CN106013238B - 一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及隧道沉降控制技术领域，具体地指一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法。沿隧道规划线路在隧道的两侧插打两排围护桩，在两排围护桩之间施工基础桩，修建降水井将两排围护桩之间的地下水水位降到基坑开挖面以下，开挖基坑，浇筑隧道，待隧道结构稳定后，封闭降水井恢复地下水水位，再在隧道的上方填筑回填土层。本发明通过提前恢复水浮力影响和考虑到围护桩的影响两方面作用，极大程度的降低了基础桩的数量，缩小了基础桩的沉降量，从而降低了整个隧道的沉降，节省成本，降低了施工难度，提高了施工进程，具有极大的推广价值。

Description

一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法

技术领域

本发明涉及隧道沉降控制技术领域，具体地指一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法。

背景技术

在软弱地层大覆土地带进行明挖隧道，由于该地带结构稳定性差，地下水位较高，在现有隧道6开挖浇筑前需要在隧道延伸方向的两侧施工钻孔灌注桩或者是地下连续墙等现有围护桩7结构。当基坑内地下水位降至开挖面以下一定深度，然后开始开挖浇筑现有隧道6，现有隧道6结构完成后，开始回填现有回填土层9，隧道完成以后拆除降水井，地下水位恢复至自然状态，围护结构为隧道横向两侧保护结构，与隧道之间没有连接关系。

现有明挖隧道的沉降控制方法是基于隧道基底最不利的情况，即地下水位恢复以前，隧道的顶部全部是现有回填土层9，这部分土层的重量加上隧道本身的自重，这两部分作用力作用于隧道底部的地基上，基于这一前提条件下，然后按类似天然地基进行沉降分析，并根据沉降控制标准选择基底现有基础桩8的数量和大小。依照计算得出的参数进行施工。

实际应用时，在地下水位还没有恢复时，直接在隧道的上部填充回填土层，土层回填完成后而地下水水位却没有恢复完成，此时的隧道受到的压力最大，隧道底部受到回填土层和隧道自重的双重压力，考虑到这一情况，隧道底部的基础桩必须能够克服这一共同压力的作用才能完成隧道的修建而不至于发生大幅度的沉降。而实际上，当地下水位恢复以后，隧道相当于处于水和土的混合结构中，隧道会受到竖直向上的水浮力作用，此时隧道底部受到的力反而小于基础桩的设计值。但是由于实际施工过程中，会出现隧道完成、回填土层填筑完成但地下水位没有恢复的极限情况，因此实际上现有技术在厚弱软层施工时，为了保证工程的安全进行，只能选取该极限情况进行隧道施工。

在这种情况下，基础桩的数量大于实际需要的数量，造成了基础桩的浪费，无形中大幅度的增加了施工的成本，耗时耗力，拖慢了施工进度，影响整个施工进程。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的中提到的现有技术在弱软层大覆土地带的隧道施工工序容易造成隧道沉降的问题，提供一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法。

本发明的技术方案为：一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：沿隧道规划线路在隧道的两侧插打两排围护桩，在两排围护桩之间施工基础桩，修建降水井将两排围护桩之间的地下水水位降到基坑开挖面以下，开挖基坑，浇筑隧道，待隧道结构稳定后，封闭降水井恢复地下水水位，再在隧道的上方填筑回填土层。

所述的回填土层包括填筑在隧道上方的第一层回填土层和覆盖在第一层回填土层上方的第二层回填土层。

进一步的包括以下步骤：

1)、在隧道规划路线的两侧施工两排围护桩，在两排围护桩之间施工基础桩；

2)、施工围护桩外侧的止水帷幕，修建降水井，将两排围护桩之间的地下水水位降低到基坑开挖面以下；

3)、开挖基坑至明挖隧道的底端位置，修建隧道垫层和防水层，施工浇筑隧道结构；

4)、隧道结构稳定后，在隧道上方填筑第一层回填土层，封闭降水井，开始恢复两排围护桩之间的地下水水位；

5)、待地下水水位恢复后，在第一层回填土层上回填第二层回填土层至设计标高。

进一步的所述的步骤1中，根据围护桩的长度、回填土层的厚度和隧道侧部的高度计算出围护桩对回填土层和隧道侧部的摩阻力影响，再根据回填土层的重量、隧道重量和围护桩对回填土层、隧道的摩阻力计算出基础桩需要承载的应力大小，得出基础桩的数量，依照该数量的基础桩进行施工。

进一步的基础桩的数量计算方法包括以下步骤：

1)、根据围护桩竖直长度和回填土层的厚度计算出围护桩与回填土层之间的摩阻力F_b1；

2)、根据围护桩竖直长度与隧道外部高度计算出围护桩与隧道之间的摩阻力F_b2；

3)、根据围护桩与回填土层之间的摩阻力F_b1、围护桩与隧道之间的摩阻力F_b2、回填土层的重量和隧道自身重量计算出隧道底部下方的基础桩受到附加应力P₀；

4)、根据选择的基础桩材质和结构以及隧道底部下方受到的附加应力P₀计算出需要安装的基础桩数量N。

进一步的计算围护桩与回填土层之间的摩阻力F_b1的公式为：

其中：F_b1——单位长度上围护桩与回填土的侧向摩阻力，kN；

H_b1——回填土层的深度，m；

l_a——围护桩单位长度上的有效摩擦长度，m；

c——回填土层的黏聚力，kPa；

σ_n——围护桩的法向应力，kPa；

φ——回填土的内摩擦角，°。

进一步的计算围护桩与隧道之间的摩阻力F_b2的公式为：

F_b2＝P_b2·l_a·H_b2

其中：F_b2——单位长度上围护桩与隧道的侧向摩阻力，kN；

H_b2——隧道外侧的高度，m；

l_a——围护桩单位长度上的有效摩擦长度，m；

P_b2——围护桩与隧道的侧阻力，kPa。

进一步的计算隧道底部下方的基础桩受到附加应力P₀的公式为：

P₀＝(F_c+F_t-2F_b1-2F_b2)/A_e

其中：F_c——回填土层的自重，kN；

F_b1——单位长度上围护桩与回填土的侧向摩阻力，kN；

F_b2——单位长度上围护桩与隧道的侧向摩阻力，kN；

F_t——隧道的自重，kN；

A_e——单位长度上的隧道底部面积，m²。

进一步的计算基础桩数量N的公式为：

N＝P₀/f

其中：P₀—隧道底部下方的基础桩受到附加应力，kN；

f—单根基础桩的承载力，kN。

进一步的所述的第一层回填土层的重量大于地下水水位恢复后隧道受到的水浮力与隧道自重重力的差值。

进一步的所述的降水井位于两排围护桩之间或是两排围护桩外。

本发明的优点有：1、本发明提前恢复地下水的水位，使隧道受到地下水水浮力的作用，隧道受到向上的作用力影响，降低了隧道的自重对基础桩的影响，本发明的隧道受到最大的作用力是在回填土层回填完成后即施工完成后的常态，此时隧道底部下方的应力为回填土层的重量加上隧道重量再减去隧道受到的水浮力，这部分应力远小于回填土层和隧道重量产生的应力，因此对基础桩产生的压迫相较于现有技术的基础桩更小，隧道的沉降量大幅度的降低。

2、本发明提前恢复地下水水位，基础桩承载的最大压力变小，沉降量由此变小，基础桩的分布、安装和设计变得更为简便，降低了施工难度，节省了材料。

3、本发明通过考虑到围护桩对回填土层和隧道侧部的摩阻力影响，计算出隧道底部下方基础桩受到的附加应力大小，计算设计更加合理，综合考虑的更加充分，考虑到围护桩的影响，能够大幅度的降低基础桩设计数量，节省了大量的材料，降低了施工周期，有利于工程的进行。

本发明通过提前恢复水浮力影响和考虑到围护桩的影响两方面作用，极大程度的降低了基础桩的数量，缩小了基础桩的沉降量，从而降低了整个隧道的沉降，节省成本，降低了施工难度，提高了施工进程，具有极大的推广价值。

附图说明

图1：现有技术的结构示意图；

图2：本发明的结构示意图；

图3：本发明的受力结构示意图；

其中：1—隧道；2—围护桩；3—基础桩；4—第一层回填土层；5—第二层回填土层；6—现有隧道；7—现有围护桩；8—现有基础桩；9—现有回填土层。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

如图2～3所示，本实施例的隧道施工结构与现有技术一致，包括隧道1两侧的两排围护桩2，围护桩2之间插打基础桩3，开挖基坑浇筑隧道1，隧道1上方回填回填土层。围护桩2与隧道1之间并没有直接连接，为复合结构。如图3所示，基础桩3的下端深入到持力层内，通过持力层的固定稳固基础桩3。

明挖隧道1在软弱地层大覆土条件下，需要使用基础桩3进行加固防止沉降。由于基础桩3抗压强度远远大于桩间土的抗压强度，且桩顶荷载全部或主要由桩端阻力承受，桩侧阻力相对桩端阻力而言较小，可忽略不计，故当采用基础桩3(如钻孔灌注桩等)加固地基时，其明挖隧道1沉降主要取决于端承桩的压缩量。明挖隧道1在软弱地层大覆土条件下主要依靠基础桩3的支撑。由此计算隧道1底部下方基础桩3受到的附加应力大小，再根据基础桩3的特性就能够计算出基础桩3的数量。

如图3所示，计算隧道底部下方受到的应力大小，需要计算围护桩2对对回填土层和隧道1侧部的摩阻力影响。本实施例计算对回填土层和隧道1侧部的摩阻力影响的步骤如下。

1、根据围护桩2竖直长度和回填土层的设计深度计算出围护桩2与回填土层之间的摩阻力F_b1，计算公式如下；

其中：F_b1——单位长度上围护桩与回填土的侧向摩阻力，kN；

H_b1——回填土层的深度，m；

l_a——围护桩单位长度上的有效摩擦长度，m；

c——回填土层的黏聚力，kPa；

σ_n——围护桩的法向应力，kPa；

φ——回填土的内摩擦角，°。

2、根据围护桩2竖直长度与隧道1外部高度计算出围护桩2与隧道1之间的摩阻力F_b2，计算公式如下；

F_b2＝P_b2·l_a·H_b2 (2)

其中：F_b2——单位长度上围护桩与隧道的侧向摩阻力，kN；

H_b2——隧道外侧的高度，m；

l_a——围护桩单位长度上的有效摩擦长度，m；

P_b2——围护桩与隧道的侧阻力，kPa。

再根据围护桩2与回填土层的摩阻力F_b1、围护桩1与隧道1之间的摩阻力F_b2、隧道1的自重和回填土层的重量计算出隧道1底部下方基础桩3受到的附加应力P₀，计算公式如下：

P₀＝(F_c+F_t-2F_b1-2F_b2)/A_e (3)

其中：P₀—隧道底部下方基础桩受到的附加应力，kN；

F_c——回填土层的自重，kN；

F_b1——单位长度上围护桩与回填土的侧向摩阻力，kN；

F_b2——单位长度上围护桩与隧道的侧向摩阻力，kN；

F_t——隧道的自重，kN；

A_e——单位长度上的隧道底部面积，m²。

参照所选择的基础桩3的特性即可计算出基础桩3的数量N，计算公式如下：

N＝P₀/f (4)

其中：P₀—隧道底部下方的基础桩受到的附加应力，kN；

f—单根基础桩的承载力，kN。

基础桩3的特性是根据基础桩3的材质和管径来确定的，f是每根基础桩3在内部浇筑钢筋混凝土后能够承担压力的设计值，该设计值比基础桩3能够承担的压力值要小。

本实施例的基础桩3从地面插打进入到两排围护桩2之间，位于基坑下端以下的基础桩3内浇筑钢筋混凝土形成坚实的支撑结构，位于基坑底面以上的部分为素桩，位于基坑地面以下的部分为钢筋混凝土桩。本实施例的回填土层包括如图2中所示的第一回填土层4和第二回填土层5。

由于考虑到围护桩2对隧道1和回填土层的影响，因此实际计算出来的应力大小应该小于现有技术的只考虑回填土层和隧道1重量产生的应力大小。实际得出的基础桩3的数量要少于现有技术的基础桩数量，一方面是节省了材料，另外基础桩的数量减少能够大幅度的缩短施工时间，降低施工难度，提高施工效率。

考虑到现有技术施工时先回填隧道1上方的回填土层容易造成基础桩3和隧道1的沉降，本实施例将回填过程分为两部分进行，先回填第一回填土层4，然后恢复两排围护桩2之间的地下水水位，再在第一层回填土层4的上方回填第二层回填土层5直至标高。通过地下水水浮力的作用，减轻隧道1底部下方受到的附加应力，避免隧道1和基础桩3的沉降。

具体施工步骤如下：

1、在隧道1规划路线的两侧施工两排围护桩2，在两排围护桩2之间施工基础桩3；

2、施工围护桩2外侧的止水帷幕，修建降水井，将两排围护桩2之间的地下水水位降低到基坑开挖面以下；

3、开挖基坑至明挖隧道1的底端位置，修建隧道垫层和防水层，施工浇筑隧道结构；

4、隧道结构稳定后，在隧道上方填筑第一层回填土层4，封闭降水井，开始恢复两排围护桩之间的地下水水位；

5、待地下水水位恢复后，在第一层回填土层4上回填第二层回填土层5至设计标高。

回填第一层回填土层4是为了防止在恢复地下水水位的过程中，隧道1受到水浮力的作用上浮导致隧道结构的破坏，第一层回填土层4的重量应该大于隧道1自重和水浮力的差值，这样地下水恢复以后，隧道1不会因为受到水浮力的作用脱离设计位置造成损坏。但是如果隧道1的自重本来就比水浮力大，也可以直接恢复降水补充地下水，等地下水完全补充完全后，再开始回填土层。实际操作可根据现场情况进行调整。

由于，本实施例隧道1底部下方基础桩3受到的最大应力就是在地下水恢复、第二层回填土层5回填完成以后，隧道1自重加上回填土层自重再减去隧道1受到的水浮力和围护桩2对隧道1和回填土层摩阻力，这个受力其实就是隧道1建造完成后正常使用的常用值，由此可见，本实施例施工工序考虑得更加合理，基础桩3的选择更加合理，不存在浪费的问题。

而且，本实施例基础桩3的选择是基于回填土层的重量加上隧道自重减去围护桩对隧道和回填土层的摩阻力这一受力基础，基础桩3的选择抛开了水浮力的影响，实际上，基础桩3的受力支撑能力是大于这一受力基础的，而且由于水浮力是地基情况中不明确的因素，水浮力可能会出现变化，因此抛开这一因素，基础桩3如此选择更加准确，使隧道1结构更加稳定，不会受当地地下水情况变化而变化。

另外，在恢复地下水的过程中，如果自然恢复比较慢，为了避免延误工期，还可以直接人工补充地下水，使其快速恢复地下水水位，完成施工工序。降水井的位置不定，可以是在两排围护桩2之间，也可以是在围护桩的外侧，根据实际使用时的现场情况来确定。降水井是直接从地面开挖到基坑开挖面以下的深井，降水井与两排围护桩2之内的空间连通，两排围护桩2之间的地下水进入到降水井内，通过水泵等设备将这部分水排出，以便于基坑的开挖施工。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：所述的控制方法包括以下步骤：

1)、在隧道(1)规划路线的两侧施工两排围护桩(2)，在两排围护桩(2)之间施工基础桩(3)；

2)、施工围护桩(2)外侧的止水帷幕，修建降水井，将两排围护桩(2)之间的地下水水位降低到基坑开挖面以下；

3)、开挖基坑至明挖隧道(1)的底端位置，修建隧道垫层和防水层，施工浇筑隧道结构；

4)、隧道结构稳定后，在隧道(1)上方填筑第一层回填土层(4)，封闭降水井，开始恢复两排围护桩(2)之间的地下水水位；

5)、待地下水水位恢复后，在第一层回填土层(4)上回填第二层回填土层(5)至设计标高。

2.如权利要求1所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中，根据围护桩(2)的长度、回填土层的厚度和隧道(1)侧部的高度计算出围护桩(2)对回填土层和隧道(1)侧部的摩阻力影响，再根据回填土层的重量、隧道(1)重量和围护桩(2)对回填土层、隧道(1)的摩阻力计算出基础桩(3)需要承载的应力大小，得出基础桩(3)的数量，依照该数量的基础桩(3)进行施工。

3.如权利要求2所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：基础桩(3)的数量计算方法包括以下步骤：

1)、根据围护桩(2)竖直长度和回填土层的厚度计算出围护桩(2)与回填土层之间的摩阻力F_b1；

2)、根据围护桩(2)竖直长度与隧道(1)外部高度计算出围护桩(2)与隧道(1)之间的摩阻力F_b2；

3)、根据围护桩(2)与回填土层之间的摩阻力F_b1、围护桩(2)与隧道(1)之间的摩阻力F_b2、回填土层的重量和隧道(1)自身重量计算出隧道(1)底部下方基础桩(3)受到的附加应力P₀；

4)、根据选择的基础桩(3)材质和结构以及隧道(1)底部下方基础桩(3)受到的附加应力P₀计算出需要安装的基础桩(3)数量N。

4.如权利要求3所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：所述的步骤1)中计算围护桩(2)与回填土层之间的摩阻力F_b1的公式为：

其中：F_b1——单位长度上围护桩与回填土的侧向摩阻力，kN；

H_b1——回填土层的深度，m；

c——回填土层的黏聚力，kPa；

l_a——围护桩单位长度上的有效摩擦长度，m；

σ_n——围护桩的法向应力，kPa；

φ——回填土的内摩擦角，°。

5.如权利要求3所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：所述的步骤2)中计算围护桩(2)与隧道(1)之间的摩阻力F_b2的公式为：

F_b2＝P_b2·l_a·H_b2

其中：F_b2——单位长度上围护桩与隧道的侧向摩阻力，kN；

H_b2——隧道外侧的高度，m；

l_a——围护桩单位长度上的有效摩擦长度，m；

P_b2——围护桩与隧道的侧阻力，kPa。

6.如权利要求3所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：所述的步骤3)中计算隧道(1)底部下方基础桩(3)受到的附加应力P₀的公式为：

P₀＝(F_c+F_t-2F_b1-2F_b2)/A_e

其中：F_c——回填土层的自重，kN；

F_b1——单位长度上围护桩与回填土的侧向摩阻力，kN；

F_b2——单位长度上围护桩与隧道的侧向摩阻力，kN；

F_t——隧道的自重，kN；

A_e——单位长度上的隧道底部面积，m²。

7.如权利要求3所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：所述的步骤4)中计算基础桩(3)数量N的公式为：

N＝P₀/f

其中：P₀—隧道底部下方的基础桩受到附加应力，kN；

f—单根基础桩的承载力，kN。

8.如权利要求1所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于：所述的第一层回填土层(4)的重量大于地下水水位恢复后隧道(1)受到的水浮力与隧道(1)自重重力的差值。