CN101871218B - 地下车站空间的非开挖施工方法及其弧形冻结管施工设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种地下车站空间的非开挖施工方法，其在上、下行主隧道之间的土体中施工布置弧形冻结管，通过人工冻结土体形成临时冻土壁围护结构，并结合钢立柱支撑构成支护结构，然后在该支护结构围护的土体范围内进行地下车站空间的挖掘和结构的施工。本发明还公开了一种用于上述地下车站空间的非开挖施工方法中的弧形冻结管施工设备，其通过油压顶进在土体中埋设弧形冻结管。本发明具有施工简便、对地面建筑、交通和环境影响小、地下空间资源利用率较高等优点，适用于地铁地下车站空间的施工。

Description

地下车站空间的非开挖施工方法及其弧形冻结管施工设备

技术领域：

本发明涉及地铁地下车站的建筑施工方法，特别涉及一种地下车站空间的非开挖施工方法及其弧形冻结管施工设备，属于建筑工程技术领域。

背景技术：

随着我国城市建设日新月异的发展，越来越多的地下空间建设在各大中城市中不断进行，诸如高层建筑的多层地下室、地下停车库、地下商场、地下民防工程、地铁工程等，由此产生了大量的基坑工程。基坑工程是由地面向下开挖的一个地下空间，地铁车站就是一种典型的基坑工程。近年来，在北京、上海、广州、深圳等大城市地下轨道交通工程日益增多，相应的也产生了大量的地下车站空间。

地铁地下车站空间施工最简单的办法是从地表面向下进行开挖，也就是直接由地面向下开挖，为了防止基坑四周的土方由于土层压力向基坑中挤压、倾泻，通常在靠近基坑的地面上挖成斜坡，亦即使基坑的纵截面挖成倒梯形，这就是所谓的“放坡开挖”。

然而并非所有的地下车站空间施工都有足够的场地空间以便实施放坡开挖，因而就要采用附加支护结构的开挖方法，以保证工程的顺利进行。基坑支护结构一般包括围护结构和支撑系统两部分，围护结构直立地围绕在基坑的四周，其作用主要是阻挡基坑外围的土方和地下水，并将压力传递到支撑系统上，由支撑、立柱等组成的支撑系统支撑着围护结构并承受传基坑外部递来的水土压力。

现有的围护结构一般多为板桩墙、搅拌桩墙、地下连续墙等，从应用的效果和适用土质范围来看，地下连续墙围护结构优于其它围护结构。现有的支撑系统按照材料主要分为现浇钢筋混凝土支撑和钢支撑，现浇钢筋混凝土支撑整体刚度高、变形小、安全可靠，缺点在于施工周期长、拆除工作量大且困难、材料重复利用率低；钢支撑具有安装拆卸容易，支撑可重复多次利用等优点，但缺点是整体强度和刚度较低，稳定性较差。

基坑施工过程中，尤其在软土地层的超深、超大基坑施工过程中，地下车站施工一般采用“地下连续墙+现浇钢筋混凝土支撑”的地面开挖施工方法，其工艺流程为：

1、基坑围护地下连续墙施工

在工程开挖基坑前，先在地下连续墙对应位置上施工起导向和稳定槽壁作用的导墙，然后用挖槽机械在泥浆护壁的情况下沿着导墙逐段开挖沟槽，一段沟槽挖好后将预先加工好的地下连续墙钢筋笼吊入充满泥浆的沟槽内，再用导管自沟槽底部向上浇注混凝土，随着混凝土注入泥浆被逐步排出，最终形成钢筋混凝土地下连续墙。

2、基坑内部土体的开挖

地下连续墙施工结束后，开始开挖地下连续墙围起的基坑内部土体，为了尽可能减小由于无支护暴露时间过长而引起的围护结构以及基坑四周地层的变形，深大基坑的开挖，尤其是软土层中的基坑开挖，一般采用分步、分段、分层、放坡开挖的方式进行。

3、现浇钢筋混凝土支撑施工

当基坑内部土体开挖至第一道支撑设计位置后，暂时停止土体挖掘，开始进行现浇钢筋混凝土支撑施工。先在支撑对应位置上架设模板，然后绑扎钢筋笼并使其与地下连续墙相应位置钢筋笼连接，再进行现场混凝土浇注震捣；待混凝土凝固后再拆除模板，进行下一层基坑土体挖掘；当继续挖掘至第二道支撑设计位置时，再次进行模板架设、钢筋笼绑扎、混凝土浇注以及模板拆除等相同过程；依此逐步下挖直至完成整个基坑现浇钢筋混凝土支撑的施工。

4、基坑底板、内衬和内部结构施工以及钢筋混凝土支撑凿除

当基坑挖掘并支护到设计深度后进行基坑底板的施工，待底板施工完成后再进行基坑内衬及基坑内部结构的施工。基坑内衬及内部结构施工一般采用自下而上的施工过程，当基坑内部结构(梁、板、柱)施工完成并可以替代钢筋混凝土支撑的作用时，进行多余钢筋混凝土支撑的凿除。钢筋混凝土支撑凿除一般采用人工方式进行，然后将凿除下来的废弃钢筋混凝土支撑吊离基坑，直至基坑内部结构全部施工完毕。

上述地下车站空间的施工方法存在着下列缺点：

1)由于从地面直接向下开挖进行地下车站空间的施工，因此施工占地面积较大；

2)由于施工设备和施工人员需要进出，因此对城市道路交通影响较大；

3)由于进行的是露天施工，因此对于环境的影响较大，如噪音、扬尘等；

4)围护结构下部插入土体较深，而完成地下车站后上部还需回填土体进行掩埋，因而地下空间资源的浪费较大；

5)一旦遭遇地面的重要建筑物无法拆迁的情况，则传统的地下车站开挖施工方法很难在预定的原始位置上进行施工。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是克服现有地下车站空间施工方法的不足，提供一种采用人工冻结结合钢支撑系统构筑临时支护结构的地下车站空间的非开挖施工方法，其从开挖到结构施工全部采用非开挖方式在地下完成，因而具有施工简便、对地面建筑、交通、环境等影响小、地下空间资源利用率较高等优点。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案如下：

一种地下车站空间的非开挖施工方法，其在上、下行主隧道之间的土体中施工布置弧形冻结管，通过人工冻结土体形成临时冻土壁围护结构，并结合钢立柱支撑构成支护结构，然后在该支护结构围护的土体范围内进行地下车站空间的挖掘和结构的施工。

本发明所述的地下车站空间的非开挖施工方法，其依次包括如下具体步骤：

(1)在一主隧道内的施工位置上架设并调整好用以在土体中油压顶进埋设弧形冻结管的弧形冻结管施工设备；

(2)借助弧形冻结管施工设备在上、下行主隧道之间土体的预定位置上埋设若干弧形冻结管，该弧形冻结管在上、下行主隧道之间土体的上部和下部呈上下两排布置并且连接该上、下行主隧道；

(3)拆除弧形冻结管施工设备，将弧形冻结管留在土体中并连接入冻结系统；

(4)运行冻结系统进行土体冻结，在弧形冻结管的周围形成封闭的冻土壁围护结构，从而在上、下行主隧道之间的土体中围出一挖掘施工区域；

(5)在上、下行主隧道中相对的位置上安装牛腿和钢支撑立柱；

(6)拆除上、下行主隧道中相对位置上的开口管片；

(7)对冻土壁围护结构与上、下行主隧道之间的土体进行土方挖掘施工；

(8)进行地下车站结构的混凝土浇筑施工；

(9)对冻土壁围护结构进行解冻施工，然后拔除土体中的弧形冻结管，同时拆除钢支撑立柱和牛腿，从而完成地下车站空间结构的施工。

本发明所采取的另一技术方案是：

一种用于上述地下车站空间的非开挖施工方法中的弧形冻结管施工设备，其通过油压顶进在土体中埋设弧形冻结管，该弧形冻结管施工设备包括有机座、弧形导轨、推进油缸和定位器，所述机座安置于隧道作业面上，所述弧形导轨用以安放弧形冻结管，其连接于机座上并能够调节与机座的相对角度，所述推进油缸固定于弧形导轨上，其能够持固并推进弧形冻结管，所述定位器固定于隧道内，其由一端对弧形冻结管进行定位并与弧形导轨共同形成安放弧形冻结管的结构。

与传统的由地面向下大开挖的施工方式不同，本发明不需要另外建筑一个庞大的工作井，而是利用专门的弧形冻结管施工设备在需要建造车站区段的上、下行主隧道之间土体的上、下部埋设若干弧形冻结管，然后采用人工冻结的方式使弧形冻结管周围的土体形成临时冻土壁围护结构，并结合钢立柱支撑构成一支护结构，在上、下行主隧道之间的土体中形成被该支护结构围护的区域，随后在该区域范围内进行地下车站空间的挖掘和结构的施工。采用本发明所述方法进行地下车站空间的施工，其过程采用非开挖方式全部在预定的需要建筑地铁车站的地下空间中完成，因此施工充分利用了地下空间资源，其所占用的地下空间基本上都是建成的地铁车站主体结构所必需的有效空间，同时施工占用地面场地面积不大，也无需拆迁地面建筑，施工所产生的噪音及粉尘不会污染地上环境。总之，本发明所述地下车站空间的非开挖施工方法达到了对地面环境、交通和建筑影响小、地下空间资源利用率高、施工便捷、环保的有益效果。

附图说明：

图1本发明施工方法流程图。

图2弧形冻结管施工设备结构示意图。

图3本发明施工过程示意图之一。

图4本发明施工过程示意图之二。

图5本发明施工过程示意图之三。

图6本发明施工过程示意图之四。

图7本发明施工过程示意图之五。

具体实施方式：

本发明所述的地下车站空间的非开挖施工方法应用于地铁地下车站空间的施工，在利用盾构法已施工好的上、下行两条地铁隧道上需要建造车站的区段，所述施工方法借助专门的弧形冻结管施工设备在上、下行主隧道之间的土体中施工布置弧形冻结管，通过人工冻结的方式在土体中形成临时冻土壁围护结构，并结合钢立柱支撑系统构成一支护结构，然后在该支护结构围护的土体区域范围内进行地下车站空间的非开挖式的挖掘和结构的施工。下面结合具体实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明所述用于上述地下车站空间的非开挖施工方法中的弧形冻结管施工设备2的结构示意图请参阅图2，图示弧形冻结管施工设备2安装在隧道1内，其通过油压顶进的方式在土体中埋设弧形冻结管3，该弧形冻结管3为轴线呈弧形的弯曲的钢管，其中能够通入冷冻液。所述弧形冻结管施工设备2包括有机座23、弧形导轨21、推进油缸22和定位器24；所述机座23安置于隧道1内的作业面上；所述弧形导轨21为圆弧状框架式构件，用以安放弧形冻结管3，该弧形导轨21连接于机座23上，并且能够移动以调节其与机座23的相对角度；所述推进油缸22一端固定于弧形导轨21上，另一端能够持固住弧形冻结管3，当推进油缸22伸展时能够推进弧形冻结管3进入土体中；所述定位器24固定于隧道1内，其具有一能够伸入弧形冻结管3管腔内的凸台，从而由一端对弧形冻结管3进行定位，该定位器24与弧形导轨21共同形成安放弧形冻结管3的框架结构，即弧形冻结管3在推进之前就安放在弧形导轨21与定位器24上并由定位器24对其一端定位。

以下为使用本发明所述的地下车站空间的非开挖施工方法进行施工的实施例，其施工过程包括如下具体步骤：

(1)首先在已施工好的上、下行主隧道中需要建造车站的区段上确定施工位置，请参阅图3本发明施工过程示意图之一，在两隧道之一的主隧道1内将轨道平板车移动至相应的施工位置上，再在该轨道平板车上架设弧形冻结管施工设备2，该弧形冻结管施工设备2用以在土体中油压顶进埋设弧形冻结管3。然后调整好弧形导轨21在机座23上的角度以适应弧形冻结管3在土体中的预定埋设位置，再将弧形冻结管3安放到弧形导轨21上并用定位器24由一端将弧形冻结管3定位。

(2)借助弧形冻结管施工设备2在上、下行主隧道之间土体的预定位置上埋设若干弧形冻结管3。请参阅图3，启动推进油缸22先将一根弧形冻结管3油压推顶送入主隧道1外土体上部的预定位置上，该弧形冻结管3要一直被推顶至端部与另一主隧道相接；然后以同样方法将另一根弧形冻结管3油压推顶送入主隧道1外土体下部的预定位置上，随后移动轨道平板车，在一定距离的间隔上重复上述操作；在预定区域中完成埋设弧形冻结管3的操作后，该若干弧形冻结管3在上、下行主隧道之间土体的上部和下部呈上下两排且间隔的布置，同时该弧形冻结管3连接于上、下行主隧道之间。

(3)预定区域中所有埋设弧形冻结管3的施工完成后，拆除弧形冻结管施工设备2，将弧形冻结管3留在土体中(见图4)，随后将布置好的弧形冻结管3连接入冻结系统。

(4)运行冻结系统进行土体冻结，通过地面上的冻结站将冷冻液同步循环压入留在土体中的弧形冻结管3内，开始对土体进行冻结，请参阅图4本发明施工过程示意图之二，直到在弧形冻结管3的周围形成连续封闭的临时冻土壁围护结构4，从而在上、下行主隧道之间的土体中围出一挖掘施工区域。

(5)进行土体冻结的同时，在上、下行主隧道中相对的位置上安装牛腿5和钢支撑立柱6(见图4)，也就是在每一主隧道内面对另一主隧道的一侧的上、下方的相应位置上焊接钢制的牛腿5，并在钢牛腿5之间以一定位置间隔直立地安装钢支撑立柱6。所有的牛腿5和钢支撑立柱6形成支撑系统，该支撑系统与冻土壁围护结构4共同构成对非开挖施工区域的支护结构。

(6)待牛腿5和钢支撑立柱6施工安装完毕，且冻土壁围护结构4强度达到要求后，请参阅图5本发明施工过程示意图之三，分块将上、下行主隧道中相对位置上的开口管片11逐个拆除。

(7)待开口管片11拆除后，借助人力或相关设备对冻土壁围护结构4与上、下行主隧道之间的土体进行土方挖掘施工。

(8)土方挖掘施工完成后，进行地下车站结构的混凝土浇筑施工，请参阅图6本发明施工过程示意图之四，在冻土壁围护结构4与牛腿5和钢支撑立柱6形成的支护结构保护下，根据结构设计进行模板架设、钢筋笼绑扎以及混凝土浇筑施工作业，依次完成地下车站现浇混凝土下部结构7、现浇混凝土立柱8以及现浇混凝土上部结构9的施工。

(9)待地下车站结构的混凝土浇筑强度达到设计要求后，通过弧形冻结管3对临时冻土壁围护结构4进行解冻施工，然后依次拔除留在土体中的弧形冻结管3，同时拆除临时钢支撑立柱6和临时钢牛腿5，请参阅图7本发明施工过程示意图之五，从而完成地下车站空间结构的施工。

采用本发明所述方法进行地下车站空间的施工，其过程采用非开挖方式全部在预定的需要建筑地铁车站的地下空间中完成，因此本发明所述地下车站空间的非开挖施工方法达到了对地面环境、交通和建筑影响小、地下空间资源利用率高、施工便捷、环保的有益效果。

Claims (2)

1.一种地下车站空间的非开挖施工方法，其特征在于：该施工方法在上、下行主隧道之间的土体中施工布置弧形冻结管，通过人工冻结土体形成临时冻土壁围护结构，并结合钢立柱支撑构成支护结构，然后在该支护结构围护的土体范围内进行地下车站空间的挖掘和结构的施工；该施工方法依次包括如下具体步骤：

(1)在一主隧道内的施工位置上架设并调整好用以在土体中油压顶进埋设弧形冻结管的弧形冻结管施工设备；

(2)借助弧形冻结管施工设备在上、下行主隧道之间土体的预定位置上埋设若干弧形冻结管，该弧形冻结管在上、下行主隧道之间土体的上部和下部呈上下两排布置并且连接该上、下行主隧道；

(3)拆除弧形冻结管施工设备，将弧形冻结管留在土体中并连接入冻结系统；

(4)运行冻结系统进行土体冻结，在弧形冻结管的周围形成封闭的冻土壁围护结构，从而在上、下行主隧道之间的土体中围出一挖掘施工区域；

(5)在上、下行主隧道中相对的位置上安装牛腿和钢支撑立柱；

(6)拆除上、下行主隧道中相对位置上的开口管片；

(7)对冻土壁围护结构与上、下行主隧道之间的土体进行土方挖掘施工；

(8)进行地下车站结构的混凝土浇筑施工；

(9)对冻土壁围护结构进行解冻施工，然后拔除土体中的弧形冻结管，同时拆除钢支撑立柱和牛腿，从而完成地下车站空间结构的施工。

2.一种用于权利要求1所述的地下车站空间的非开挖施工方法中的弧形冻结管施工设备，其特征在于：该施工设备通过油压顶进在土体中埋设弧形冻结管，其包括有机座、弧形导轨、推进油缸和定位器，所述机座安置于隧道作业面上，所述弧形导轨用以安放弧形冻结管，其连接于机座上并能够调节与机座的相对角度，所述推进油缸固定于弧形导轨上，其能够持固并推进弧形冻结管，所述定位器固定于隧道内，其由一端对弧形冻结管进行定位并与弧形导轨共同形成安放弧形冻结管的结构。

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