CN107938706B - 浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构及施工方法 - Google Patents

浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构及施工方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构及施工方法,属于隧道结构领域。该结构在隧道两侧的设计边界处分别打设有一排钻孔灌注桩作为明洞边墙;每排钻孔灌注桩位于明洞内的桩壁上采用喷射混凝土抹平,形成隧道壁;两排钻孔灌注桩之间的隧道基坑底部施作有与钻孔灌注桩连成一体的仰拱,仰拱上方回填有土石层;每排钻孔灌注桩顶部通过钢筋砼冠梁连接,两排钻孔灌注桩的钢筋砼冠梁之间连接有若干条钢筋砼横撑;明洞上方的钢筋砼横撑上架设有拱形顶棚,形成拱形棚式组合明洞结构。本发明相比在保证安全的前提下,还可使隧道内空间增大,视野开阔,对通风照明均有所裨益,更经济耐用,兼顾了实用性和美观性。

Description

浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构及施工方法
技术领域
本发明属于隧道结构领域,具体涉及一种浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构及施工方法。
背景技术
当隧道埋深较浅,上覆岩土体较薄,难于采用暗挖法施工时,则应采用明挖法来开挖隧道。采用明挖法修建的隧道结构,称为明洞。多见于山区铁路、公路隧道的出入口段,或平原地区城市的地铁区间隧道,以及道路隧道和越江隧道的出入口段。明洞施工方法的选择应根据地形、地质条件和结构形式等因素确定。洞顶一般采用回填土石的形式,洞顶在条件允许的条件下还应进行洞顶复绿,回填的土石层是一层保护层,能起到阻水、防落石等作用,常规的明洞结构如图1所示。
而当受地形地质条件限制难以修建拱式明洞时,边坡有小量坍落掉块和侧压力较小时,可以采用棚式明洞。棚式明洞由顶盖和内、外边墙组成,顶盖通常为梁式结构。目前部分地下明洞结构采用玻璃透明拱形顶棚,一来不遮阳,二来遭遇异物坠落不安全。此种结构材料显然不适用于隧道明洞结构顶。另外,目前隧道壁传统的建筑材料大多采用瓷砖和涂料,给交通安全带来很大隐患,给后期维护带来很多不便,有待于进一步改进。
而且,现有技术中地下明洞的施工工序较多,监测工作不到位的问题。具体来说,围护结构体系容易发生转动失稳,围护结构发生倾覆、隆起和整体滑动失稳均集中在基坑底部,理论上分析其转动点位于底部。因此,整个围护结构的底部支撑上缘是量测的关键点,而非地面冠梁处。而现场一般以地面冠梁处的监测结果来指导施工,故从理论上讲监测工作不到位。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中存在的问题,并提供一种浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构。
本发明所采用的具体技术方案如下:
浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构,其具体如下:在隧道两侧的设计边界处分别打设有一排钻孔灌注桩作为明洞边墙;每排钻孔灌注桩位于明洞内的桩壁上采用喷射混凝土抹平,形成隧道壁;两排钻孔灌注桩之间的隧道基坑底部施作有仰拱,且仰拱与钻孔灌注桩连成一体,仰拱上方回填有土石层;每排钻孔灌注桩顶部通过钢筋砼冠梁连接,两排钻孔灌注桩的钢筋砼冠梁之间连接有若干条钢筋砼横撑;明洞上方的钢筋砼横撑上架设有拱形顶棚,形成拱形棚式组合明洞结构。
本发明采用钻孔灌注桩作为明洞边墙,在钻孔灌注桩壁上喷射混凝土抹平,不会出现衬砌背后存在一定规模的空洞或空洞回填不密实等问题。而且本发明为增强隧道明洞结构的整体协调性和美观,在浅埋隧道基坑冠梁处钢筋砼支撑(梁式结构)上方加盖一个拱式棚,即为拱式明洞和棚式明洞上部结构的组合,犹如建筑结构中部分门窗结构采用的上半圆和下矩形组合形式。相比一般浇筑上部衬砌砼结构形成整体式衬砌的修建结构,还可使隧道内空间增大,视野开阔,对通风照明均有所裨益。更经济耐用,实现内实外美。
作为优选,考虑到前述玻璃顶棚的缺陷,再结合浅埋隧道的基本功能,所述的拱形顶采用铝板或镀锌板材质,可起到遮光、防水、能承受一般的落石等作用。
作为优选,所述的隧道壁表面涂覆有银圭液体陶瓷材料作为面层。隧道壁用银圭液体陶瓷材料替代瓷砖可以解决瓷砖易脱落、易碎、难清洗等弊端,可有效解决隧道结露、渗漏、泛碱、冻融、开裂、风化等问题,特别是银圭的耐高温(1200℃)可以抗火灾。银圭液体陶瓷材料的超自洁功能解决了隧道内壁结构表面污染物清理的难题,是瓷砖、防火涂料和装饰面板的可替代材料。
本发明的另一目的在于提供一种浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构的施工方法,其步骤如下:
1)在隧道浅埋段先放坡开挖,并留置碎落台;然后沿隧道走向在隧道设计边界两侧分别施作一排钻孔灌注桩,作为隧道的围护结构;
2)在钻孔灌注桩顶部浇筑钢筋砼冠梁;
3)在两条钢筋砼冠梁之间支一道钢筋砼横撑;
4)机械开挖上部土体段至设计隧道基坑底,此时将整个基坑围护结构作为单排桩来验算此种不利工况下各项指标是否满足规范要求;然后采用爆破开挖下部岩石段,直至开挖至仰拱外边线底,此时再次将整个基坑围护结构作为单排桩来验算此种不利工况下各项指标是否满足规范要求;
5)以隧道底部支撑的设计位置上缘作为观测点,埋设量测设备对该点的变形位移进行监测;
6)在两种不利工况的各项指标均满足规范要求以及基坑底部观测点变形值未达到预警值的前提下,直接施作仰拱,使仰拱与围护钻孔灌注桩连成一体,进而仰拱回填土石方至设计标高;
7)在明洞上方的钢筋砼横撑上施作拱形顶棚,使拱形顶棚与钢筋砼横撑连接,形成拱形棚式组合明洞结构;
8)围护钻孔灌注桩作为明洞边墙,在钻孔灌注桩靠近明洞一侧的桩壁上喷射混凝土抹平,然后施作银圭液体陶瓷材料作为隧道壁面层。
作为优选,若基坑底部观测点变形值超过预警值,则需要在隧道底部增加底部支撑,以满足围护结构的整体稳定平衡要求。
作为优选,所述的预警值采用《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497-2009)中深层水平位移监测报警值。
作为优选,整体滑动稳定性一般较容易满足。对围护结构破坏较大的是倾覆和隆起,故最主要的验算指标是抗倾覆稳定性验算和抗隆起稳定性验算。
进一步的,抗倾覆稳定性的验算公式为:
式中:Ke为嵌固稳定安全系数;
Eak、Epk分别为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力标准值,单位为kN;
aa1、ap1分别为基坑外侧主动土压力合力作用点、基坑内侧被动土压力合力作用点至挡土构件底端的距离,单位为m。
满足上述验算公式可视为抗倾覆稳定性符合要求。
进一步的,抗隆起稳定性的验算公式如下:
Nc、Nq均为地基极限承载力的计算系数,且:
式中:Khe为基坑抗隆起安全系数;
γm1、γm2分别为基坑外、基坑内挡土构件底面以上土的天然重度,单位为kN/m3;对多层土,取各层土按厚度加权的平均重度;
ld为挡土构件的嵌固深度,单位为m;
h为基坑深度,单位为m;
q0为地面均布荷载,单位为kPa;
c、——分别为挡土构件底面以下土的黏聚力,单位为kPa、内摩擦角,单位为度。
满足上述验算公式可视为抗隆起稳定性符合要求。
作为优选,仰拱回填土石方后,不再浇筑上部衬砌砼,既保证了安全,又施工迅速、经济合理。
作为优选,所述的观测点位于基坑底部下方0.5~1m处。
本发明相比一般浇筑上部衬砌砼结构形成整体式衬砌的修建方法,在保证安全的前提下,还可使隧道内空间增大,视野开阔,对通风照明均有所裨益,更经济耐用,兼顾了实用性和美观性。
附图说明
图1为常规的浅埋隧道基坑围护段明洞结构设计示意图;
图2为本发明的浅埋隧道基坑围护明洞结构示意图;
图3为本发明的浅埋隧道基坑围护明洞结构平面图(单位:cm);
图4为隧道基坑失稳机制分析示意图。
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阐述和说明。本发明中各个实施方式的技术特征在没有相互冲突的前提下,均可进行相应组合。
本发明整体是在明洞的上方钢筋砼支撑上方加盖一个拱式棚,即为拱式明洞和棚式明洞(梁式结构)上部结构的组合。该结构具体如图1所示,在隧道两侧的设计边界处分别沿隧道走向打设有一排钻孔灌注桩(φ80@100cm)。这两排钻孔灌注桩用于作为明洞边墙,而为了形成明洞的隧道内壁,需要在每排钻孔灌注桩位于明洞内的桩壁上采用喷射混凝土抹平,形成隧道壁。两排钻孔灌注桩之间的隧道基坑底部施作有仰拱,且仰拱与钻孔灌注桩连成一体,按设计标高,仰拱上方回填有土石层,平整后施作行车道等上部设施。每排钻孔灌注桩顶部通过100×100cm钢筋砼冠梁连接,钢筋砼冠梁之间以80×80cm钢筋砼横撑连接,相邻钢筋砼横撑之间间隔600cm。如图3所示,明洞上方的钢筋砼横撑上架设有拱形顶棚,形成上半圆和下矩形组合形式的拱形棚式组合明洞结构。
下面说明该浅埋隧道基坑围护明洞结构的施工方法,该隧道所在位置的岩土,以地层分界线为界,分为上部土体段和下部岩石段。施工方法的工序如下:
(1)如图2,在浅埋段先放坡开挖,为防治围护结构两侧落石,留置碎落台,然后沿隧道走向在隧道设计边界两侧分别施作一排D80cm钻孔灌注桩,作为隧道的围护结构。
(2)浇筑钻孔灌注桩顶部的四周100×100cm钢筋砼冠梁,分别将两排钻孔灌注桩联结为整体。
(3)在钢筋冠梁处横向支一道80×80cm钢筋砼横撑,使整个围护结构形成棚式明洞结构(梁式结构);
(4)机械开挖上部土体段至设计隧道基坑底,此时整个基坑围护结构作为单排桩来验算各项指标是否满足规范要求(不利工况1);然后采用爆破开挖下部岩石段,直至开挖至仰拱外边线底。此时再次将整个基坑围护结构作为单排桩来验算此种不利工况下各项指标是否满足规范要求(不利工况2)。
本发明针对浅埋隧道基坑分两种不利工况(上部土体机械开挖至基坑底以及爆破开挖至仰拱外边线底时)来验算,若两种不利工况均满足规范指标要求的前提下,才能进行后续仰拱施作。究其原因是基坑围护段上台阶土方开挖到基底时,基坑内侧土被掏空,基坑外侧土压力作用在钻孔灌注桩上时,此时为工程不利工况1。上部土体采用机械开挖至基底后,继而下部岩石爆破开挖仰拱,开挖至仰拱外边线底处时,没来得及施工仰拱,仰拱没回填时,基坑外侧的岩石压力与上台阶土压力一样作用在钻孔灌注桩上,此时为工程最不利工况2。两种不利工况下,整体滑动稳定性一般较容易满足。对围护结构破坏较大的是倾覆和隆起,故最主要是抗倾覆稳定性验算和抗隆起验算。本实施例中,抗倾覆稳定性需满足以下验算:
式中:Ke——嵌固稳定安全系数;
Eak、Epk——分别为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力标准值(kN);
aa1、ap1——分别为基坑外侧主动土压力合力作用点、基坑内侧被动土压力合力作用点至挡土构件底端的距离(m)。
抗隆起稳定性需满足以下验算:
式中:khe——抗隆起安全系数;
γm1、γm2——分别为基坑外、基坑内挡土构件底面以上土的天然重度(kN/m3);对多层土,取各层土按厚度加权的平均重度;
ld——挡土构件的嵌固深度(m);
h——基坑深度(m);
q0——地面均布荷载(kPa);
Nc、Nq——承载力系数;
c、——分别为挡土构件底面以下土的黏聚力(kPa)、内摩擦角(°)。
当两种不利工况均满足各自的验算公式时,视为基坑满足稳定性要求。
(5)围护结构体系容易发生转动失稳,在《建筑基坑工程监测技术规范》(GB50497-2009)中以及常见的现场施工过程中,一般以A点的监测结果来指导施工。但申请人经过大量的研究试验发现,如图4所示,以钻孔灌注桩为围护结构的体系中,围护结构发生倾覆、隆起和整体滑动失稳均集中在基坑底部,理论上分析其转动点(图4中B点)位于底部。因此,图4中事先设计的底部支撑上缘B点是量测的关键点,而非地面冠梁处A点。故从理论和实践上看,以A点作为观测到将导致监测工作不到位,必然会影响围护结构体系的后续稳定性。因此本实施例中,以隧道底部支撑的设计位置上缘B点(一般选择基坑底部下方0.5~1m处)作为观测点,埋设量测设备(可采用变形测试元件)对该点的变形位移进行监测,并以变形为控制标准,可参照《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497-2009)中深层水平位移监测报警值来决定是否增加底部支撑结构(可采用横撑等)。监控量测一环节尤其重要,能更好地指导设计施工,因此本发明将位移变形观测点选为B点具有重要意义。
(6)在两种不利工况均满足基坑稳定性要求以及基坑底部量测观测点变形值未达到预警值的前提下,可无需设置底部支撑,直接施作仰拱,使仰拱与围护钻孔灌注桩连成一体,不再浇筑上部衬砌砼,然后仰拱回填土石方,达到设计标高。土石方上方平整后用于进行路面即其他辅助设施的施工。因为在两种不利工况土体或岩石开挖时,基坑各项指标均满足要求,此时可考虑不再浇筑上部衬砌砼(如图2),这样既保证了安全,又施工迅速、经济合理。但假如两种不利工况中有一种不满足稳定性要求或基坑底部量测观测点变形值达到预警值时,为保证安全则需在基坑底处按一定间距加一道横撑作为底部支撑,下部岩石段仰拱爆破施工时拆一个横撑,立即施作一段仰拱,然后仰拱回填,以保持支撑体系的稳定平衡。
(7)在明洞上方的钢筋砼横撑上施作连续拼接的拱形顶棚(材质可选用铝板或镀锌板),使拱形顶棚与钢筋砼横撑(梁式结构)形成新型拱形棚式组合明洞结构。拱形顶棚可采用全遮蔽设计,起到遮光、防水、能承受一般的落石等作用。相比一般浇筑上部衬砌砼结构形成整体式衬砌的修建方法,还可使隧道内空间增大,视野开阔,对通风照明均有所裨益。更经济耐用,实现内实外美。
(8)围护钻孔灌注桩作为明洞边墙,在钻孔灌注桩壁上喷射混凝土抹平,,不会出现衬砌背后存在一定规模的空洞或空洞回填不密实等问题,用银圭液体陶瓷材料替代瓷砖,不再使用传统的瓷砖和涂料,解决瓷砖易脱落、易碎、难清洗等弊端,且起到了防火作用。
以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案,然其并非用以限制本发明。有关技术领域的普通技术人员,在不脱离本发明的精神和范围的情况下,还可以做出各种变化和变型。因此凡采取等同替换或等效变换的方式所获得的技术方案,均落在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构的施工方法,其特征在于,步骤如下:
1)在隧道浅埋段先放坡开挖,并留置碎落台;然后沿隧道走向在隧道设计边界两侧分别施作一排钻孔灌注桩,作为隧道的围护结构;
2)在钻孔灌注桩顶部浇筑钢筋砼冠梁;
3)在两条钢筋砼冠梁之间支一道钢筋砼横撑;
4)机械开挖上部土体段至设计隧道基坑底,此时将整个基坑围护结构作为单排桩来验算此种不利工况下各项指标是否满足规范要求;然后采用爆破开挖下部岩石段,直至开挖至仰拱外边线底,此时再次将整个基坑围护结构作为单排桩来验算此种不利工况下各项指标是否满足规范要求;
5)以隧道底部支撑的设计位置上缘作为观测点,埋设量测设备对该点的变形位移进行监测;
6)在两种不利工况的各项指标均满足规范要求以及基坑底部观测点变形值未达到预警值的前提下,直接施作仰拱,使仰拱与围护钻孔灌注桩连成一体,进而仰拱回填土石方至设计标高;
7)在明洞上方的钢筋砼横撑上施作拱形顶棚,使拱形顶棚与钢筋砼横撑连接,形成拱形棚式组合明洞结构;
8)围护钻孔灌注桩作为明洞边墙,在钻孔灌注桩靠近明洞一侧的桩壁上喷射混凝土抹平,然后施作银圭液体陶瓷材料作为隧道壁面层。
2.如权利要求1所述的浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构的施工方法,其特征在于,若基坑底部观测点变形值超过预警值,则需要在隧道底部增加底部支撑,以满足围护结构的整体稳定平衡要求。
3.如权利要求1所述的浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构的施工方法,其特征在于,所述的预警值采用《建筑基坑工程监测技术规范》(GB 50497-2009)中深层水平位移监测报警值。
4.如权利要求1所述的浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构的施工方法,其特征在于,两种不利工况下的验算指标包括抗倾覆稳定性验算和抗隆起验算。
5.如权利要求4所述的浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构的施工方法,其特征在于,抗倾覆稳定性的验算公式为:
式中:Ke为嵌固稳定安全系数;
Eak、Epk分别为基坑外侧主动土压力、基坑内侧被动土压力标准值,单位为kN;
aa1、ap1分别为基坑外侧主动土压力合力作用点、基坑内侧被动土压力合力作用点至挡土构件底端的距离,单位为m。
6.如权利要求4所述的浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构的施工方法,其特征在于,抗隆起稳定性的验算公式如下:
Nc、Nq均为地基极限承载力的计算系数,且:
式中:Khe为基坑抗隆起安全系数;
γm1、γm2分别为基坑外、基坑内挡土构件底面以上土的天然重度,单位为kN/m3
对多层土,取各层土按厚度加权的平均重度;
ld为挡土构件的嵌固深度,单位为m;
h为基坑深度,单位为m;
q0为地面均布荷载,单位为kPa;
c、——分别为挡土构件底面以下土的黏聚力,单位为kPa、内摩擦角,单位为度。
7.如权利要求1所述的浅埋隧道基坑围护段拱形棚式组合明洞结构的施工方法,其特征在于,所述的观测点位于基坑底部下方0.5~1m处。
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