CN104675403B - 一种地下空间施工方法及支护结构 - Google Patents
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Abstract
Description
一种地下空间施工方法及支护结构
技术领域
[0001] 本发明涉及土木建筑工程技术领域，具体涉及一种地下空间施工方法及支护结 构。
[0002] 随着经济增长和城市化进程的加速，城市中可利用的地上空间越来越少，城市发 展与土地资源短缺的矛盾更加突出。既有建筑的现有使用空间不足，需要合理开发、利用既 有建筑的地下空间。在地下工程建设中，一般采用明挖法进行施工。虽然明挖法具有施工简 单、工程直接成本低廉、施工过程可控度高等优势，但是也存在显著不足:一是明挖法施工 对既有设施的影响极大。工程范围内的既有设施往往需要采取永久搬迁、临时移位等处置 办法，严重影响城市功能设施的运行，导致工程间接成本和辅助工期大幅增加;二是明挖法 施工对城市正常运行影响极大。工程影响范围内的交通道路、排水管网、水电煤气等既有设 施，不可避免受到干扰;三是明挖法施工对市容环境影响极大。整个施工过程处于相对开放 的环境，对市容环境的影响极大。有鉴于此，探索开发地下工程的非开挖工方法势在必行。
[0003] 目前应用较为广泛的地下工程的非开挖工法包括:盾构法、顶管法、管幕法等。但 是，盾构法和顶管法，因受施工装备制约，结构的截面尺寸相对较小，施工对上覆土的安全 厚度有严格要求，一定程度上增加了地下结构的埋置深度，同时施工的装备、施工的辅助系 统均较为复杂，不适于狭小空间内的地下空间开发。管幕法是利用微型顶管技术在拟建的 地下建筑物四周顶入钢管或其他材质的管子，钢管之间采用锁口连接并注入防水材料，形 成水密性地下空间；然后在管幕的保护下，对管幕内土体加固处理后，边开挖边支撑，直至 管幕段开挖贯通，再浇注结构体的施工方法。图1为普通管幕法的结构示意图，其中，管幕-101，顶板-102,立柱桩-103,角撑-104;从图中可以看出，拟建的地下建筑物土体四周均设 有管幕101，管幕法每次只能施工一层，导致无法进行地下多层建筑物的连续施工。由此可 知，普通管幕法对施工环境要求高。此外，管幕法施工的精度高低和周边止水施工好坏对整 体施工效果起决定作用，因而在复杂施工环境中，例如河道周边、流砂土质等不适用管幕 法。
[0004] 因此，针对复杂环境下的多层地下空间开挖施工，如何提供一种安全、高效、成本 低的地下空间施工方法及支护结构是本领域技术人员亟需解决的技术问题。
发明内容
[0005] 本发明的目的在于提供一种地下空间施工方法及支护结构，以解决现有的管幕法 不适用于复杂环境下的多层地下空间施工的问题。为解决上述技术问题，本发明提供的地 下空间施工方法及支护结构，仅需在拟建地下空间上部设置一道管幕，即可运用逆作法进 行多层地下空间的连续施工，不仅能够适应施工环境复杂的情况，还能够缩短工期和节省 成本。
[0006] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
[0007] —种地下空间施工方法，包括如下步骤：
[0008] 步骤一、在拟建地下空间土体两侧构筑始发井和接收井，所述始发井和所述接收 井的四周均设有围护结构，其中，所述始发井与所述拟建地下空间土体交界处设有围护结 构一，所述接收井与所述拟建地下空间土体交界处设有围护结构二，所述始发井与所述围 护结构一相邻和相对的两边最外侧均设有止水帷幕一;所述接收井与所述围护结构二相邻 和相对的两边最外侧均设有止水帷幕二；
[0009] 步骤二、在所述拟建地下空间土体另外两侧浇筑搅拌桩加固，同时分别在所述搅 拌桩外侧施工止水帷幕三；
[0010] 步骤三、在所述拟建地下空间土体上部设置一道管幕，所述管幕由若干钢管水平 并排形成，所述钢管的两端分别搭设于所述围护结构一和所述围护结构二上；相邻设置的 所述钢管与所述拟建地下空间土体之间围合形成的空隙填满止水材料；
[0011] 步骤四、在所述拟建地下空间地下一层土体中浇筑若干加固层，所述加固层均从 管幕底端贯穿至所述地下空间的地下一层底板结构板处，且所述加固层与所述管幕垂直设 置；
[0012] 步骤五、凿除位于所述地下一层范围内的所述围护结构一，并对所述拟建地下空 间的地下一层土体分单元全断面开挖，边开挖边设置若干立柱桩支撑，并依次浇筑侧壁和 地下一层顶板结构板，使得所述立柱桩顶端和所述顶板结构板底端固定连接，直至形成从 所述始发井至所述接收井的通道；
[0013] 步骤六、浇筑地下一层底板结构板，并预留取土口；待所述地下一层底板结构板养 护结束后，通过所述取土口进行所述拟建地下空间的地下二层土体的开挖，并浇筑地下二 层底板结构板，并预留取土口；如此循环，逐层往下施工，直至完成整个拟建地下空间土体 的开挖；
[0014] 步骤七、进行所述地下空间底板结构板施工，并凿除位于所述地下一层范围内的 所述围护结构二，从而完成所述地下空间的施工。
[0015] 进一步地，所述搅拌粧的长度为所述拟建地下空间土体深度的2-3倍，所述搅拌桩 的直径为650mm-800mm。
[0016] 进一步地，所述止水材料为止水剂或遇水膨胀橡胶条。
[0017] 进一步地，所述步骤四中所述加固层采用水平注浆法加固或水平冻结法加固。
[0018] 进一步地，相邻两个所述加固层之间的水平距离与所述加固层的宽度相等。
[0019] 进一步地，所述步骤五中所述地下一层顶板结构板底端和所述立柱桩顶端之间还 设有围檩。
[0020] 进一步地，所述步骤五中所述单元的高度为8m-10m，长度为8m-l2m，宽度为8m-10m〇
[0021] 进一步地，所述立柱粧包括固定连接的立柱和灌注桩，所述立柱为格构柱，所述立 柱包括依次固定连接的第一固定部、可调部以及第二固定部，所述第一固定部和所述地下 一层顶板结构板固定连接;所述第二固定部和所述灌注桩的顶端固定连接，所述灌注桩的 底端与所述拟建地下空间的底面平齐。
[0022] 进一步地，所述可调部为伸缩法兰或螺纹套筒。
[0023] 进一步地，还包括角撑，所述角撑的两端分别与所述第一固定部和所述地下一层 顶板结构板固定连接，所述角撑与所述第一固定部的夹角为a，30 <a<60。
[0024] 地下空间施工方法的支护结构，包括:对称设置于所述拟建地下空间土体两侧的 始发井和接收井，对称设置于所述拟建地下空间土体另外两侧的搅拌桩，所述始发井和所 述接收井的四周均设有围护结构，所述始发井和所述接收井与所述搅拌桩垂直的两侧的所 述围护结构外侧均设有止水帷幕一和止水帷幕二，所述搅拌粧的外侧设有止水帷幕三;所 述拟建地下空间土体上部设有一道管幕，所述管幕由若干钢管水平并排形成，所述钢管的 两端分别搭设于所述始发井和所述接收井与所述搅拌桩垂直的两侧的围护结构一和围护 结构二上，相邻的所述钢管与所述拟建地下空间土体之间围合形成的空隙填满止水材料； 还包括若干加固层，所述加固层均从管幕底端贯穿至所述地下空间的地下一层底板结构板 处，且所述加固层与所述管幕垂直设置。
[0025] 本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：
[0026] —、地下空间施工采用逆作法施工，主要利用顶管机进行土体开挖，整体上是按照 先施工始发井和接收井的围护结构和止水帷幕，然后完成始发井和接收井的施工，接着完 成整个拟建地下空间的围护结构和止水帷幕施工，接着在拟建地下空间上部顶入密集设置 的钢管形成一道管幕，使得地下一层形成水密性的空间，接着在管幕内土体加固处理后，边 开挖边支撑，直至管幕段的开挖贯通，同时浇筑地下一层的结构体，并在浇筑地下一层底板 结构板时，预留取土口；待地下一层底板结构板养护结束后，通过地下一层底板结构板上的 取土口进行地下二层土体的开挖和结构体浇筑施工，并在浇筑地下二层底板结构板时，预 留取土口；如此循环，逐层往下施工，直至浇筑完成整个地下空间的底板结构板，从而完成 整个地下空间的施工。采用这种方法施工，不仅能够适应复杂环境下的多层地下空间的连 续施工，而且由于只用一道管幕，节省了施工成本，同时，结合逆作法施工，还缩短了工期。 [0027]二、在整个逆作法施工过程中，在进行最关键的地下一层施工时，仅需在拟建地下 空间土体上部(地下一层顶板结构板上方)设置一道管幕，并结合在地下一层空间内土体中 设置的加固层，即可为整个地下一层空间土体的开挖和主体结构浇筑提供安全的支护结 构，从而满足了多层地下空间的连续施工，节约了工程工期和成本。
附图说明
[0028]图1是现有的管幕法的结构示意图；
[0029]图2是本发明一实施例的步骤一和步骤二的平面示意图；
[0030] 图3是图2的a-a剖视图； ’
[0031]图4是本发明一实施例的图2增加管幕的a—a剖视图；
[0032]图5是本发明一实施例的图2增加管幕的b—b剖视图；
[0033]图6是图4增加加固层之后的剖视图； ’
[0034]图7是图5增加加固层之后的剖视图；
[0035]图8是本发明一实施例的步骤五的剖视图之一；
[0036]图9是本发明一实施例的步骤五的剖视图之二；
[0037]图10是本发明一实施例的步骤五的剖视图之三；
[0038]图11是本发明一实施例的步骤六的剖视图；
[0039]图12是本发明一实施例的步骤七的剖视图；
[0040] 图13是图10中B处的局部放大图。
具体实施方式
[0041] 以下结合附图和具体实施例对本发明提出的地下空间施工方法及支护结构作进 一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。需另外说明的 是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本发 明实施例的目的。为叙述方便，下文中所述的“上”、“下”与附图的上、下的方向一致，但这不 能成为本发明技术方案的限制。
[0042] 实施例一
[0043] 参考图2,本发明的地下空间施工环境比较复杂，该拟建地下空间土体A有两侧附 近为河道，此时，若采用常规的管幕法进行施工，存在河水倒灌的风险，会危及整个拟建地 下空间土体A的施工安全性。为了解决这一问题，下面结合图2至图13，详细说明本发明地下 空间的施工方法。
[0044] 本发明的地下空间施工采用逆作法施工，主要利用顶管机进行土体开挖，整体上 是按照先施工始发井和接收井的围护结构和止水帷幕，然后完成始发井和接收井的施工， 接着完成整个拟建地下空间的围护结构和止水帷幕施工，接着在拟建地下空间上部顶入密 集设置的钢管形成管幕，形成水密性的地下一层空间，接着在管幕内土体加固处理后，边开 挖边支撑，直至管幕段开挖贯通，同时浇筑地下一层的结构体，并在浇筑地下一层底板结构 板时，预留取土口；待地下一层底板结构板养护结束后，通过地下一层底板结构板上的取土 口进行地下二层土体的开挖和结构体浇筑施工，并在浇筑地下二层底板结构板时，预留取 土口；如此循环，逐层往下施工，直至浇筑完成整个地下空间的底板结构板，从而完成整个 地下空间的施工。
[0045] 本发明的地下空间的施工方法，具体包括如下步骤：
[0046] 继续参考图2和图3,步骤一、在拟建地下空间土体A两侧构筑始发井1和接收井2， 始发井1和接收井2的四周均设有围护结构（图中未示出），其中，始发井1与拟建地下空间土 体A交界处设有围护结构一 31，接收井2与拟建地下空间土体A交界处设有围护结构二32;始 发井1与围护结构一 31相邻和相对的两边最外侧均设有止水帷幕一 41;接收井2与围护结构 二32相邻和相对的两边最外侧均设有止水帷幕二42。
[0047] 具体来说，始发井1和接收井2的构筑要保证顶管机进、出该拟建地下空间土体A的 安全性。围护结构一 31和围护结构二32均深入到拟建地下空间土体A的底部。考虑到施工区 域位于地下水位线以下，拟建地下空间土体A开挖前除了做好围护结构以外，还要做好防水 措施，例如设置止水帷幕。
[0048] 继续参考图2,步骤二、在所述拟建地下空间土体另外两侧浇筑搅拌粧3加固，同时 分别在搅拌桩3外侧施工止水帷幕三43。
[0049] 在本实施例中，拟建地下空间土体A中与围护结构一31以及围护结构一32垂直的 两侧（即靠近河道的两侧）围护结构是采用从地表往下垂直打入搅拌桩3的做法，然后在搅 拌桩3形成的围护结构靠近河道的一侧进行止水帷幕43的施工。通常，搅拌桩3的长度为拟 建地下空间土体A深度的2-3倍，搅拌粧3的直径为650mm-800mm。
[0050] 继续参考图4和图5,步骤三、在拟建地下空间土体A上部设置一道管幕5,管幕5由 右十钢el十开排形成，钢官的两端分别搭设于围护结构一31和围护结构二32上；相邻设 置的钢管与拟建地下空间土体A之间围合形成的空隙填满止水材料6。
[0051]与常规管幕法施工不同的是，本发明的做法仅需在拟建地下空间土体A上部(地下 一层顶板结构板上方)设置一道管幕5,即从始发井1往接收井2方向顶入若千钢管，钢管的 两端分别搭设于围护结构一 31和围护结构二32上。当然，为了满足隔水效果，轴线互相平行 并排贴紧设置的相邻两根钢管以及与拟建地下空间土体A之间会形成截面呈近似三角形的 渗水空隙，影响安全，故需要在该空隙内填充止水材料6。为了取材方便和节省成本，止水材 料6可以选择止水剂或遇水膨胀橡胶条等，只要满足防水、隔水功能即可。在实际施工时，利 用注浆机沿着钢管长度方向的土体中灌注止水材料6，直至注满整个空隙，形成良好的防水 结构，实现防水功能。根据实际情况，可以将钢管内注满水泥，以使得管幕达到更好的刚度。 [0052]继续参考图6和图7，步骤四、在拟建地下空间土体人中浇筑若干加固层7,加固层7 均从管幕5底端贯穿至地下空间的地下一层底板结构板处，加固层7与管幕5垂直设置。每个 加固层7是从管幕5底端垂直向下注入浆料进行土体加固，相邻的加固层7之间均为非加固 的土体。加固层7可以采用水平注浆法加固或水平冻结法加固。水平注浆是指用适当的方法 将某些能固化的浆液水平方向注入岩土地基的裂缝或孔隙中，通过置换、充填、挤压等方式 以改善其物理力学性质的方法。水平冻结法是在指定的地层中通过钻孔，然后置埋低温致 冷用冻结排管，把人工制成的冷量送到指定的工程区域，采用人工降温方法使地下开挖体 周围特定范围内形成负温的、不透水的且具有足够强度的冻土结构物，然后在其保护下进 行地下工程施工的方法。下面以水平注浆法为例说明本实施例中加固层7的施工。分别在距 离管幕5底部向下垂直距离为lm、4m和7m处利用注浆机，从始发井1的围护结构一 31处开始 往接收井2的围护结构二32的方向水平注浆,从而形成厚度范围为8m-10m的加固层7。当然， 综合考虑节省成本和加固层7的承载力要求，相邻两个加固层7之间的水平距离与加固层7 自身的宽度相等。
[0053] 继续参考图8至图11，步骤五、凿除位于地下一层范围内的围护结构一 31，并对管 幕5下方拟建地下空间土体A分单元全断面开挖，边开挖边设置若干立柱桩8支撑，并依次浇 筑侧壁(图中未示出）和地下一层顶板结构板9,使得立柱粧8顶端和地下一层顶板结构板9 底端固定连接，直至形成从始发井1至接收井2的通道。
[0054] 特别地，为了保证整个施工环境的稳定性，所述单元的高度为8m-10m，长度为8m-12m，宽度为8m-10m。该单元的高度受打桩设备的高度限制，该单元的长度受立柱桩承载力 要求影响，施工时，可以根据实际情况做相应调整。
[0055] 继续参考图10至图13,立柱桩8包括固定连接的立柱(图中未示出）和灌注桩82,立 柱为格构柱，立柱包括依次固定连接的第一固定部811、可调部812以及第二固定部813,第 一固定部811和顶板9固定连接;第二固定部813和灌注桩82的顶端固定连接，灌注桩82的底 端与拟建地下空间土体A的底面平齐。利用每单元开挖完成后形成的低净空框架进行快速 成孔施工立柱桩8;为了进一步提高施工效率，用于浇筑灌注桩82的混凝土添加早强剂，立 柱粧8可以快速成为管幕5的支撑。当然，为了进一步提高地下一层顶板结构板9底端和立柱 桩8顶端之间还设有围檩(图中未示出）。为了进一步提高支撑的稳定性，还包括角撑10,角 撑10的两端分别与第一固定部811和地下一层顶板结构板9固定连接，角撑1〇与第一固定部 811的夹角为a，30°<a<60°。根据施工要求，可调部S12可以选择伸缩法兰或螺纹套筒。
[0056]继续参考图11，步骤六、浇筑地下一层底板结构板11，并预留取土口；待地下一层 底板结构板11养护结束后，通过取土口进行拟建地下空间的地下二层土体的开挖，并浇筑 地下二层底板结构板，并预留取土口；如此循环，逐层往下施工，直至完成整个拟建地下空 间土体的开挖。
[0057]具体来说，地下一层底板结构板11浇筑完成后，预留取土口，作为地下二层土体开 挖的通道。地下二层土体开挖时，分别以地下一层底板结构板11和立柱粧8作为支撑，在进 行地下二层底板结构板施工时，同样预留取土口，作为地下三层土体开挖的通道，如此逐层 往下施工，直至完成整个拟建地下空间土体的开挖。
[0058]步骤七、进行地下空间底板施工，并凿除位于地下一层范围内的围护结构二32,从 而完成整个地下空间的施工。如图12所示，以总共为地下两层的地下空间为例，地下空间底 板12即为地下二层的底板结构板，在进行地下二层底板结构板12施工时，无需预留取土口， 待地下空间底板12养护完成后，凿除位于地下一层范围内的围护结构二32。考虑到位于地 下空间上方的不含桩基的既有建筑物的安全性，地下空间结构施工完成后，管幕5不拔除。 [0059]下面继续参考图2至图13说明本发明的地下空间施工方法所采用的支护结构。 [0060] —种地下空间施工方法的支护结构，包括:对称设置于拟建地下空间土体A两侧的 始发井1和接收井2，对称设置于拟建地下空间土体A另外两侧的搅拌桩3，始发井1和接收井 2的四周均设有围护结构（图中未示出），始发井1和接收井2均与搅拌桩3垂直的两侧的围护 结构(31、32)外侧均设有止水帷幕一、止水帷幕二(41、42)，搅拌桩3的外侧设有止水帷幕三 43;拟建地下空间土体A上部设有一道管幕5，管幕5由若干钢管水平并排形成，钢管的两端 分别搭设于始发井1和接收井2与搅拌桩3垂直的两侧的围护结构一、围护结构二(31、32) 上，相邻的钢管与拟建地下空间土体A之间围合形成的空隙填满止水材料6;还包括若干加 固层7,加固层7均从管幕底端贯穿至地下空间的地下一层底板结构板处，且加固层7与管幕 5垂直设置。
[0061] 综上所述，本实施例中采用逆作法开挖拟建地下空间土体，首先在拟建地下空间 土体两侧分别对应构筑始发井和接收井、围护结构以及止水帷幕;然后在拟建地下空间土 体上部设置一道管幕;接着对拟建地下空间地下一层土体利用水平注浆法或水平冷冻法浇 筑若干加固层;接着凿除位于地下一层范围内的围护结构一，并对拟建地下空间的地下一 层土体分单元全断面开挖，边开挖边设立柱桩支撑，同时浇筑结构体，同时在浇筑地下一层 底板结构板时，预留取土口；接着，待地下一层底板结构板养护结束后，利用浇筑完成的地 下一层的底板结构板和立柱桩作为支撑，通过地下一层底板结构板上的取土 口进行地下二 层土体的开挖和饶筑结构体，同时在烧筑地下二层底板结构板时，预留取土口；接着，待地 下二层底板结构板养护结束后，以地下二层的底板结构板和在施工地下一层时形成的立柱 桩为支撑，通过地下二层底板结构板上的取土口进行地下三层土体的开挖和浇筑结构体； 如此循环，直至完成整个地下空间土体的开挖，最后施工地下空间底板，并凿除位于地下一 层范围内的围护结构二，从而完成整个地下空间的施工。采用这种改进型的管幕支护结构 进行逆作法施工，能够进行多层地下空间连续施工，安全、高效，能够节约工程工期和成本。 [0062]上述描述仅是对本发明较佳实施例的描述，并非对本发明范围的任何限定，本发 明领域的普通技术人员根据上述揭示内容做的任何变更、修饰，均属于权利要求书的保护 范围。
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