钢结构地下车库快速构建及抗浮方法
技术领域
本发明涉及地下工程和钢结构立体车库，具体涉及钢结构地下车库快速构建及抗浮方法。
背景技术
城市地下停车库可有效缓解停车难问题。而建设地下工程可采用的方式仅有两种：一是进行深基坑支护、开挖，然后在深基坑内修建所需结构体；二是沉井形式，即将地下结构体外壳先行修建、下沉，再在外壳内修建地下结构其余部分。
基于岩土工程理论，为开挖基坑而打设的支护结构必须有足够的强度、刚度、长度，常用的方法是钢筋混凝土灌注桩、地下连续墙与多支撑组合，这些支护方法缺点明显：施工时间长、养护慢、费用高，打桩遇地下障碍物时难以处理，随基坑深度增加费用呈几何级数增加，等等。
沉井是修筑深基坑和地下构筑物的一种施工工艺。施工时先在地面或基槽内制作开口的地下构筑物外结构，待其达到规定强度后，在井体内分层挖土，井体在自重或者其他措施辅助下克服与土壁间的摩阻力和刃脚反力，不断下沉，至设计标高后封底。
沉井可在场地狭窄情况下施工较深（可达50余米）的地下工程，可在地质、水文条件复杂地区施工。其存在的缺点是施工工序较多，技术要求高、质量控制难，特别是在深厚软土地基条件下沉井，由于地基承载力差、摩擦系数小等特点，沉井下沉过程中容易突沉，下沉速度、方向和下沉设计标高非常难于控制，长时间施工容易对周边环境造成破坏，这些缺点均是现有技术较难解决的。此外，沉井主要依靠自身较大的刚度而保证其施工过程的整体性，必然的，其较大的重量更造成了施工的难度和材料的浪费。
实际工程中绝大多数沉井采用钢筋混凝土结构，还存在以下不足：1、下沉过程中无法改变沉井自重。钢筋混凝土沉井一经浇筑，重量基本稳定，而其下沉过程阻力是变化的，故而难以控制下沉稳定性； 2、施工工期较长。钢筋混凝土沉井一般分层施工，分次下沉，在混凝土浇筑后需要等待该节沉井达到设计强度，导致钢筋混凝土沉井施工周期长，影响道路或周边环境时间久。
对于周边环境复杂，存在较多危险源的市区，采用平面尺寸达十几米的沉井方式，尤其是钢筋混凝土沉井方式，修建地下车库的风险远大于一根一根施工的截面尺寸不足一米的支护桩。利用深基坑支护的优点—支护桩小尺度、风险小，回避深基坑支护的缺点—支护桩质量差必须二次修建永久结构边墙且支护桩超长浪费；利用沉井工艺的优点—可以水下挖掘、水下混凝土封底（无地下水困扰时可以不考虑水下作业），确保挖土对周边环境不利影响最小，回避沉井工艺的缺点--沉井自身的精准控制难和控制不好对周边环境的不利影响，是本发明的出发点。
具体思路是：用连续的钢沉箱组合形成地下结构的外墙，用带水作业方式挖掘钢沉箱围合所成井体范围土方、浇筑水下混凝土封底，再施工钢筋混凝土底板、构建钢结构车库。
显然，类似于钢筋混凝土支护桩（圆形）的钢沉箱（矩形），一方面作为小尺寸构件施工影响小，另一方面可直接作为地下结构的外墙；带水作业方式挖掘围合所成井室范围土方，保持了井室内外压力平衡，保证了挖方过程对周围环境影响最小、风险最小；水下混凝土封底，既提供了井室内干作业的条件，也确保井底土体稳定、井体结构安全；浇筑钢筋混凝土底板，然后在地板上构建钢结构车库，使车库的构建更快捷、安全、经济。
地下结构必须关注其抗浮，较大尺度地下车库抗浮更是关键。现有的抗浮措施通常采用压重和打设抗拔桩或抗拔锚杆。打抗拔桩工期长、工序多；传统的抗拔锚杆竖向设置，抗拔力较小。本发明提出了一种水平抗浮锚杆，即在钢筋混凝土底板厚度内对应的钢沉箱内预埋钢套管，利用钢套管打设水平的带麻花孔的钢管，通过钢管注浆，形成了包围在井体范围之外的带钢管的混凝土圈层，利用混凝土圈层之上井体外的土作为井体抗浮的压重，高效简便。
发明内容
本发明对现有地下车库建造方式进行了改进，即本发明要解决的技术问题是利用连续的钢沉箱组合形成地下车库的外墙，用带水作业方式挖掘钢沉箱围合所成井体范围土方、浇筑水下混凝土封底，再施工钢筋混凝土底板、构建钢结构车库，在钢筋混凝土底板位置打设水平抗浮锚杆，解决地下车库抗浮问题。
本发明的具体实施方案是：钢结构地下车库快速构建及抗浮方法，所述钢结构地下车库包括位于车库四角的钢角柱和钢角柱间由沉箱构件连续拼接围合而成的钢外壳，钢外壳内侧沿竖向间隔设置有围合的钢腰梁，相邻钢腰梁间固定有钢角撑，所述钢外壳的顶部固定有钢筋混凝土顶板，钢外壳的底部固定有钢筋混凝土底板，所述钢筋混凝土底板上固定有位于钢外壳内部的钢结构立体车库，钢筋混凝土底板下浇注有封底混凝土，封底混凝土内竖向埋设有贯穿封底混凝土的排水钢管，排水钢管上端封有法兰，在钢筋混凝土底板位置打设有水平抗浮锚杆，施工方法包括以下工作步骤：
1）施工钢外壳，形成周边围合封闭的井室；
2）带水作业，用机械设备挖土至封底混凝土底面；
3）水下浇注封底混凝土，封底混凝土内竖向设置贯通混凝土并高出待浇筑钢筋混凝土底板上表面的排水钢管；
4）在井室内降水，同时逐层向下架设钢腰梁和钢角撑；
5）利用封底混凝土内设置的排水钢管抽水，在封底混凝土面上作业，打设水平抗浮锚杆；
6）浇筑钢筋混凝土底板，待钢筋混凝土底板成型及水平抗浮锚杆固定完成后用法兰封闭排水钢管；
7）在钢筋混凝土底板上构建钢结构地下车库；
8）浇筑钢筋混凝土顶板及车库地面结构。
优选的，钢角柱由钢板或型钢与钢板围合焊接而成，沉箱构件包括位于车库内侧及外侧的内侧钢板、外侧钢板及一对垂直于内、外侧钢板的纵向钢板，所述内侧钢板、外侧钢板与纵向钢板可拆连接；钢角柱与其相邻的沉箱构件之间、相邻的沉箱构件相向面设置有凸轨及导槽构成的导向机构；钢角柱交接钢沉箱的侧面焊有导槽，所述沉箱构件包括钢沉箱及连接钢箱；
所述钢角柱及沉箱构件沿竖向分为若干节段，各个节段的沉箱构件等高；
钢外壳施工方法包括以下工作步骤：
1）在设计的钢结构地下车库角部打设钢角柱，钢角柱沿竖向分为若干节段，以吊车吊起，用机械设备在钢角柱内取土，将钢角柱沉入土体至设计标高；钢角柱上下相邻节段焊接连接；钢角柱的上端焊接有初始导柱，初始导柱外露出地面数米，钢角柱侧面导槽延伸至初始导柱顶部；
2）将同排钢角柱之间沉箱构件一次性在地面排布好，各沉箱构件之间导槽与凸轨啮合，在各沉箱构件内利用机械设备同时取土，同节段的沉箱构件同时下沉，每一个沉箱构件内、外侧钢板在上下节段之间焊接连接；
3）拔除各沉箱构件的纵向钢板；
4）将由沉箱构件的内侧钢板、外侧钢板封闭而成的槽内泥浆置换；
5）槽内及钢角柱内灌注混凝土；
6）割除初始导柱。
优选的，所述钢沉箱内侧钢板及外侧钢板的两端分别焊有凸轨及导槽，连接钢箱内侧钢板及外侧钢板的两端分别焊有凸轨，所述钢角柱以及沉箱构件各节段的内侧钢板、外侧钢板外边缘保持平齐。
优选的，所述沉箱构件的纵向钢板弯折呈槽形，在沉箱构件的每节段上端，纵向钢板的弯折部和相邻的外侧钢板和内侧钢板对应位置制有圆孔，在沉入每节段沉箱构件时在每节段沉箱构件的纵向钢板及外侧钢板和内侧钢板的对应圆孔内插入钢棒，在每节段沉箱构件沉入土体后拔出钢棒，如此反复，直至全部的沉箱构件节段下沉到位后拔除钢棒。
优选的，所述钢外壳内壁焊有钢腰梁钢托，所述钢托上表面具有用于置放钢腰梁的凹槽，所述钢角撑两端与钢腰梁焊接。
优选的，所述钢结构立体车库包括钢筋混凝土底板上竖向固定的钢柱，钢柱及钢外壳之间焊连有车库用水平钢梁，车库顶层钢梁和钢筋混凝土顶板结合为一体。
优选的，钢筋混凝土顶板上预留车库垂直运输所需孔洞；沉箱构件、钢角柱腔室内浇注混凝土时在顶部预留插筋，插筋伸入钢筋混凝土顶板；所述钢筋混凝土底板内具有底板上层钢筋及底板下层钢筋，沉箱构件与底板上层钢筋及底板下层钢筋经止水用钢板焊接连接。
优选的，对应于钢筋混凝土底板周侧的沉箱构件内沿钢外壳四周均匀埋设有一排或多排钢套管，钢套管和沉箱构件交接部位外套橡胶止水套环，在沉箱构件下沉作业时以木塞堵塞钢套管两端头开口，在打设水平抗浮锚杆时去除木塞。
优选的，所述抗浮水平锚杆为全长带有麻花孔的钢管体，水平锚杆通过沉箱构件内埋设的钢套管向钢外壳外打设，打设到位后再在钢管内注浆，浆液外渗出麻花孔，在钢外壳外形成钢管混凝土环带。
优选的，所述钢结构地下车库可采用下述一种或多种措施防腐：沉箱构件的外侧钢板外表面涂刷防腐涂料层；沉箱构件的外侧钢板采用耐候钢材；钢外壳外挂锌块。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：围护结构和永久结构合二为一，经济性好、质量高；钢沉箱作业、带水挖掘土方作业，保证了施工过程对周围环境影响最小、风险最小；水下混凝土封底，设置水平抗浮锚杆，保证了井体结构安全。本发明是现有地下工程仅有的两种施工方式的优点结合而成的第三种方式，安全、经济、高效。
附图说明
图1为本发明地下车库剖视图；
图2为本发明图1 之A-A剖视图；
图3为本发明钢外壳局部大样图；
图4为本发明钢角柱大样图；
图5为本发明钢沉箱大样图；
图6为本发明连接用钢沉箱大样图；
图7为本发明钢沉箱连接局部大样图；
图8为本发明水平抗浮锚杆大样图；
图9为本发明钢腰梁大样图；
图10为本发明钢角撑大样图；
图11为本发明钢腰梁与钢外壳结合大样图；
图12为本发明初始导柱结构示意图。
其中：1、钢沉箱 11、钢沉箱的外侧钢板 12、钢沉箱的内侧钢板 13、钢沉箱纵向钢板；
2、钢角柱 21、导槽；22、凸轨；23、初始导柱；
3、连接钢箱 31、连接钢箱的外侧钢板 32、连接钢箱的内侧钢板 33、连接钢箱纵向钢板；
4、钢棒；5、钢筋混凝土底板 51、封底混凝土 52、排水钢管 53、止水用钢板 54、法兰；
6、钢筋混凝土顶板；
7、钢腰梁 71、钢角撑；72、钢腰梁钢托；
8、钢柱 81、车库钢梁；
9、水平抗浮锚杆 91、预埋钢套管 92、橡胶止水环。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。
如图1～12所示，本发明的具体实施方案是：钢结构地下车库快速构建及抗浮方法，所述钢结构地下车库包括位于车库四角的钢角柱2和钢角柱2间由沉箱构件连续拼接围合而成的钢外壳，钢外壳内侧沿竖向间隔设置有围合的钢腰梁7，相邻钢腰梁7间固定有钢角撑71，所述钢外壳的顶部固定有钢筋混凝土顶板6，钢外壳的底部固定有钢筋混凝土底板5，所述钢筋混凝土底板上固定有位于钢外壳内部的钢结构立体车库，钢筋混凝土底板下浇注有封底混凝土51，封底混凝土内竖向埋设有贯穿封底混凝土的排水钢管52，排水钢管52上端封有法兰54，在钢筋混凝土底板位置打设有水平抗浮锚杆9，施工方法包括以下工作步骤：
1）施工钢外壳，形成周边围合封闭的井室；
2）带水作业，用机械设备挖土至封底混凝土底面；
3）水下浇注封底混凝土，封底混凝土内竖向设置贯通混凝土并高出待浇筑钢筋混凝土底板上表面的排水钢管52；
4）在井室内降水，同时逐层向下架设钢腰梁7和钢角撑71；
5）利用封底混凝土51内设置的排水钢管52抽水，在封底混凝土面上作业，打设水平抗浮锚杆9；
6）浇筑钢筋混凝土底板，待钢筋混凝土底板成型及水平抗浮锚杆固定完成后用法兰封闭排水钢管52；
7）在钢筋混凝土底板上构建钢结构地下车库；
8）浇筑钢筋混凝土顶板6及车库地面结构。
本实施例中，钢角柱由钢板或型钢与钢板围合焊接而成，沉箱构件包括位于车库内侧及外侧的内侧钢板（12，32）、外侧钢板（11，31）及一对垂直于内、外侧钢板的纵向钢板（13，33），所述内侧钢板、外侧钢板与纵向钢板可拆连接；钢角柱与其相邻的沉箱构件之间、相邻的沉箱构件相向面设置有凸轨22及导槽21构成的导向机构；钢角柱交接钢沉箱1的侧面焊有导槽21，所述沉箱构件包括钢沉箱1及连接钢箱3；
所述钢角柱及沉箱构件沿竖向分为若干节段，各个节段的沉箱构件等高；
钢外壳施工方法包括以下工作步骤：
1）在设计的钢结构地下车库角部打设钢角柱，钢角柱沿竖向分为若干节段，以吊车吊起，用机械设备在钢角柱内取土，将钢角柱沉入土体至设计标高；钢角柱上下相邻节段焊接连接；钢角柱的上端焊接有初始导柱，初始导柱所用材料、横截面等同钢角柱上端；初始导柱外露出地面数米，钢角柱侧面导槽延伸至初始导柱顶部；
2）将同排钢角柱之间沉箱构件一次性在地面排布好，各沉箱构件之间导槽与凸轨啮合，在各沉箱构件内利用机械设备同时取土，同节段的沉箱构件同时下沉，每一个沉箱构件内、外侧钢板在上下节段之间焊接连接；
3）拔除各沉箱构件的纵向钢板；
4）将由沉箱构件的内侧钢板、外侧钢板封闭而成的槽内泥浆置换；
5）槽内及钢角柱内灌注混凝土；
6）割除初始导柱。
本实施例中，所述钢沉箱1的内侧钢板12及钢沉箱的外侧钢板11的两端分别焊有凸轨及导槽，连接钢箱3内侧钢板32及外侧钢板31的两端分别焊有凸轨，所述钢角柱以及沉箱构件各节段的内侧钢板、外侧钢板外边缘保持平齐。由此同排钢角柱之间沉箱构件包括多个钢沉箱1及一个连接钢箱3。
本实施例中，所述沉箱构件的纵向钢板（13，33）弯折呈槽形，在沉箱构件的每节段上端，纵向钢板的弯折部和相邻的外侧钢板（11，31）和内侧钢板（12，32）对应位置制有圆孔，在沉入每节段沉箱构件时在每节段沉箱构件的纵向钢板及外侧钢板和内侧钢板的对应圆孔内插入钢棒4，在每节段沉箱构件沉入土体后拔出钢棒，如此反复，直至全部的沉箱构件节段下沉到位后拔除钢棒。
下沉过程中利用纵向钢板（13，33）和钢棒4能够满足在下沉过程中内侧钢板（12，32）及外侧钢板（11，31）的稳定，之后抽取的纵向钢板（13，33）及钢棒能够重复利用降低成本。
本实施例中，所述钢外壳内壁焊有钢腰梁钢托72，所述钢托上表面具有用于置放钢腰梁7的凹槽，所述钢角撑71两端与钢腰梁7焊接，所述钢结构立体车库包括钢筋混凝土底板上竖向固定的钢柱8，钢柱及钢外壳之间焊连有车库用水平钢梁，车库顶层钢梁和钢筋混凝土顶板结合为一体。
本实施例中，钢筋混凝土顶板上预留车库垂直运输所需孔洞；沉箱构件、钢角柱腔室内浇注混凝土时在顶部预留插筋，插筋伸入钢筋混凝土顶板；所述钢筋混凝土底板内具有底板钢筋，底板钢筋包括底板上层钢筋及底板下层钢筋，沉箱构件与底板上层钢筋及底板下层钢筋经止水用钢板53焊接连接。
本实施例在地下车库抗浮方面，利用打设水平抗浮锚杆保证底下车库的稳固，对应于钢筋混凝土底板周侧的沉箱构件内沿钢外壳四周均匀埋设有一排或多排钢套管，钢套管和沉箱构件交接部位外套橡胶止水套环，在沉箱构件下沉作业时以木塞堵塞钢套管两端头开口。
所述抗浮水平锚杆为全长带有麻花孔的钢管体，在打设水平抗浮锚杆时去除木塞，水平锚杆通过沉箱构件内埋设的钢套管向钢外壳外打设，打设到位后再在钢管内注浆，浆液外渗出麻花孔，在钢外壳外形成钢管混凝土环带。
为了能够适应地下潮湿环境，所述钢结构地下车库可采用下述一种或多种措施防腐：沉箱构件的外侧钢板外表面涂刷沥青漆等防腐材料；沉箱构件的外侧钢板采用耐候钢材；钢外壳外挂锌块。
上述本发明所公开的任一技术方案除另有声明外，如果其公开了数值范围，那么公开的数值范围均为优选的数值范围，任何本领域的技术人员应该理解：优选的数值范围仅仅是诸多可实施的数值中技术效果比较明显或具有代表性的数值。由于数值较多，无法穷举，所以本发明才公开部分数值以举例说明本发明的技术方案，并且，上述列举的数值不应构成对本发明创造保护范围的限制。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。
