单元整体竖直，十字中心止水钢板与三轴水泥土桩垂直单元的中线重合；步骤六，在三轴水泥土桩垂直单元的水泥土初凝前，将三轴水泥土桩垂直单元通过免共振振动锤振沉入地层中；振沉过程中，需要保持前排钢管桩和后排钢管桩同步下沉；待振沉至设定标高时，停止振沉，移动到下一桩位；步骤七，重复以上步骤四、步骤五和步骤六，进入下一个施工循环，直至施工完成全部的止水帷幕和支撑排桩；步骤八，基坑开完完成，地下结构施工出地平后，采用振沉法对支撑排桩进行拔除，拔除后及时注浆回填。
15.与现有技术相比本发明具有以下特点和有益效果：本发明由新的止水帷幕形式与支撑排桩组合，形成既能挡土又可止水的围护结构，是一种集挡土止水为一体的封闭式围护体系。
16.该围护体系中，水土压力由支撑排桩承担，由于支撑排桩为直径较大的钢管桩，并通过水平向连接钢板形成多层排架式结构，与常规双排桩相比，显著改善了围护结构在水土压力作用下的受力状态，承载力极大提高。同时结构抗侧刚度也显著提高，是一种大刚度基坑围护结构，有利于基坑支护体系的变形控制，保护周边环境，在同等变形控制条件下，有利于减少内支撑和锚索设置数量，缩减施工流程和工期，经济效益显著。
17.同时，本发明通过在支撑排桩中增设中心十字钢板，显著提升了围护体系的止水效果。并且支撑排桩由免共振振动锤振沉入地层中，无需预先成槽，无护壁泥浆污染环境，施工现场文明环保。止水帷幕位于支撑排桩范围内，降低了围护体系的占地面积，从而节约了围护结构的空间，为提高地下结构使用空间创造了条件。支撑排桩中不同组件的连接位置均位于水泥土桩中，从而显著降低了多层排架式双排桩在地层中振沉施工的难度。
18.本发明基坑使用完成后，可通过振动拔出支撑排桩，回收支撑排桩的全部组件，并多次反复利用，节能节材，低碳环保。
附图说明
19.下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
20.图1是本发明的结构平面示意图。
21.图2是本发明的排架式双排桩单元的结构示意图。
22.图3是本发明三轴水泥土桩平行单元的平面结构示意图。
23.图4 是本发明三轴水泥土桩垂直单元的平面结构示意图。
24.图5 是本发明三轴水泥土桩止水帷幕的结构平面示意图。
25.图 6是本发明施工方法中步骤四中步骤a完成示意图。
26.图 7是本发明施工方法中步骤四中步骤b完成示意图。
27.图 8是本发明施工方法中步骤四中步骤c完成示意图。
28.图 9是本发明施工方法中步骤六完成示意图。
29.附图标记：1－土体、2－支撑排桩、21－钢管桩、22－组合连接钢板、221－伸臂钢
板、222－板间连接板、23－十字中心止水钢板、231－平行翼板、232－垂直翼板、24－螺栓、3－止水帷幕、31－三轴水泥土桩平行单元、311－边侧平行桩、312－中心平行桩、32－三轴水泥土桩垂直单元、321－边侧垂直桩、322－中心垂直桩、33－连接桩。
具体实施方式
30.实施例参见图1-5所示，一种装配式基坑围护结构，包括设置在基坑周围的土体1中的止水帷幕3和支撑排桩2，所述止水帷幕3为三轴水泥土桩止水帷幕，所述三轴水泥土桩止水帷幕围绕基坑周边设置形成封闭的止水系统，参见图3和图5所示，所述三轴水泥土桩止水帷幕包括一组与基坑边壁平行设置的三轴水泥土桩平行单元31；图4和图5所示，还包括一组与基坑边壁垂直设置的三轴水泥土桩垂直单元32。
31.参见图5所示，所述三轴水泥土桩平行单元31之间通过相邻单元一个桩位的重复套钻实现连接，重复套钻桩为连接桩33，所述三轴水泥土桩垂直单元32的个数与连接桩33的个数相适应，三轴水泥土桩垂直单元32包括三个桩位，分别为两个边侧垂直桩321和一个中心垂直桩322，其中中心垂直桩322与连接桩33中心对齐通过重复套钻实现连接。所述三轴水泥土桩平行单元31包括三个桩位，分别为两个边侧平行桩311和一个中心平行桩312，相邻两个三轴水泥土桩平行单元31的边侧平行桩311进行重复套钻连接。
32.参见图2所示，所述支撑排桩2包括一组排架式双排桩单元，所述排架式双排桩单元的个数与三轴水泥土桩垂直单元32的个数相适应，所述排架式双排桩单元也与基坑边壁垂直设置，包括两跟钢管桩21、组合连接钢板22和十字中心止水钢板23，每跟钢管桩21的内侧、沿钢管桩21的高度方向均固定连接有伸出钢管桩内侧的组合连接钢板22，所述组合连接钢板22成平面状，该平面穿过钢管桩21的纵向轴线。
33.所述十字中心止水钢板23沿钢管桩21的高度方向设置，包括与基坑边壁平行设置的平行翼板231和与基坑边壁垂直设置的垂直翼板232，所述十字中心止水钢板位23于两侧组合连接钢板22的中间，两侧带组合连接钢板22的钢管桩21等距离设置在垂直翼板232的两侧，并且垂直翼板232所在平面与组合连接钢板22所在平面共面。
34.参见图1所示，所述排架式双排桩单元沿三轴水泥土桩垂直单元32的位置埋入土体内，所述组合连接钢板22和字中心定位钢板23埋入三轴水泥土桩垂直单元32的范围内，所述三轴水泥土桩垂直单元32的宽度不小于排架式双排桩单元的前后两根钢管桩21的净距，所述钢管桩21与边侧垂直桩321咬合连接，所述十字中心止水钢板23的竖向中轴线与中心垂直桩322的中心轴重合，所述垂直翼板232所在平面与三轴水泥土桩垂直单元32的中线所在平面共面，所述平行翼板231所在平面与三轴水泥土桩平行单元31的中线所在平面共面。
35.参见图2所示，所述组合连接钢板22包括伸臂钢板221和板间连接板222，所述伸臂钢板221沿钢管桩21的高度方向设置，伸臂钢板221的连接端端面与钢管桩21的母线固定连接，伸臂钢板221的悬臂端与板间连接板222的一端固定连接，板间连接板222的另一端与垂直翼板的端部固定连接。所述板间连接板222为一列沿钢管桩21的高度方向间隔设置成格栅状的一组水平条板，所述水平条板与伸臂钢板221均通过螺栓24连接，每道水平条板与伸臂钢板221的连接螺栓个数不少于两个。所述伸臂钢板221的底端最低点向下不超过钢管桩21的底端，伸臂钢板221的底端具有斜切角25，所述十字中心止水钢板23的底端与三轴水泥
土桩垂直单元32在土体内的底端平齐。
36.本实施例中，所述伸臂钢板221与钢管桩21通过角焊缝连接，所述板间连接板222与垂直翼板232之间通过三面围焊连接。
37.所述钢管桩21的外径不小600mm，钢管桩21的壁厚不小于8mm，每个排架式双排桩单元的两根钢管桩21按距离基坑边缘的距离分为前排钢管桩211与后排钢管桩212，两者的中心轴距为2.5～4倍的桩径。
38.所述十字中心止水钢板的平行翼板231和垂直翼板232的宽度为150mm～200mm，厚度为10mm～15mm，所述伸臂钢板221的宽度为150mm～200mm，厚度为10mm～15mm，所述水平条板的宽度为150mm～200mm，厚度为10mm～15mm，上下相邻的两道水平条板的水平中线的距离为1.5m～2.5m。
39.参见图2所示，本实施例中，可以按排架式双排桩单元的前后位置将伸臂钢板分为前排伸臂钢板和后排伸臂钢板，板间连接板分为前置连接钢板和后置水平连接钢板；前排伸臂钢板与前排钢管桩焊接连接，后排伸臂钢板与后排钢管桩焊接连接；前置连接钢板的前端与前排伸臂钢板螺栓连接，前置连接钢板的后端与中心十字钢板焊接连接；后置连接钢板的前端与中心十字钢板焊接连接，后置连接钢板的后端与后排伸臂钢板螺栓连接。
40.这种装配式基坑围护结构的施工方法，施工步骤如下：步骤一，根据施工场地的水文地质条件、基坑的开挖深度、周边环境和场地条件，通过设计计算每个排架式双排桩单元的各个组件的尺寸，然后将各个组件在工厂预制加工并运输到施工现场进行装配，形成排架式双排桩单元整体；焊接时的焊脚尺寸需要满足构造和受力要求。
41.步骤二，沿基坑周边土体1测量放线，标示出止水帷幕以及支撑排桩的位置。
42.步骤三，对支撑排桩进行除锈和清污处理，钢材进行除锈和清污处理后，对支撑排桩埋入止水帷幕内的部件表面涂刷减摩剂，厚度为2mm。
43.步骤四，施工第一个施工循环，由两台三轴搅拌桩机配合完成三轴水泥土桩平行单元31以及三轴水泥土桩垂直单元32：该三轴搅拌桩机施工的水泥土搅拌桩主要用于止水，施工时的水泥掺量、搅拌桩的直径以及搭接长度需要满足基坑止水要求；参见图6所示，步骤a，第一台三轴搅拌桩机先施工第一个三轴水泥土桩平行单元31，施工水泥土搅拌桩时，从一侧向另一侧依次连续施工；参见图7所示，步骤b，然后施工相邻的三轴水泥土桩平行单元31，其中连接桩33位置重复套钻；参见图8所示，步骤c，第二台三轴搅拌桩机三轴水泥土桩垂直单元32，中心垂直桩322与连接桩33重复套钻；该三轴水泥土搅拌桩的深度与支撑排桩的十字中心止水钢板底端的深度相一致，桩体的搭接长度需要满足在既定的桩身垂直度下不开叉，桩体直径需要确保三轴水泥土桩垂直单元32的宽度不小于排架式双排桩单元中前后排桩的净距；施工三轴水泥土桩垂直单元32后，及时将振沉施工用的桩基就位，保持桩机底盘的水平和立柱导向架的垂直，并调整桩架垂直度偏差小于1/250。
44.步骤五，起吊和定位一个排架式双排桩单元：定位时，要求排架式双排桩单元整体竖直，十字中心止水钢板23与三轴水泥土桩垂直单元32的中线重合。
45.参见图9所示，步骤六，在三轴水泥土桩垂直单元32的水泥土初凝前，将三轴水泥
土桩垂直单元32通过免共振振动锤振沉入地层中；振沉过程中，需要保持前排钢管桩211和后排钢管桩212同步下沉；待振沉至设定标高时，停止振沉，移动到下一桩位。
46.步骤七，重复以上步骤四、步骤五和步骤六，进入下一个施工循环，直至施工完成全部的止水帷幕和支撑排桩。
47.步骤八，基坑开完完成，地下结构施工出地平后，采用振沉法对支撑排桩进行拔除，拔除后及时注浆回填。