CN108560568A - 一种高填方隧道减载防护结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高填方隧道减载防护结构，包括隧道，原始回填土体；还包括钻孔灌注桩、护拱、顶纵梁、横向拉杆与加固土体；隧道外围的左、右侧设置加固土体，沿隧道长度方向、加固土体内侧均匀布设多个钻孔灌注桩，左、右侧钻孔灌注桩顶部分别设置顶纵梁，左、右侧顶纵梁之间且与钻孔灌注桩对应的位置设置横向拉杆，顶纵梁的上端设置护拱，护拱下面与原始回填土体之间填充有轻质泡沫混凝土；护拱顶部填充有顶部轻质泡沫混凝土；加固土体上面且向外侧延伸设有回填土石。本发明还提供高填方隧道减载防护结构的施工方法。本发明主要用于已有隧道明洞原始回填层以上的二次回填中，它采用灌注桩与护拱结构相结合的结构保护既有隧道，承担上部回填荷载。

Description

一种高填方隧道减载防护结构及其施工方法

技术领域

本发明属于隧道工程及地下工程技术领域，具体地说是一种高填方隧道减载防护结构；本发明还涉及高填方隧道减载防护结构的施工方法。

背景技术

有关高填方隧道减载措施研究方面：在国外，已采用离心模型试验研究了埋设于砂中的柔性填料对箱涵的减载效果，研究结果表明，由于柔性填料的作用使得箱涵上的垂直压力减小了，此外还借助于光弹试验手段证明箱涵上方的成拱原理。其次利用聚苯乙烯块作为减载材料研究了不同填方下刚性涵洞的减载与长期性能，通过长期观测，其观测结果表明作用于涵洞的垂直土压力显著减小。国内已研究的减荷措施主要为通过在涵洞一定范围内铺设压缩性远大于填土的材料以及通过构筑某种“减荷桥”充分发挥填土的拱效应来降低涵顶的竖向土压力。其研究也多以模型研究为依据，得出半经验公式，具有一定的局限性。王晓谋、顾安全等人研究了有关上埋式管道垂直土压力减荷措施，该研究是以室内模型试验为背景，以聚苯乙烯泡沫塑料的柔性材料作为减载材料，研究了柔性材料在填土的重力作用下，通过变形对应力的调整作用，得出了减荷效果与柔性填料的厚度、变形模量、填土高度变化以及管道突出地面的高度等因素变化之间的关系，同时还得出了减荷措施下管道垂直土压力的计算方法等室内试验成果。其次，固化法通过在洞室周围裹上一层刚度较大的固化材料使原本由洞室体系承担的土压力荷载转嫁至固化层来承担，以实现减小洞室结构顶部的土压力的目标。上述研究主要存在以下问题：

1、各种减载措施大多只是从考虑隧道结构本身能否承受荷载考虑，对上部荷载施加下由于地基下沉导致隧道整体沉降变形未充分考虑；

2、采用柔性材料等的塑性垫层法减载机理比较明确，问题是对于塑性层的厚度、压缩模量的计算，垫层沉降量的控制难以把握，因此在工程实际中缺乏可操作性；其次对于柔性材料的耐久性有限，重要交通项目使用年限都是100年，柔性材料失效可能造成对下部隧道结构的破坏；

3、固化法的减载原理是基于提高洞室结构周围填土自身刚度来达到减载目的的方法，该方法存在的主要问题是施工过程比较复杂，固化范围难以精确确定，同时其能够有效减载作用在洞室顶部荷载量的多少难以计算；因此在设计和施工中势必也会带来不可操作性难题。

发明内容

为了克服上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种高填方隧道减载防护结构，本发明的另一目的是提供一种高填方隧道减载防护结构的施工方法；主要解决现有高填方隧道减载措施结构荷载受力不明确、会导致隧道结构整体下沉、减载材料耐久性不能满足要求以及工程可实施性差等难题。

本发明实现上述目的所采用的技术方案如下：一种高填方隧道减载防护结构，包括既有隧道及其隧道外围的原始回填土体；其特征在于：还包括钻孔灌注桩、护拱、顶纵梁、横向拉杆与加固土体；隧道外围的左、右侧设置加固土体，沿隧道长度方向、加固土体内侧（近于隧道中心的一侧，以下同）均匀布设多个钻孔灌注桩，左、右侧钻孔灌注桩顶部分别设置顶纵梁，左、右侧顶纵梁之间且与钻孔灌注桩对应的位置设置横向拉杆，顶纵梁的上端设置护拱，护拱下面与原始回填土体之间填充有轻质泡沫混凝土；护拱顶部填充有顶部轻质泡沫混凝土；加固土体上面且向外侧延伸设有回填土石。

为了防止护拱受力变形后，对下方隧道产生附加荷载，护拱内表面与轻质泡沫混凝土之间预留有变形空间，变形空间填充有聚氨酯等柔性材料。

为加强隧道防水，在回填土石内部沿隧道横截面设置第一硬式透水管，在顶部轻质泡沫混凝土内部沿隧道横截面设置第二硬式透水管，第一硬式透水管与第二硬式透水管连接。

在顶部轻质泡沫混凝土上表面与回填土石上表面设置防水隔离层，并设置一定坡度进行排水。

一种高填方隧道减载防护结构的施工方法；其特征在于按照下述步骤进行：开挖基坑与土体加固、制作钻孔灌注桩与顶纵梁、安装拉杆、制作护拱、护拱内填充、回填土石、护拱顶部填充与设置防水隔离层；具体方法如下：

（1）、开挖基坑与土体加固：从原始回填顶面向下、沿基坑开挖线开挖基坑，基坑深度2m～5m；在基坑底部对既有隧道的两侧土体进行加固，制作出加固土体；材料和方式可根据地层情况选择；

（2）、制作钻孔灌注桩与顶纵梁：在两侧加固土体内侧、沿隧道长度方向均匀制作钻孔灌注桩，且在钻孔灌注桩的顶部制作顶纵梁，并在两侧顶纵梁内侧预留拉杆嵌固接口；

（3）、安装拉杆：在顶纵梁之间、拉杆嵌固接口位置设置横向拉杆；

（4）、制作护拱：在顶纵梁上表面制作护拱；

（5）、护拱内填充：护拱内部填充轻质泡沫混凝土，且护拱内表面与轻质泡沫混凝土之间预留出变形空间，并在变形空间填充聚氨酯等柔性材料。

（6）、回填土石：护拱两侧沿回填分界线外侧用普通土石进行二次回填，制作出回填土石结构；采用对称分层碾压回填，并在回填土石结构内、护拱的上方沿隧道横截面设置第一硬式透水管。

（7）、护拱顶部填充：在护拱顶部回填分界线内侧二次回填顶部轻质泡沫混凝土，并在顶部轻质泡沫混凝土内沿横截面设置第二硬式透水管，将第二硬式透水管与回填土石结构内设置的第一硬式透水管连接。

（8）、设置防水隔离层：二次回填普通土石与二次回填顶部轻质泡沫混凝土的上面设置防水隔离层，并设置向一侧倾斜的坡度i%进行排水。

本发明提供的隧道高填方减载主要用于已有隧道明洞原始回填层以上的二次回填中，适用于铁路、公路、地铁、市政、冶金、煤炭、水电、水利、人防、国防等隧道、巷道、坑道等地下隧道应用。本发明采用灌注桩与护拱结构相结合的结构形式保护既有隧道，承担上部回填荷载。即在既有回填标高处设置护拱，护拱将后续填土荷载通过顶纵梁传递给桩基，以达到高填方回填，保护下方既有隧道的目的。本发明有益效果主要是：

1、不对既有隧道增加任何荷载，增加的部分荷载可根据下挖基坑的深度进行置换；不会引起隧道结构受荷下沉；

2、灌注桩+护拱形式结构受力明确,安全可靠；

3、不会影响既有隧道的正常使用，保证营业线正常运营；

4、可调整护拱和桩的结构尺寸满足不同高度回填要求；

5、轻质泡沫混凝土具有容重小、耐久性高、自密性好等特点；

6、施工简便，周期较短。

附图说明

图1是本发明横断面的结构示意图；

图2是本发明的平面结构示意图；

图3是图1的A—A剖面图；

图4是开挖基坑与土体加固的结构示意图；

图5是制作钻孔灌注桩与顶纵梁的结构示意图；

图6是安装拉杆的结构示意图；

图7是制作护拱的结构示意图；

图8是护拱内填充的结构示意图；

图9是回填土石的结构示意图；

图10是护拱顶部填充的结构示意图；

图11是设置防水隔离层的结构示意图。

图中：1—既有隧道，2—开挖边坡线，3—原始回填土体，4—原始回填顶面，5—原始开挖线，6—现状地面边坡，7—加固土体，8—钻孔灌注桩，9—顶纵梁，10—横向拉杆，11—护拱，12—轻型泡沫混凝土，13—柔性材料，14—回填土石结构，15—回填分界线，16—第一硬式透水管，17—防水隔离层，18—顶部轻质泡沫混凝土，19—第二硬式透水管，i%—坡度。

具体实施方式

隧道高填方减载常用于已有隧道明洞原始回填层以上的二次回填中，常见的隧道明洞开挖及回填方式参见图1，从隧道两侧沿原始开挖线5开挖基坑，在基坑内进行隧道施工，待隧道施工完成，在其上进行原始回填构成原始回填土体3，回填至原始回填顶面4。原始回填顶面4以上的两侧刷坡线为现状地面边坡6。下面将结合附图对本发明提供的技术方案进行进一步的描述。

结构实施例；如图1、图2与图3所示：一种高填方隧道减载防护结构，包括既有隧道1及其隧道外围的原始回填土体3；还包括钻孔灌注桩8、护拱11、顶纵梁9、横向拉杆10与加固土体7；隧道1外围的左、右侧设置加固土体7，沿隧道1长度方向、加固土体7内侧均匀布设多个钻孔灌注桩8，左、右侧钻孔灌注桩8顶部分别设置顶纵梁9，左、右侧顶纵梁9之间且与钻孔灌注桩8对应的位置设置横向拉杆10，顶纵梁9的上端设置护拱11，护拱11下面与原始回填土体3之间填充有轻质泡沫混凝土12；护拱11顶部填充有顶部轻质泡沫混凝土18；加固土体7上面且向外侧延伸设有回填土石结构14。

护拱11内表面与轻质泡沫混凝土12之间预留有变形空间，变形空间填充有柔性材料13，柔性材料13是聚氨酯等；以防止护拱受力变形后，对下方隧道产生附加荷载。

为加强隧道防水，在回填土石结构14内部沿隧道横截面设置第一硬式透水管16，在顶部轻质泡沫混凝土18内部沿隧道横截面设置第二硬式透水管19，第一硬式透水管16与第二硬式透水管连接19。

在顶部轻质泡沫混凝土18上表面与回填土石结构14上表面设置防水隔离层17，并设置有向一侧倾斜的坡度i%进行排水；坡度i为1～3。

方法实施例；一种高填方隧道减载防护结构的施工方法；按照下述步骤进行：

步骤1、开挖基坑与土体加固：参见图4； 从原始回填顶面向下、沿基坑开挖线2开挖基坑，基坑深度2m～5m；在基坑底部对既有隧道1的两侧土体进行加固，制作出加固土体7；制作加固土体7材料和方式根据地层情况选择。

步骤2、制作钻孔灌注桩与顶纵梁：参见图5；在两侧加固土体7内侧、沿隧道长度方向均匀制作钻孔灌注桩8，且在钻孔灌注桩8的顶部制作顶纵梁9，并在两侧顶纵梁9内侧预留拉杆嵌固接口。

步骤3、安装拉杆：参见图6与图2；在顶纵梁9之间、拉杆嵌固接口位置设置横向拉杆10；施工采用拉槽开挖施工，横向拉杆10可选用钢筋混凝土或钢结构，嵌固于两侧顶纵梁9之间。

步骤4、制作护拱：参见图7；在顶纵梁9上表面制作护拱11。

步骤5、护拱内填充：参见图8；护拱11内部填充轻质泡沫混凝土12，且护拱11内表面与轻质泡沫混凝土之间预留出变形空间，并在变形空间填充聚氨酯等柔性材料13。

步骤6、回填土石：参见图9；护拱结构11两侧沿回填分界线15外侧用普通土石进行二次回填，制作出回填土石结构14；采用对称分层碾压回填，并回填土石结构内、护拱的上方沿隧道横截面设置第一硬式透水管16。

步骤7、参见图10；护拱顶部填充：在护拱11顶部回填分界线15内侧二次回填顶部轻质泡沫混凝土18，并在顶部轻质泡沫混凝土18内沿横截面设置第二硬式透水管19，将第二硬式透水管19与土石回填部分设置的第一硬式透水管16连接。

步骤8、设置防水隔离层：参见图11；在二次回填的回填土石结构14与二次回填的顶部轻质泡沫混凝土18的上面设置防水隔离层17，并设置出向一侧倾斜的坡度i%进行排水。

Claims (6)

1.一种高填方隧道减载防护结构，包括既有隧道及其隧道外围的原始回填土体；其特征在于：还包括钻孔灌注桩（8）、护拱（11）、顶纵梁（9）、横向拉杆（10）与加固土体（7）；隧道（1）外围的左、右侧设置加固土体（7），沿隧道（1）长度方向、加固土体（7）内侧均匀布设多个钻孔灌注桩（8），左、右侧钻孔灌注桩（8）顶部分别设置顶纵梁（9），左、右侧顶纵梁（9）之间且与钻孔灌注桩（8）对应的位置设置横向拉杆（10），顶纵梁（9）的上端设置护拱（11），护拱（11）下面与原始回填土体（3）之间填充有轻质泡沫混凝土（12）；护拱（11）顶部填充有顶部轻质泡沫混凝土（18）；加固土体（7）上面且向外侧延伸设有回填土石结构（14）。

2.如权利要求1所述的一种高填方隧道减载防护结构，其特征在于：护拱（11）内表面与轻质泡沫混凝土（12）之间预留有变形空间，变形空间填充有柔性材料（13）。

3.如权利要求2所述的一种高填方隧道减载防护结构，其特征在于：柔性材料（13）是聚氨酯。

4.如权利要求1至3任意一项所述的一种高填方隧道减载防护结构，其特征在于：在回填土石结构（14）内部沿隧道横截面设置第一硬式透水管（16），在顶部轻质泡沫混凝土（18）内部沿隧道横截面设置第二硬式透水管（19），第一硬式透水管（16）与第二硬式透水管连接（19）。

5.如权利要求4所述的一种高填方隧道减载防护结构，其特征在于：在顶部轻质泡沫混凝土（18）上表面与回填土石结构（14）上表面设置防水隔离层（17），并设置有向一侧倾斜的坡度i%。

6.一种高填方隧道减载防护结构的施工方法；其特征在于按照下述步骤进行：开挖基坑与土体加固、制作钻孔灌注桩与顶纵梁、安装拉杆、制作护拱、护拱内填充、回填土石、护拱顶部填充与设置防水隔离层；具体方法如下：

（1）、开挖基坑与土体加固：从原始回填顶面向下、沿基坑开挖线开挖基坑，基坑深度2m～5m；在基坑底部对既有隧道的两侧土体进行加固，制作出加固土体；材料和方式可根据地层情况选择；

（2）、制作钻孔灌注桩与顶纵梁：在两侧加固土体内侧、沿隧道长度方向均匀制作钻孔灌注桩，且在钻孔灌注桩的顶部制作顶纵梁，并在两侧顶纵梁内侧预留拉杆嵌固接口；

（3）、安装拉杆：在顶纵梁之间、拉杆嵌固接口位置设置横向拉杆；

（4）、制作护拱：在顶纵梁上表面制作护拱；

（5）、护拱内填充：护拱内部填充轻质泡沫混凝土，且护拱内表面与轻质泡沫混凝土之间预留出变形空间，并在变形空间填充聚氨酯等柔性材料；

（6）、回填土石：护拱两侧沿回填分界线外侧用普通土石进行二次回填，制作出回填土石结构；采用对称分层碾压回填，并在回填土石结构内、护拱的上方沿隧道横截面设置第一硬式透水管；

（7）、护拱顶部填充：在护拱顶部回填分界线内侧二次回填顶部轻质泡沫混凝土，并在顶部轻质泡沫混凝土内沿横截面设置第二硬式透水管，将第二硬式透水管与回填土石结构内设置的第一硬式透水管连接；

（8）、设置防水隔离层：二次回填普通土石与二次回填顶部轻质泡沫混凝土的上面设置防水隔离层，并设置向一侧倾斜的坡度i%进行排水。