暗挖隧道受力體系二次轉換施工方法與流程

2023-10-22 01:12:33

本發明涉及暗挖隧道施工技術領域，特別地，涉及一種下穿既有建築物的地下工程的受力體系二次轉換暗挖施工方法。

背景技術：

在城市修建地鐵或者下穿隧道等地下工程時，不可避免地要在地面建(構)築物附近穿過，這不僅需要保證地下工程本體施工的安全，還須妥善地解決地下工程對既有建築物的影響問題。尤其是當地下工程從地面建(構)築物正下方穿過時，這個問題顯得更加突出，採用合適的暗挖施工方法尤為重要。

現有的施工方式主要有：採用避讓地下工程並採用託架支撐相結合的方式，以降低對既有建築物的影響，施工周期長，並且地鐵等隧道施工無法進行避讓的方式；如果實在無法避開地下工程時，需要拆除既有建築物，以降低施工過程中造成的危害，但是這樣會造成施工周期的延長，同時增加了拆除、垃圾堆放佔地、垃圾運送等費用，造成施工成本的增加。

技術實現要素：

本發明提供了一種暗挖隧道受力體系二次轉換施工方法，以解決下穿既有建築物的地下工程的暗挖施工方法，採用避讓方式施工，施工周期長，不適合部分隧道施工；採用拆除既有建築物的方式，施工周期長，施工成本高的技術問題。

本發明提供一種暗挖隧道受力體系二次轉換施工方法，包括以下步驟：a、利用超前注漿技術加固待開挖土體；b、通過施工過程有限元模擬確定開挖進尺與支撐的方案；c、實施邊開挖邊支撐，然後施工地下工程主體結構。

進一步地，步驟a的具體實施步驟為：進入暗挖段開挖面後，採用鋼花管進行土體超前注漿；注漿孔水平間距為0.8-1.5m，且呈梅花形布置；注漿長度根據土質情況確定，將待開挖土體全部固結，以保證後續開挖的穩定。

進一步地，暗挖段每30m-45m採用一次注漿固結；將待開挖土體全部固結，以保證後續開挖的穩定。

進一步地，步驟b的具體實施步驟為：從受力上分析暗挖段的土體開挖-型鋼支撐-主體結構的施工過程；地下工程主體結構以上的荷載一開始由待開挖土體承受，隨著每開挖一步，採用H型鋼柱支撐一次，逐漸轉為由型鋼支撐承受，隨著主體結構砼的施工，再逐漸轉為由地下工程主體結構承受的受力體系二次轉換過程；採用有限元軟體ANSYS進行暗挖施工全過程模擬，預測地表沉降及型鋼支撐的受力變化規律，優化土體開挖進尺及型鋼尺寸，根據經濟技術指標確定最優的開挖進尺與支撐方案。

進一步地，隧道寬度為18m-25m，高為5.5m-7.5m，主體結構包括已建隧道頂板、底板、中牆和側牆；採用H型鋼作為支撐，橫斷面上共五排，橫向間距為4m-6m，其中中間的H型鋼位於中隔牆構成第一道支撐，兩邊的H型鋼分別位於側牆內構成第三道支撐，H型鋼後期與隧道主體澆築為一整體，H型鋼支撐縱向間距為0.5m-2m；H型鋼支撐底部位於C40快凝快硬砼澆築的底座中，頂部與已建隧道頂板頂緊。

進一步地，土體橫斷面上分三次開挖，第一次開挖中間部分，即底部寬度為4m-6m，頂部寬度為7m-9m的梯形部分；第二次開挖底部及頂部寬度均為3m-5m；第三次開挖兩側剩餘部分土體；三次開挖過程中，每次縱向開挖進尺為1m-3m，每完成一個進尺及時施作H型鋼支撐。

進一步地，每道H型鋼柱間，頂部採用工字鋼橫梁進行連接；每根H型鋼柱，頂部採用橫向H型鋼連接，橫向H型鋼翼緣間採用兩塊鋼板進行加強，並與已建隧道頂板頂緊。

進一步地，三次開挖過程中，每縱向開挖進尺一次，及時從側面對未開挖土體進行加固；其中，第一次開挖過程中，採用掛網護坡；第二次開挖過程和第三次開挖過程中，橫向採用鋼花管進行注漿，對兩側土體進行加固。

進一步地，步驟c的具體實施步驟為：暗挖法所有支撐完成後，開始進行地下工程主體結構施工；主體混凝土採用泵送；先施工底板，再進行中隔牆和側牆施工。

進一步地，第一道H型鋼支撐和第三道H型鋼支撐留在中隔牆與隧道側牆內，待隧道側牆與中隔牆砼強度達到要求後，拆除第二道H型鋼支撐；底板與側牆交接處，混凝土需澆築至底板以上40cm-60cm，底板與型鋼柱交接處，在鋼柱上焊接兩道止水環；側牆位置採用自密實混凝土進行澆築，並在已建隧道頂板交接處鑿3cm-7cm深凹槽，埋設止水帶，並在該處40cm-60cm間隔埋設注漿管，進行注漿。

本發明具有以下有益效果：

本發明暗挖隧道受力體系二次轉換施工方法，具有受力明確、傳力途徑簡單、施工安全的特點。通過施工過程有限元模擬，可以為施工進尺與支撐方案提供優化依據，從而達到節省工期、降低成本的目的。

除了上面所描述的目的、特徵和優點之外，本發明還有其它的目的、特徵和優點。下面將參照圖，對本發明作進一步詳細的說明。

附圖說明

構成本申請的一部分的附圖用來提供對本發明的進一步理解，本發明的示意性實施例及其說明用於解釋本發明，並不構成對本發明的不當限定。在附圖中：

圖1是本發明優選實施例的暗挖隧道受力體系二次轉換施工方法的施工步驟框圖；

圖2是本發明優選實施例的超前注漿的橫向剖面結構示意圖；

圖3是本發明優選實施例的暗挖段主體結構的橫斷面第一步開挖、施加第一道支撐結構示意圖；

圖4是本發明優選實施例的暗挖段主體結構的橫斷面第二步開挖、增加第二道支撐結構示意圖；

圖5是本發明優選實施例的暗挖段主體結構的橫斷面第三步開挖、增加第三道支撐結構示意圖；

圖6是本發明優選實施例的暗挖段主體結構完成後的橫斷面圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的實施例進行詳細說明，但是本發明可以由下述所限定和覆蓋的多種不同方式實施。

圖1是本發明優選實施例的暗挖隧道受力體系二次轉換施工方法的施工步驟框圖；圖2是本發明優選實施例的超前注漿的橫向剖面結構示意圖；圖3是本發明優選實施例的暗挖段主體結構的橫斷面第一步開挖、施加第一道支撐結構示意圖；圖4是本發明優選實施例的暗挖段主體結構的橫斷面第二步開挖、增加第二道支撐結構示意圖；圖5是本發明優選實施例的暗挖段主體結構的橫斷面第三步開挖、增加第三道支撐結構示意圖；圖6是本發明優選實施例的暗挖段主體結構完成後的橫斷面圖。

如圖1所示，本實施例的暗挖隧道受力體系二次轉換施工方法，包括以下步驟：a、利用超前注漿技術加固待開挖土體；b、通過施工過程有限元模擬確定開挖進尺與支撐的方案；c、實施邊開挖邊支撐，然後施工地下工程主體結構。本發明暗挖隧道受力體系二次轉換施工方法，具有受力明確、傳力途徑簡單、施工安全的特點。通過施工過程有限元模擬，可以為施工進尺與支撐方案提供優化依據，從而達到節省工期、降低成本的目的。

如圖2所示，本實施例中，步驟a的具體實施步驟為：進入暗挖段開挖面後，採用鋼花管進行土體超前注漿。注漿孔水平間距為0.8-1.5m，且呈梅花形布置。注漿長度根據土質情況確定，將待開挖土體全部固結，以保證後續開挖的穩定。可選地，如圖2所示，暗埋段隧道縱向注漿，沿隧道開挖方向採用鋼花管對開挖土體整體超前注漿，37米一次注漿完成，呈1m*1m梅花形布置。

如圖2所示，本實施例中，暗挖段每30m-45m採用一次注漿固結。將待開挖土體全部固結，以保證後續開挖的穩定。

本實施例中，步驟a後增加步驟a1、降低待開挖土體地下水位。步驟a1的具體實施步驟為：在地下工程上方既有建築物的周邊均勻布置降水井，降水井間距根據降水流量情況確定。降水井採用直徑550mm-650mm的鑽機成孔，井底標高低於地下工程基底5m。開挖前進行場地降水，進行場地降水，以保證地下水位位於開挖面以下至少1m。在已建隧道頂板兩側布置降水井。降水井採用直徑600mm鑽機成孔，井底標高低於地下工程基底5m。土方開挖後，封閉降水井點，灌注微膨脹混凝土，並加焊鋼板封閉。隧道開挖前提前進行降水，確保地下水在開挖面以下。同時做好實時監控，發現異常情況立即撤離隧道內工作人員，組織疏導地下商鋪人員，再進行加固處理。

本實施例中，步驟b的具體實施步驟為：從受力上分析暗挖段的土體開挖-型鋼支撐-主體結構的施工過程。地下工程主體結構以上的荷載一開始由待開挖土體承受，隨著邊開挖土體，邊進行H型鋼柱支撐，逐漸轉為由型鋼支撐承受，隨著主體結構砼的施工，再逐漸轉為由地下工程主體結構承受的受力體系二次轉換過程。採用有限元軟體ANSYS進行暗挖施工全過程模擬，預測地表沉降及型鋼支撐的受力變化規律，優化土體開挖進尺及型鋼尺寸，根據經濟技術指標確定最優的開挖進尺與支撐方案。其中，有限元軟體ANSYS為常用的有限元分析軟體。

本實施例中，隧道寬度為18m-25m，高為5.5m-7.5m，主體結構包括已建隧道頂板、底板、中牆和側牆。採用H型鋼作為支撐，橫斷面上共五排，橫向間距依次為4.95m、5.3m、5.3m和4.95m，其中中間的H型鋼位於中隔牆構成第一道支撐，兩邊的H型鋼分別位於側牆內構成第三道支撐，H型鋼後期與隧道主體澆築為一整體，H型鋼支撐縱向間距為1m。H型鋼支撐底部位於C40快凝快硬砼澆築的底座中，頂部採用同型號橫向H型鋼與已建隧道頂板頂緊。土體橫斷面上分三次開挖，第一次開挖中間部分，即底部寬度為5m，頂部寬度為8.1m的梯形部分，每向前開挖2m，及時施加H型鋼柱。第二次開挖底部及頂部寬度均為4.1m，每向前開挖2m，及時施加H型鋼柱。第三次開挖兩側剩餘部分土體，每向前開挖2m，及時施加H型鋼柱。三次開挖過程中，每次縱向開挖進尺為2m，每完成一個進尺及時施作H型鋼支撐。

暗挖段橫斷面分三步開挖，三步支撐。

本實施例中，每道H型鋼柱間，頂部採用工字鋼橫梁進行連接；每根H型鋼柱，頂部採用橫向H型鋼連接，橫向H型鋼翼緣間採用兩塊鋼板進行加強，並與已建隧道頂板頂緊。

本實施例中，三次開挖過程中，每縱向開挖進尺一次，及時從側面對未開挖土體進行加固；其中，第一次開挖過程中，採用掛網護坡；第二次開挖過程和第三次開挖過程中，橫向採用鋼花管進行注漿，對兩側土體進行加固。

圖3為暗挖段橫斷面第一步開挖示意圖。每次開挖進程為2m→支模、綁紮鋼筋→預埋鐵板(800mm*800mm*20mm)→混凝土基礎澆注(採用快硬性混凝土C40)→基礎達設計強度，及時架設型鋼支撐→繼續開挖，依次遞進。型鋼支撐採用H型鋼(400*400*21*13)，縱向間距1m；頂部採用H型鋼(400*400*21*13)作為縱向梁連接，頂部H型鋼翼緣間採用兩塊355mm*200mm*20mm鋼板進行加強，間距500mm。橫向距已建隧道頂板下50cm採用20b工字鋼焊接連接。基礎採用C40混凝土，雙層雙向配筋20@200，鋼筋需貫通整個開挖斷面，混凝土基礎頂為隧道墊層底。為確保後續施工不受混凝土凝期影響，採用鋼板路基箱鋪設。第一次開挖完成後，對邊坡掛8@150鋼筋網護坡。施工過程中根據監測數據、地質情況實時調整每次的開挖進尺和放坡坡比。若地質較差，必須調整坡比時，第一步開挖斷面頂部尺寸不得大於8.1m。型鋼支撐與基礎、已建隧道頂板均需牢固連接。隧道開始開挖至主體結構澆築完畢，未達到設計強度期間地下商鋪需要歇業。圖中未盡之處參見相關設計圖和總說明，並嚴格按照國家和地方現行有關規範、規程執行。

圖4為暗挖段橫斷面第二步開挖示意圖。待第一次開挖完成後，跟進進行第二次土方開挖。採用人工進行開挖，每次開挖進程為2m→混凝土基礎澆注→待基礎達設計強度，及時架設型鋼支撐→繼續開挖，依次遞進。型鋼支撐採用H型鋼(400*400*21*13)，縱向間距1m；頂部採用H型鋼(400*400*21*13)作為縱向梁連接，頂部H型鋼翼緣間採用2塊355mm*200mm*20mm鋼板進行加強，間距500mm。中部縱向連接採用兩道22b槽鋼焊接，橫向距已建隧道頂板下50cm採用20b工字鋼焊接連接。基礎採用C40快硬性混凝土，雙層雙向配筋20@200，鋼筋需貫通整個開挖斷面，型鋼基礎頂為隧道墊層底。第二次開挖完成後，採用鋼花管對側壁進行注漿，加固店鋪基礎土體。對開挖後邊坡掛8@150鋼筋網。為確保後續施工不受混凝土凝期影響，採用鋼板路基箱鋪設。施工過程中根據監測數據、地質情況實時調整每次的開挖進尺和放坡坡比。若地質較差，必須調整坡比時，第二步開挖斷面頂部尺寸不得大於5.2m。型鋼支撐與基礎、已建隧道頂板均需牢固連接。未盡之處參見相關設計圖和總說明，並嚴格按照國家和地方現行有關規範、規程執行。

暗埋段第二次開挖縱向進尺完成6m後，跟著在兩側引孔注漿。注漿採用直徑42鋼花管豎直向下與水平向成30度角插入隧道側牆以外進行注漿。注漿孔平面呈1m*1m梅花型布置。

圖5為暗挖段橫斷面第三步開挖示意圖。待第二次開挖完成後，跟進進行第三次土方開挖。每次開挖進程為2m→混凝土基礎澆注，第一次掛網噴砼護面→待基礎達設計強度，及時架設槽鋼支撐。槽鋼支撐與鋼花管焊接連接，並設置25橫向鋼筋與槽鋼、鋼花管焊接連接→施工型鋼斜撐→第二次掛網噴砼隧道外牆面→架設型鋼支撐→繼續開挖，依次遞進→待第三步開挖、支撐完成後進行主體結構墊層、底板防水層、底板施工→底板達到設計強度後施工側牆防水層、側牆、中隔牆，並與已建隧道頂板連接。型鋼支撐採用H型鋼(400mm*400mm*21mm*13mm)，縱向間距1m；頂部採用H型鋼(400*400*21*13)作為縱向梁連接，頂部H型鋼翼緣間採用兩塊355mm*200mm*20mm鋼板進行加強，間距500mm；中部縱向連接採用兩道22b槽鋼焊接，橫向距已建隧道頂板下500cm採用20b工字鋼焊接連接；基礎採用C40快硬性混凝土，雙層雙向配筋20@200，鋼筋需貫通整個開挖斷面，型鋼基礎頂為隧道墊層底；掛網噴砼採用C20混凝土，鋼筋網採用槽鋼支撐採用22號槽鋼，型鋼斜撐採用18號，縱向間距均為0.5m。型鋼斜撐一端與槽鋼支撐焊接連接，一端與基礎預埋鋼板焊接。為確保後續施工不受混凝土凝期影響，採用鋼板路基箱鋪設。施工過程中根據監測數據、地質情況實時調整每次的開挖進尺和放坡坡比。型鋼支撐與基礎、已建隧道頂板、商鋪底板均需牢固連接。側牆、中隔牆、底板範圍內型鋼支撐均澆築在混凝土結構中，為確保防水效果，該範圍內型鋼設置兩道止水環。側牆、內隔牆與已建隧道頂板銜接處預留20cm作為混凝土澆注窗口，後續採用自防水微膨脹混凝土進行澆注。混凝土結構澆築範圍外的型鋼支撐應在混凝土結構達到100％設計強度後拆除。未盡之處參見相關設計圖和總說明，並嚴格按照國家和地方現行有關規範、規程執行。

本實施例中，步驟c的具體實施步驟為：暗挖法所有支撐完成後，開始進行地下工程主體結構施工。主體混凝土採用泵送。先施工底板，再進行中隔牆和側牆施工。

由於隧道主體底板鋼筋需貫通布置，型鋼柱底板鋼筋位置需預留孔洞，孔洞位置兩側採用1200mm*120mm*20mm鋼板進行加固，鋼柱與底板交接處焊接兩道止水環。預留孔洞大小(共三排)：

中隔牆(ZK0+692--ZK0+700)：第一排孔徑為40mm，第二排孔徑為40mm，第三排孔徑為35mm。

中隔牆(ZK0+700--ZK0+729)：第一排孔徑為35mm，第二排孔徑為40mm，第三排孔徑為35mm。

側牆(ZK0+692--ZK0+700)：第一排孔徑為40mm，第二排孔徑為35mm，第三排孔徑為35mm。

側牆(ZK0+700--ZK0+729)：第一排孔徑為35mm，第二排孔徑為35mm，第三排孔徑為35mm。

如圖6所示，本實施例中，第一道H型鋼支撐和第三道H型鋼支撐留在中隔牆與隧道側牆內，待隧道側牆與中隔牆砼強度達到要求後，拆除第二道H型鋼支撐。底板與側牆交接處，混凝土需澆築至底板以上50cm，底板與型鋼柱交接處，在鋼柱上焊接兩道止水環。側牆位置採用自密實混凝土進行澆築，並在已建隧道頂板交接處鑿5cm深凹槽，埋設止水帶，並在該處50cm間隔埋設注漿管，進行注漿。

實施時，提供一種隧道施工的受力體系二次轉換暗挖施工方法，實施過程如下：

第一步，利用超前注漿技術加固待開挖土體：

進入暗挖段開挖面後，採用鋼花管進行土體超前注漿，注漿孔水平間距1m，呈梅花形布置。由於暗挖段長度為37m，土質比較鬆散，採用一次注漿完成，將待開挖土體全部固結，以保證後續開挖的穩定；

第一步以後可以增加步驟降低待開挖土體地下水位：在已建隧道頂板兩側布置降水井。降水井採用直徑600mm鑽機成孔，井底標高低於地下工程基底5m。開挖前進行場地降水，保證地下水位位於開挖面以下至少1m，土方開挖後，封閉降水井點，灌注微膨脹混凝土，並加焊鋼板封閉；

第二步，確定開挖進尺與支撐方案：

採用有限元軟體ANSYS進行暗挖施工全過程模擬，預測地表沉降及型鋼支撐的受力變化規律，優化土體開挖進尺及型鋼尺寸，根據經濟技術指標確定最優的開挖進尺與支撐方案。

隧道寬度為21.2m，高6.9m，主體結構包括已建隧道頂板、底板、中牆和側牆，經過計算與比較，確定採用H型鋼(400*400*21*13)作為支撐，橫斷面上共5排，橫向間距為4.95m、5.3m、5.3m、4.95m，其中中間與兩邊的型鋼分別位於中隔牆與側牆內，後期與隧道主體澆築為一整體，型鋼支撐縱向間距為1m。型鋼底部位於C40快凝快硬砼澆築的底座中，頂部與已建隧道頂板頂緊；土體橫斷面上分三次開挖，第一次開挖中間部分，即底部寬度為5m，頂部寬度為8.1米的梯形部分；第二次開挖底部及頂部寬度均為4.1m；第三次開挖剩餘部分土體。縱向開挖進尺為4m，每完成一個進尺及時施作型鋼支撐。

第三步，實施開挖並施工地下工程主體結構：

暗挖段所有型鋼支撐完成後，開始進行地下工程主體結構施工。隧道主體混凝土採用汽車泵泵送。先施工隧道底板，再進行隧道中隔牆、側牆施工。其中，第一、三道支撐留在中隔牆與隧道側牆內，待隧道側牆與中隔牆砼強度達到要求後，拆除第二道支撐。底板與側牆交接處，混凝土需澆築至底板以上50cm，底板與型鋼柱交接處，在鋼柱上焊接2道止水環。側牆位置採用自密實混凝土進行澆築，並在已建隧道頂板交接處鑿5cm深凹槽，埋設止水帶，並在該處50cm間隔埋設注漿管，進行注漿。

有益效果：受力體系二次轉換暗挖施工方法具有受力明確、傳力途徑簡單、施工安全的特點。通過施工過程有限元模擬，可以為施工進尺與支撐方案提供優化依據，從而達到節省工期、降低成本的目的。

應用效果：隧道暗挖施工採用了施工監測技術，監測的對象包括隧道本身及地下廣場各點的位移。從監測結果來看，各處位移符合規範要求，驗證了本發明的有效性和安全性。

以上所述僅為本發明的優選實施例而已，並不用於限制本發明，對於本領域的技術人員來說，本發明可以有各種更改和變化。凡在本發明的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。