CN109611114B - 一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,它包括下列步骤:选择不干扰主路正常交通的地方施作围护结构;在主路施工区域施作预留柱头和顶板结构,并回填土体;在辅路施工区域运用挖掘机配合破碎锤开挖至土岩交界面处,并进行开挖块形区域的划分;利用连续采煤机进行强度较低的地层开挖,利用综合机械化掘进机进行强度较高的地层开挖;在每一区域岩层开挖一段距离后,及时施作底板结构和承重柱结构。本发明解决了土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间施工过程中开挖速度慢、施工质量低的问题,并有效减小了对上方高层建筑和下方既有隧道的扰动影响,保证了施工安全性。

Description

一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法
技术领域
本发明属于城市地下空间工程领域,具体涉及一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法。
背景技术
随着世界经济迅猛发展、城市规模日益扩大、城市化进程不断加快,用地紧张、空间拥挤、交通堵塞、生态失衡、环境恶化等问题接踵而来,这给人们生活带来极大的影响,也制约着社会的进一步发展。在这种情况下,为了实现城市的可持续发展,人们转向对城市地下空间进行开发与利用。近年来,我国在城市地下空间的开发利用上取得了显著的成绩,北京、上海等一些大城市建成了一批具有代表性的地下工程,如地铁车站、交通隧道、地下商业街、地下人防设施等。但是,随着城市地下空间开发规模的扩大,越来越多的问题也暴露出来,例如地上地下空间协调性不足,地下空间之间连通性较差。
在城市高楼林立的繁华地段进行地下空间开挖,不可避免地会受到城市市政道路桥梁规划及建设的限制,使得地下空间下卧既有隧道的情况时常发生。在既有隧道上方开挖地下空间的过程中,周围岩土体的初始平衡状态受到开挖扰动作用而发生改变,这不仅会改变隧道的应力场和位移场,影响隧道的安全运行,而且会引起围护结构的侧向位移和坑底岩土体隆起,导致地层产生不均匀沉降,影响邻近建筑的正常使用。特别是,在土岩复合地层中下卧既有隧道的地下空间开挖过程中,多数工程会采用小药量控制松动爆破法进行岩石的破碎,虽然这种方法能够减小爆破振动作用对既有隧道的不利影响,但是爆破开挖一次进尺过小,并且爆破打眼、装药等工作复杂繁琐,这就造成工程施工速度极为缓慢。
因此,考虑到地下空间的开挖对邻近高层建筑和下卧既有隧道的扰动影响,有必要提出一种安全、可靠、快速的土岩复合地层地下空间开挖方法,并适用于地下空间邻近高层建筑和下卧既有隧道的复杂环境情况。
发明内容
本发明鉴于上述背景技术提出的问题,提出了一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其目的在于保证施工质量,加快施工速度,消除对邻近高层建筑和下卧既有隧道的不利影响。
本发明一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,它主要包括下列步骤:
(1)通过现场实际勘探了解地下岩土情况和周围环境情况,根据岩土情况和环境情况,选择地段内不干扰主路正常交通的地方作为地下空间的边界,并施作地下空间边界的围护结构;
(2)封闭主路交通并改线至辅路通行,在地下空间主路施工区域,运用挖掘机开挖至顶板标高,等间距施工一定数量的预留柱头并在其上方施作顶板结构,然后回填土体至地面,重建主路道路;
(3)开放主路交通,转向辅路施工,在地下空间辅路施工区域,运用挖掘机配合破碎锤开挖至土岩交界面处,在主路和辅路的交界处形成人工土坡;
(4)对地下空间进行开挖块形区域的划分,并依次进行开挖,直至底板标高,其中对岩层和土层运用不同机械设备进行分层开挖;
(5)在每一区域开挖岩层一段距离后,施作地下空间的底板结构,并在预留柱头位置施作承重柱结构,在全部区域开挖完成以后,自下而上施作地下空间其他主体结构。
所述步骤(1)的地下岩土情况是指地下空间位于土岩复合地层中,其中空间上部位于土层和风化岩层中,下部位于硬岩中;所述的周围环境状况是指地下空间上方公路等级为二级及其以上,并且公路两侧近邻众多高层建筑物,下方建有一条正在运营的地铁隧道;所述的围护结构是指地下连续墙、重力式搅拌桩挡墙、桩列式挡墙等挡土防渗承重结构。
进一步,对于强度较高的硬岩层的开挖,由于地下空间底板标高与下卧既有隧道顶板标高相距较小,采取传统的松动爆破法施工会对下卧既有隧道的正常运营产生不利的影响。
进一步,围护结构的埋置深度与地下空间的埋置深度相匹配;围护结构的厚度根据地下空间的埋置深度和侧向压力分布情况进行计算,然后进行钢材型号和泥浆材料的选取。
进一步,当地下空间受到的侧向压力较小时,围护结构顶部不设置水平支撑;当地下空间受到的侧向压力较大时,围护结构顶部设置水平支撑。
所述步骤(2)的预留柱头是指预先埋在顶板下方的地下空间承重柱的柱头;所述的顶板是指与预留柱头铰接的钢筋混凝土覆盖板。
进一步,顶板的宽度与主路的宽度相匹配;顶板的厚度根据回填土体的厚度和上部荷载分布情况进行计算,然后进行钢材型号和泥浆材料的选取。
进一步,对于地下空间的地层开挖,由于预留柱头间距小,采用普通的挖掘机无法满足工作面高度和宽度的限制,会影响预留柱头上方顶板的稳定性。
所述步骤(3)的辅路施工区域是指选择远离下卧既有隧道一侧的辅路作为封闭施工区域;所述的土岩分界面是指土、风化岩等强度较低的地层与硬岩等强度较高的地层的分界面;所述的人工土坡是指经挖掘机配合破碎锤开挖形成的具有倾斜临空面的土体。
所述步骤(4)的开挖块形区域范围划分是指对预留柱头附近块形区域进行划分与编号,且两两不相邻的开挖块形区域用同一号码进行编号;所述的同步开挖是指相同编号的开挖块形区域同时进行开挖,当前编号区域开挖至底板标高,再准备下一编号区域的开挖;所述的分层开挖是指土和风化岩等较低强度的地层作为第一层,而硬岩等较高强度的地层作为第二层。
进一步,当开挖土和风化岩等较低强度的地层时,采用连续采煤机进行开挖;当开挖硬岩等较高强度的地层时,采用综合机械化掘进机进行开挖。
进一步,对于地下空间的地层开挖,由于预留柱头间距小,采用连续采煤机和综合机械化掘进机均能够满足工作面高度和宽度的限制,确保预留柱头上方顶板的稳定性。
进一步,对于辅路施工区域中强度较高的硬岩层的开挖,采用挖掘机配合破碎锤开挖或者采用综合机械化掘进机开挖,二者均能够形成强度较高的硬岩层快速开挖所需的工作面。
进一步,对于强度较高的硬岩层的快速开挖,由于地下空间底板标高与下卧既有隧道顶板标高相距较小,综合化机械掘进机扰动作用小、破岩效果好、施工速度快,避免了对下卧既有隧道的不利影响。
本发明一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法具有如下优点:
(1)在土岩复合地层中的地下空间开挖过程中,根据地层实际情况,连续采煤机和综合机械化掘进机的使用,两种机械设备集掘进、装运、行进等工作为一体,能够快速开挖土层和岩层,有效改善因机械设备单一化造成的施工速度缓慢、施工质量低下的问题;
(2)在下卧既有隧道的地下空间开挖过程中,采用综合机械化掘进机开挖硬岩层,可以有效减小因采用传统的松动爆破法产生的爆破振动作用对上部邻近建筑和下卧既有隧道的不利影响;
(3)连续采煤机和综合机械化掘进机的使用,可以实现较小空间内的切割、行走、转运等工作,解决了挖掘机无法满足工作面宽度限制,减小了开挖块形区域过大对预留柱头上方顶板稳定性的不利影响;
(4)底板浇筑和承重柱施工紧跟着综掘机掘进工作,可以及时为地下空间顶板提供足够的支撑,防止车站顶板因下部土体开挖卸荷产生过大的变形;
(5)在主路与辅路的交界面形成天然土坡,可以有效提高地下空间顶板下方土体的承载力,防止因地下空间开挖卸荷造成的主路地表沉降过大;
(6)在主路施作地下空间顶板并预留柱头,可以快速恢复地下空间上方主路正常的道路运输,避免因改线造成的交通压力,还可以根据预留柱头所在位置对开挖块形区域进行精准同步分层开挖。
附图说明
图1为本发明实施例某地铁车站周边环境示意图;
图2为本发明实施例某地铁车站辅路施工区域开挖过程示意图;
图3为本发明实施例某地铁车站开挖块形区域划分示意图;
图4为本发明实施例某地铁车站硬岩层开挖过程示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例及附图对本发明做进一步详细说明。
某市在道路宽度约30m的繁华路段建立一大型地铁车站,地铁车站长度约50m,宽度约30m,开挖深度约10m,属于超浅埋地铁车站开挖。经勘测,地铁车站中心线上方邻近众多高层建筑,中心线下方偏右约3m位置处有一条已建好的隧道,隧道埋深约13m,主体结构位于粉质粘土层和花岗岩层,地铁车站周边环境示意图如图1所示。
既有隧道资料:既有隧道全长约12km,断面形状为马蹄形,高度约5m,跨度约10m。隧道采用钻眼爆破的方法进行分台阶开挖,采用锚杆+钢筋网+混凝土喷层+钢格栅拱架的形式进行联合支护。
地质勘测资料:地层由土层、风化岩层与硬岩层组成,具有“上软下硬”的地质特点。岩土层自上而下依次为:素填土、粉质粘土、风化花岗岩、未风化花岗岩,土岩交界面距离地表约5m。
地下水文资料:探测区域中地下水主要有松散土层孔隙水和基岩裂隙水两种类型,地下水量丰富,水位年变化幅度小。
结合上述现场勘测资料,本发明实施例地铁车站开挖方法,如下:
第一步,通过现场实际勘探了解地下岩土情况和周围环境情况,根据岩土情况和环境情况,选择地段内不干扰主路正常交通的地方作为地铁车站的边界;选择高度为12m的地下连续墙作为车站围护结构,并根据车站埋置深度和侧向压力分布情况,计算出地下连续墙厚度为0.8m,且不需设置水平支撑;
第二步,封闭主路交通并改线至辅路通行,在地铁车站主路施工区域,运用挖掘机开挖至车站顶板标高,预留柱头,根据岩土情况和环境情况,确定柱头尺寸为0.8m×0.8m,间距为4m×4m;利用未开挖土体作为浇筑混凝土的模板,在预留柱头上方施作高度为0.8m的钢筋混凝土覆盖板,连接方式为铰接;回填土体至地面,重新修建主路道路,恢复主路车道的正常通行,转向远离下卧既有隧道一侧的辅路车道施工,如图2所示;
第三步,在地铁车站辅路施工区域,利用挖掘机配合破碎锤开挖至深度为5m的风化花岗岩层与未风化花岗岩层交界面,并在主路与辅路的交界处形成坡度为60°的人工土坡;
第四步,以预留柱头为中心,将地铁车站划分为12个宽度为4m、高度为10m的块形区域,两两不相邻的块形区域用同一号码进行编号,如图3所示,从开挖I区划分至开挖VI区;
第五步,在辅路施工区域的开挖I区,利用连续采煤机,以人工土坡的坡面为掘进工作面,进行土层和风化花岗岩层快速切割掘进;在辅路施工区域处的土岩交界面,继续利用挖掘机配合破碎锤向下开挖至深度为10m的地铁车站底板处;利用综合机械化掘进机,调整好进刀位置,进行未风化花岗岩层的快速切割掘进;在综掘机掘进岩层6m后,开始浇筑车站的底板结构,并在对应的预留柱头位置施作承重柱结构,如图4所示;
第六步,完成开挖I区的开挖工作后,重复第五步进行开挖II区-开挖VI区的开挖工作;在全部区域开挖完成之后,自下而上施作车站其他主体结构。

Claims (10)

1.一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,包括下列步骤:
(1)通过现场实际勘探了解地下岩土情况和周围环境情况,根据岩土情况和环境情况,选择地段内不干扰主路正常交通的地方作为地下空间的边界,并施作地下空间边界的围护结构;
(2)封闭主路交通并改线至辅路通行,在地下空间主路施工区域,运用挖掘机开挖至顶板标高,等间距施工一定数量的预留柱头并在其上方施作顶板结构,然后回填土体至地面,重建主路道路;
(3)开放主路交通,转向辅路施工,在地下空间辅路施工区域,运用挖掘机配合破碎锤开挖至土岩交界面处,在主路和辅路的交界处形成人工土坡;
(4)对地下空间进行开挖块形区域的划分,并依次进行开挖,直至底板标高,其中对岩层和土层运用不同机械设备进行分层开挖;
(5)在每一区域开挖岩层一段距离后,施作地下空间的底板结构,并在预留柱头位置施作承重柱结构,在全部区域开挖完成以后,自下而上施作地下空间其他主体结构。
2.如权利要求1所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,所述步骤(1)的地下岩土情况是指地下空间位于土岩复合地层中,其中空间上部位于土层和风化岩层中,下部位于硬岩中。
3.如权利要求1所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,所述步骤(1)的周围环境状况是指地下空间上方公路等级为二级及其以上,并且公路两侧近邻众多高层建筑物,下方建有一条正在运营的地铁隧道。
4.如权利要求1所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,所述步骤(2)的预留柱头是指预先埋在顶板下方的地下空间承重柱的柱头;所述的顶板是指与预留柱头铰接的钢筋混凝土覆盖板。
5.如权利要求1所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,所述步骤(3)的辅路施工区域是指选择远离下卧既有隧道一侧的辅路作为封闭施工区域;所述的土岩交界面是指土和风化岩较低强度的地层与硬岩较高强度的地层的交界面。
6.如权利要求1所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,所述步骤(4)的开挖区域范围划分是指对预留柱头附近块形区域进行划分与编号,且两两不相邻的块形区域用同一号码进行编号。
7.如权利要求6所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,相同编号的开挖区域同时进行开挖,当前编号区域开挖至底板标高后,再准备下一编号区域的开挖。
8.如权利要求1所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,所述步骤(4)的分层开挖是指土和风化岩较低强度的地层作为第一层,而硬岩较高强度的地层作为第二层。
9.如权利要求8所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,当开挖土和风化岩较低强度的地层时,采用连续采煤机进行开挖,当开挖硬岩较高强度的地层时,采用综合机械化掘进机进行开挖。
10.如权利要求8所述的一种土岩复合地层下卧既有隧道的地下空间开挖方法,其特征在于,当开挖辅路施工区域中硬岩较高强度的地层时,采用挖掘机配合破碎锤进行开挖。
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