CN108868778A - 一种大型地下结构非开挖修建方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型地下结构非开挖修建方法，包括沿地下结构顶板及部分侧墙轮廓外打设纵向管幕；在管幕下施工纵向导洞，在纵向导洞内施工围护桩和冠梁；在纵向导洞内对应中间立柱的位置开挖横向导洞，在横向导洞内施工中间立柱及桩基，其后在横向导洞内施工地下结构的顶横梁，顶横梁与中间立柱锚固，两端搭设在围护桩的冠梁上，并与管幕顶紧；然后进行地下结构的开挖和施工。本发明工艺简单、施工风险低、机械化作业程度高、施工速度快、工程造价低，可用于多层多跨大型地下结构的非开挖修建；本发明可应用于超浅埋、重要交叉路口、饱和软土等对地层变形极其敏感环境条件下大型地下结构的非开挖施工。

Description

一种大型地下结构非开挖修建方法

技术领域

本发明涉及一种以非开挖方式修建大型地下结构的施工方法，尤其涉及一种在超浅埋、重要交叉路口、饱和软土等对地层变形极其敏感环境条件下采用非开挖方式修建地铁车站等多层多跨大型地下结构的方法。

背景技术

目前，国内暗挖修建土层中大型地下结构的常用施工方法主要有中洞法、侧洞法、柱洞法和双侧壁导坑法等分部开挖法和洞桩法，由于分部开挖法存在断面利用率低、临时支撑多、施工作业面小、土方主要为人工开挖，施工进度慢、地表沉降控制效果差等缺点，在地铁车站等多层多跨大型地下结构的暗挖工法选择上已基本上被表现更好的洞桩法所取代。而洞桩法对地下结构覆土埋深仍有较为苛刻的要求，拱部覆土不宜小于6m，并存在受力体系转换频繁，开马头门风险高，拱架节点连接困难，扣拱作业风险高，施工工序多，工作面多，相互干扰，施工组织复杂，拱顶防水质量差，作业环境差等一系列问题，而且洞桩法的地表沉降往往超过数十毫米甚至上百毫米，如想进一步降低洞桩工法对地表沉降的影响，必须加大埋深，但过大的埋深将增加基础的设计难度和工程风险，同时会极大的增加降水难度和工程造价。而且上述工法均要求地层有一定的自稳能力，多应用于对地表沉降不是十分苛刻的一般地段，在覆土要求超浅埋、重要交叉路口（如与铁路、城市轨道交通、快速路、高速公路、河道、机场、基础条件较差建筑物、大型地下构筑物等立体交叉位置）或者饱和软土地区等对地层变形极为敏感的环境条件下，包括洞桩法在内的传统浅埋暗挖法工法基本不具可行性或者说采用传统浅埋暗挖法的代价过高。

为解决饱和软土或者敏感环境条件下地下结构暗挖施工的难题，国内在上海、北京、台湾等地采用了管幕+箱涵顶进或者管幕+临时内支撑的工法进行了跨路口、下穿河道、下穿机场的地下结构施工，该类工法掌子面一般暴露较高，变形难以控制，往往需要辅以较大范围的全断面地层加固措施，进行分仓或者分台阶开挖；箱涵顶进法施工精度要求高，地表沉降控制不十分理想；临时内支撑法支撑密集，拆除长度不能太长，施工缝较多，或者临时支撑浇筑在内衬结构内，影响结构整体质量和防水性；地下结构四周均需打设管幕，封闭成环，管幕均为临时超前支护结构，工程废弃量较大，造价较高。该类工法一般只适用于长度较短的单层地下结构施工，很难适用于地铁车站等多层多跨大型地下结构的施工。

近年，国内沈阳地区在借鉴吸收国外管幕工法的同时，改进创造了我国的管幕预筑工法以及STS管幕工法，并成功应用于复杂环境条件下暗挖地铁车站的修建。管幕预筑工法是在拟建地下工程设定的轮廓位置顶进密排大直径（2m左右）钢管群，管间连通后在钢管和管间构筑钢筋混凝土永久结构，并在其保护下开挖土方、施工内部结构，最终形成地下空间的一种建造方法。但是管幕预筑法存在以下问题：

1.钢管直径大，钢管数量多，工程造价高。顶进过程施工精度要求高，否则群管顶进累计偏差大、累计沉降大。采用大跨拱形结构，对覆土厚度仍有一定限制要求，车站空间应用率比较低。如采用平顶直墙结构，一般只适用于单层地下结构，多层多跨平顶直墙结构施工风险高。

2.钢管间的连通需要进行大面积的钢管切割、焊接及切口支护作业，施工环境恶劣，人工作业强度大，焊接质量要求高，而且易扰动周边土体引起地层沉降。

3.钢管内钢筋密集，主受力方向为环向，环向钢筋穿插、连接不方便；预筑混凝土作为主体结构，管内浇筑混凝土密实度要求高；钢板作为结构外包防水层，对钢板防锈、切口焊缝防渗质量要求高。

STS管幕工法是在拟建地下工程设定的轮廓外侧顶进直径800mm~1000mm的带翼缘板密排钢管群，钢管间通过高强螺栓进行横向连接，钢管间土体掏空，钢管内部和管幕间空间灌注混凝土形成整体板墙结构，在管幕支护结构的保护下，利用导洞、人工挖孔施工车站顶纵梁、中柱结构对管幕顶板进行支撑减跨，再采用盖逆作法施工车站余下结构。该工法存在以下问题：

1.钢管尺寸相对较小，管间掏土与横向连接均在管内施工，施工环境很差、人工作业强度大、施工效率很低、施工质量难以保证。

2.钢管上翼缘板不能焊接、下翼缘板焊接质量差，管间土往往难以掏除干净，钢管间仅靠环向不连续的高强螺栓连接，管幕结构横向抗弯承载能力有限，施工质量如控制不好，地表沉降较大。

3. 依靠钢管间环向不连续的高强螺栓连接提供横向承载力，不能有效利用管幕纵向刚度，钢管尺寸相对覆土荷载偏大，钢管及其内部高强螺栓、混凝土均为临时构件，工程废弃量较多。

发明内容

本发明为解决现有技术存在的问题而提出，其目的是提供一种施工风险低、对周边环境影响小、施工工效快、工程造价相对较低的大型地下结构非开挖修建方法。

本发明的技术方案是：一种大型地下结构非开挖修建方法，包括以下步骤：

ⅰ.施工中间立柱和桩基础，中间立柱采用钢管混凝土柱；

ⅱ.在地下结构两端明挖、盖挖或者横向管幕支护的暗挖工作室内沿地下结构顶板及部分侧墙轮廓外打设纵向管幕，管幕内浇筑混凝土；

ⅲ.在管幕下施工纵向导洞，开挖纵向导洞前对基底进行地基改良，随着开挖向前推进对纵向导洞进行临时支护，在完成支护的纵向导洞内施工围护桩和冠梁；

ⅳ.在纵向导洞内对应于中间立柱的位置开挖横向导洞，开挖前对横向导洞两侧土体进行地基改良，横向导洞截面与横梁形状相适应，开挖过程对横向导洞进行临时支护，横向导洞完成后及时施工地下结构的顶横梁，顶横梁与中间立柱锚固，两端搭设在围护桩的冠梁上，并与管幕顶紧；横向导洞及其内部结构的施工分批跳孔进行；

ⅴ.拆除地下结构范围内导洞临时支护，逐层施工地下结构的余下结构。

所述步骤ⅴ中余下结构的施工方法为顺作法或逆作法。

所述管幕内插型钢或者钢筋笼使管幕能达到与地下主体结构同等的耐久性要求，管幕可以作为地下结构的永久顶板，施作内衬顶板进行防水。

所述步骤ⅰ中中间立柱和桩基础在地面施工或在步骤ⅳ中的横向导洞内施工。

所述纵向导洞满足围护桩和冠梁的施工空间要求；横向导洞满足绑扎横梁钢筋的施工空间要求，中间立柱和桩基在横向导洞施工的满足相关工艺施工空间要求。

所述步骤ⅲ、ⅳ中的导洞可以为地下结构无下方环境制约的单层上导洞或为地下结构有下方环境制约的上、下双层导洞组合。

所述下层导洞内施作底梁，所述底梁作为围护桩和中间立柱的基础。

同时采取上、下双层导洞时，中间立柱和围护桩采用人工挖孔法，中间立柱或围护桩相关构件从下层导洞运入并吊起入位，降低对上层导洞施工空间要求。

对于桩基础承载力较低的软弱地层，中间立柱的桩基础可采用扩底桩、后注浆等技术提高桩基础承载力和抗沉降能力。

对于饱和软土地层，在管幕间锁口空隙内注入止水填充剂达到管幕止水要求，纵向导洞、横向导洞施工前对导洞及周边一定范围土体进行注浆加固提高地基承载力和达到无水开挖作业要求。

本发明的有益效果如下：

1.与传统暗挖工法相比，本方法对地下结构覆土埋深要求不高，可应用于超浅埋平顶直墙大跨地下结构的非开挖施工；免去了开马头门、扣拱作业，施工风险大幅降低；顶横梁完成后即可进行地下结构的大断面开挖施工，工序简单，机械化作业程度高，施工速度快；中间立柱和顶横梁为永久结构，受力转换次数少，临时型钢支护可以回收利用，工程废弃量少，工程造价相对更低。。

2.与目前管幕工法相比，本方法仅在顶板轮廓外顶进钢管，钢管顶进根数有限，对土体扰动较少、钢管顶进累计偏差和累计沉降较少，管幕间无需横向连接要求，无需管内人工作业，避免了目前管幕方法中钢管顶进精度要求高、施工环境恶劣、人工劳动强度大等问题；充分利用管幕纵向抗弯刚度，管幕尺寸较小，而且管幕内插型钢或钢筋笼满足耐久性要求时可作为永久顶板结构，工程废弃量少，工程造价低。

3.本方法管幕、桩（柱）、和横梁共同组成强支护体系，结构刚度大，管幕采用非开挖方式施工，其余各构件均在地面或者管幕保护下的微型导洞内完成，施工安全可靠，施工过程未对土体产生明显的扰动，最大限度维持了地层的最初平衡状态，能有效防止地层出现较大应力释放和地表沉降，对周边环境影响很小，能应用于对变形极为敏感、高风险地段的暗挖法施工。辅以有限的地层注浆加固及止水措施，可以应用于饱和软土地区大型地下结构的暗挖施工，解决了饱和软土地区不能暗挖或者暗挖代价太大的问题。

附图说明

图1 是本发明中地下结构实施例一的平面图；

图2 是本发明中地下结构实施例一的纵面图；

图3~8 是本发明中地下结构实施例一的施工工序图；

图9 是本发明中地下结构实施例二的平面图；

图10 是本发明中地下结构实施例二的纵面图；

图11 是本发明中地下结构实施例二的横剖面图；

图12 是本发明中地下结构实施例三的纵面图；

图13 是本发明中地下结构实施例三的横剖面图；

图14 是本发明中地下结构实施例四的纵面图；

图15 是本发明中地下结构实施例四的横剖面图；

图16 是本发明中地下结构实施例五的横剖面图。

具体实施方式

以下，参照附图和实施例对本发明进行详细说明：

如图1~16所示，一种大型地下结构非开挖修建方法，包括以下步骤：

ⅰ.施工中间立柱和桩基础，中间立柱采用钢管混凝土柱；

ⅱ.在地下结构两端明挖、盖挖或者横向管幕支护的暗挖工作室内沿地下结构顶板及部分侧墙轮廓外打设纵向管幕，管幕内浇筑混凝土；

ⅲ.在管幕下施工纵向导洞，开挖纵向导洞前对基底进行地基改良，随着开挖向前推进对纵向导洞进行临时支护，在完成支护的纵向导洞内施工围护桩和冠梁；

ⅳ.在纵向导洞内对应于中间立柱的位置开挖横向导洞，开挖前对横向导洞两侧土体进行地基改良，横向导洞截面与横梁形状相适应，开挖过程对横向导洞进行临时支护，横向导洞完成后及时施工地下结构的顶横梁，顶横梁与中间立柱锚固，两端搭设在围护桩的冠梁上，并与管幕顶紧；横向导洞及其内部结构的施工分批跳孔进行；

ⅴ.拆除地下结构范围内导洞临时支护，逐层施工地下结构的余下结构。

所述步骤ⅴ中余下结构的施工方法为顺作法或逆作法。

所述管幕内插型钢或者钢筋笼使管幕能达到与地下主体结构同等的耐久性要求，管幕可以作为地下结构的永久顶板，施作内衬顶板进行防水。

所述步骤ⅰ中中间立柱和桩基础在地面施工或在步骤ⅳ中的横向导洞内施工。

所述纵向导洞满足围护桩和冠梁的施工空间要求；横向导洞满足绑扎横梁钢筋的施工空间要求，中间立柱和桩基在横向导洞施工的满足相关工艺施工空间要求。

所述步骤ⅲ、ⅳ中的导洞可以为地下结构无下方环境制约的单层上导洞或为地下结构有下方环境制约的上、下双层导洞组合。

所述下层导洞内施作底梁，所述底梁作为围护桩和中间立柱的基础。

同时采取上、下双层导洞时，中间立柱和围护桩采用人工挖孔法，中间立柱或围护桩相关构件从下层导洞运入并吊起入位，降低对上层导洞施工空间要求。

对于桩基础承载力较低的软弱地层，中间立柱的桩基础可采用扩底桩、后注浆等技术提高桩基础承载力和抗沉降能力。

对于饱和软土地层，在管幕间锁口空隙内注入止水填充剂达到管幕止水要求，纵向导洞、横向导洞施工前对导洞及周边一定范围土体进行注浆加固提高地基承载力和达到无水开挖作业要求。

实施例一

如图1~3所示，临时占用4~6m宽路面，即围挡1~2条机动车道，避开主要市政管线施工车站中间立柱桩基础和中间立柱，可利用两侧非机动车道或者绿化带进行交通疏解，中间立柱横向分批施工，确保不会对路面和交通流量产生明显的影响。所述中间立柱为钢管柱，钢管柱顶进行包封处理，周边空隙采用碎石回填密实，管幕重叠范围回填水泥砂浆，确保回填密实度，恢复路面。

如图4所示，在两端盖挖或者管幕支护的暗挖工作室内沿顶板结构轮廓外纵向打设管幕，管幕内浇筑自密实混凝土。

管幕直径主要根据上方荷载确定，为降低管幕施工对周边环境的影响，管幕尺寸不宜太大，建议采用直径400mm~800mm钢管为宜，上方荷载较大时可以在管幕内部插入型钢提高其承载能力。

如图5所示，管幕就位后，在管幕下施工纵向导洞，纵向导洞内施工围护桩和冠梁，并对横导洞两侧地层预注浆加固。纵向导洞尺寸应尽可能小，净宽可取3m左右，净高可取4m左右。纵向导洞格栅采用型钢，型钢安装时须与管幕密贴，脚部必须以方木或钢板等支垫牢固，严禁悬空，迎土侧进行预注浆加固或补偿注浆加固，并及时挂网喷混支护。

如图6所示，对应中间立柱位置进行横向导洞开挖，及时施工顶横梁（含部分顶板结构），横梁中间锚固在中间立柱上，两端搭设在冠梁上，必要时可以与冠梁甩筋锚固。

横向导洞尺寸大小直接影响管幕的受力长度和变形大小，尺寸越小越好，以满足人工开挖和绑扎横梁钢筋为主，净宽可取3m左右，净高可取2m左右，并及时对迎土面挂网喷混支护。横向导洞开挖及横梁施工分批跳孔施工。

顶横梁应浇筑密实，并预留注浆孔进行回填注浆，使之与管幕顶紧。为避免横梁影响车站内部管线通行，根据需要横梁可以采用劲性钢骨混凝土，降低横梁截面尺寸。

如图7~图8所示，顶横梁和顶板达到设计强度后，采用逆作法施工车站余下结构，所述余下结构包括侧墙、中板、中板梁和底板、底板梁。

从上述各步骤可以看出，中间立柱在地面施工，保证了桩柱垂直度、施工质量，提高了施工进度。围护桩和横梁施工均在管幕保护下施工，安全可靠，纵向导洞临时支护间距可以适当放宽，横向导洞尺寸小，无需格栅支护，施工速度快。联合支护体系结构刚度大，各构件施工过程不会对地层产生明显的扰动，中间立柱和顶横梁作为永久结构，无明显的受力转换过程，整个施工过程尽可能的维持了地层的最初平衡状态，能有效的防止地层出现较大应力释放和地表沉降。除了纵向导洞部分型钢格栅需要拆除外，无其他拆除量，且型钢格栅可以回收利用，工程浪费较少。在管幕保护下，除了小尺寸横向导洞需要人工作业外，其他施工均可以机械化作业，降低了人工劳动强度。与传统暗挖法和目前管幕方法相比，在施工难度、施工风险、施工工期、工程造价、人工作业环境和强度、周边环境变形控制等方面优势明显。

实施例二

如图9~11所示，当需要施作的大型地下结构受地面条件制约，如地下结构位于重要交叉路口下方，地下结构上方有轨道交通、高速公路、快速道、无法拆迁的建筑物、大型地下构筑物等情况时，管幕从两端明挖或盖挖基坑内打设，中间立柱转入横导洞内施工。

为避免横向导洞尺寸过高，采用人工挖孔技术施工中间立柱桩基础，横向导洞尺寸与实例一相当，净高2m左右，净宽3m左右，并将上段人工挖孔尺寸适当调大，直径2.5m左右，满足钢筋笼和钢管柱斜向下料要求，避免分节过短，桩基础采用扩底形式提高承载力和抗沉降能力。由于横导洞作业时间比实施例一要长，导洞内采取一定的临时支护措施，格栅采用型钢封闭成环，间距与管幕间距一致，并与之顶紧，两侧土体必要时进行注浆加固。

其余步骤与实施例一相同。

实施例三

如图12~13所示，在实施例二的基础上，如果地质条件限制采用人工挖孔技术时，横向导洞内采取机械成孔施工中间立柱时，导洞尺寸适当调整，净高4m左右，净宽3m左右，对横向导洞间土体进行预注浆加固。

其余步骤与实施例二相同。

实施例四

如图14~15所示，当大型地下结构受下方环境条件制约，如下方存在即有地下构筑物或为远期盾构预留下穿条件时，不能像实施例一、实施例二、实施例三中施作立柱桩基础时，管幕就位后施工下层纵向导洞，导洞内施作底纵梁作为围护桩和钢管混凝土柱的条形基础代替桩基础。

采取下层纵向导洞时，中间立柱和围护桩采用人工挖孔技术，柱中间立柱和围护桩相关构件均从下层纵向导洞运入并吊起定位，故对上边纵向导洞和上横向导洞的尺寸要求不高，横导洞尺寸与实施例一相当，净高2m左右，净宽3m左右，对管幕承载范围和周边环境影响很小。

其余步骤与实施例一相同。

实施例五

如图16所示，本实施例地下结构顶板采用拱形结构，按一定间距设置拱形顶横梁，在拱脚处施工纵向导洞，纵向导洞采用小导管或者管棚超前支护，除了无需施工中间立柱和立柱基础外，施工步骤与前述实施例相同。

施工中间立柱和基础是前述实施例的一个重点和难点，在地面施工立柱需要进行一定的交通疏解，在管幕下横向导洞施工，施工空间狭小，环境相对较差，而且立柱施工垂直度要求较高。本实施采用拱形无柱结构，避免了这些难点，简化了施工步序，提高了施工工效，降低了施工难度，施工空间更大。同时，地下结构采用无柱拱形结构，可以为地下空间创造更为开阔、舒适、健康、人性化的空间环境。

具体采用上述哪种实施例方法，应结合地质条件、环境条件、施工技术条件进行综合比选确定。

Claims (10)

1.一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：包括以下步骤：

（ⅰ）施工中间立柱和桩基础，中间立柱采用钢管混凝土柱；

（ⅱ）在地下结构两端明挖、盖挖或者横向管幕支护的暗挖工作室内沿地下结构顶板及部分侧墙轮廓外打设纵向管幕，管幕内浇筑混凝土；

（ⅲ）在管幕下施工纵向导洞，开挖纵向导洞前对基底进行地基改良，随着开挖向前推进对纵向导洞进行临时支护，在完成支护的纵向导洞内施工围护桩和冠梁；

（ⅳ）在纵向导洞内对应于中间立柱的位置开挖横向导洞，开挖前对横向导洞两侧土体进行地基改良，横向导洞截面与横梁形状相适应，开挖过程对横向导洞进行临时支护，横向导洞完成后及时施工地下结构的顶横梁，顶横梁与中间立柱锚固，两端搭设在围护桩的冠梁上，并与管幕顶紧；横向导洞及其内部结构的施工分批跳孔进行；

（ⅴ）拆除地下结构范围内导洞临时支护，逐层施工地下结构的余下结构。

2.根据权利要求1所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：所述步骤（ⅴ）中余下结构的施工方法为顺作法或逆作法。

3.根据权利要求1所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：所述管幕内插型钢或者钢筋笼使管幕能达到与地下主体结构同等的耐久性要求，管幕可以作为地下结构的永久顶板，施作内衬顶板进行防水。

4.根据权利要求1所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：所述步骤（ⅰ）中中间立柱和桩基础在地面施工或在步骤（ⅳ）中的横向导洞内施工。

5.根据权利要求1所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：所述纵向导洞满足围护桩和冠梁的施工空间要求；横向导洞满足绑扎横梁钢筋的施工空间要求，中间立柱和桩基在横向导洞施工的满足相关工艺施工空间要求。

6.根据权利要求1所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：所述步骤（ⅲ）、（ⅳ）中的导洞可以为地下结构无下方环境制约的单层上导洞或为地下结构有下方环境制约的上、下双层导洞组合。

7.根据权利要求6所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：所述下层导洞内施作底梁，所述底梁作为围护桩和中间立柱的基础。

8.根据权利要求6所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：同时采取上、下双层导洞时，中间立柱和围护桩采用人工挖孔法，中间立柱或围护桩相关构件从下层导洞运入并吊起入位，降低对上层导洞施工空间要求。

9.根据权利要求1所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：对于桩基础承载力较低的软弱地层，中间立柱的桩基础可采用扩底桩、后注浆等技术提高桩基础承载力和抗沉降能力。

10.根据权利要求1所述的一种大型地下结构非开挖修建方法，其特征在于：对于饱和软土地层，在管幕间锁口空隙内注入止水填充剂达到管幕止水要求，纵向导洞、横向导洞施工前对导洞及周边一定范围土体进行注浆加固提高地基承载力和达到无水开挖作业要求。