CN109882209B - 欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构和施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构和施工方法，涉及隧道施工领域，主要包括灌注桩和支护结构，所述灌注桩与所述支护结构自中部向两侧分别通过连接节点相连成整体，该连接节点包括拱肩连接节点、拱腰连接节点和仰拱连接节点；所述灌注桩位于支护结构下方，所述灌注桩打设钻孔至基岩，所述灌注桩自连接节点的设计标高向下至基岩灌注混凝土形成，连接节点的设计标高以上的钻孔回填砂石料，在提高施工效率的前提下，有效消除了欠固结地层施工时所带来的隧道局部甚至整体沉降和围岩变形所带来的不利影响，提高了施工和运营阶段的稳定性。

Description

欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构和施工方法

技术领域

本发明涉及一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构和施工方法，主要涉及隧道施工领域。

背景技术

在开挖隧道的工程建设中，很容易遇到松散堆积土、回填土等欠固结土层的情况，致使在隧道开挖过程中出现隧道的整体或局部性的沉降，在隧道开挖和支护过程中，存在支护强度不够、隧道围岩发生大变形、支护结构破坏等问题，为隧道支护结构的安全和运营的稳定带来了极大的威胁。

为了解决这种特殊的欠固结地层下穿隧道的沉降问题，多采用洞内桩基加固：即在隧道仰拱开挖完成后在洞内施做桩基础至下部基岩。这类工法能够保证隧道衬砌结构施工和运营阶段的安全，但是，由于隧道内作业空间有限，洞内桩基加固工序势必给隧道开挖、支护等工序带来较大干扰，进而延长施工工期、增加工程造价。此外，从隧道断面开挖到初期支护封闭成环并架设于下面桩基之上时，通常需要一定的时间才能完成，而这段时间差内的支护结构沉降和围岩变形发展较快，较难得到有效控制。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明提出一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构和施工方法，在提高施工效率的前提下，有效消除了欠固结地层施工时所带来的隧道局部甚至整体沉降和围岩变形所带来的不利影响，提高了施工和运营阶段的稳定性。

为达到上述目的，本发明的技术方案是：包括灌注桩和支护结构，所述灌注桩与所述支护结构自中部向两侧分别通过连接节点相连成整体，该连接节点包括拱肩连接节点、拱腰连接节点和仰拱连接节点；所述灌注桩位于支护结构下方，所述灌注桩打设钻孔至基岩，所述灌注桩自连接节点的设计标高向下至基岩灌注混凝土形成，连接节点的设计标高以上的钻孔回填砂石料。

进一步，所述的钻孔在平面上呈梅花形布置。

进一步，所述灌注桩成孔方法采用旋挖钻成孔、或冲击钻成孔、或正循环成孔、或反循环成孔，桩端深入基岩以下。

进一步，所述支护结构包括初期支护和二次衬砌，初期支护包括钢拱架、钢筋网和喷射混凝土。

进一步，所述拱肩连接节点包括拱肩处钢拱架工字钢、最外侧灌注桩桩顶、灌注桩纵筋和圆形钢垫板，所述拱肩处钢拱架工字钢沿探洞外伸后连接至最外侧灌注桩桩顶，所述灌注桩纵筋穿过圆形钢垫板后与拱肩处钢拱架工字钢焊接，所述探洞内浇注混凝土。

进一步，所述拱腰连接节点包括拱腰处钢拱架工字钢和第二排灌注桩桩顶牛腿，所述拱腰处钢拱架工字钢焊接于第二排灌注桩桩顶牛腿，在焊接后喷射混凝土。

进一步，所述第二排灌注桩桩顶牛腿通过第二排灌注桩工字钢梁与第二排灌注桩桩顶纵筋焊接形成。

进一步，所述仰拱连接节点通过仰拱工字钢搭接于仰拱处灌注桩桩顶后与仰拱处灌注桩纵筋焊接并喷射混凝土形成。

一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构的施工方法，包括如下步骤：1)在开挖隧道之前，根据设计坐标位置，在隧道洞身和隧道两侧范围内的地表上放样出灌注桩的位置，呈梅花形平面布置，其中最边上的两排桩分别是拱肩处钢拱架工字钢、拱腰处钢拱架工字钢相搭接的；2)在地表上的放样位置开挖钻孔至稳定的基岩内，下放钢筋笼至桩孔内设计位置，即其顶面正好能与对应各连接节点完成搭接，然后，在桩孔内灌注混凝土至相应连接节点的设计标高，待混凝土达到初凝强度后在连接节点的设计标高以上钻孔中回填砂石料至地表；3)采用三台阶法开挖隧道断面，上台阶开挖完成后利用洞内钻孔机具施做探洞至最外侧灌注桩桩顶，再凿除最外侧灌注桩桩顶表层混凝土以便与后期浇筑的混凝土粘结成一体，将拱肩处钢拱架工字钢搭接在最外侧灌注桩桩顶，再将灌注桩纵筋穿过圆形钢垫板后与拱肩处钢拱架工字钢焊接，再浇注混凝土于探洞之中，即完成拱肩连接节点的施工；4)中台阶开挖完成后，凿除第二排灌注桩桩顶表层混凝土后，将第二排灌注桩工字钢梁与第二排灌注桩桩顶的第二排灌注桩桩顶纵筋焊接形成第二排灌注桩桩顶牛腿，再将拱腰处钢拱架工字钢焊接于第二排灌注桩桩顶牛腿上，喷射混凝土后即完成拱腰连接节点的施工；5)下台阶开挖完成后，凿除仰拱以下仰拱处灌注桩桩顶表层混凝土，将仰拱工字钢搭接于仰拱处灌注桩桩顶与仰拱处灌注桩纵筋焊接并喷射混凝土，即完成仰拱连接节点的施工；6)初期支护封闭成环后，施做二次衬砌。

进一步，所述灌注桩的施工位置设在地表、施工时间设在同里程隧道掌子面开挖之前，灌注桩与洞内施工流水作业、同时进行。

本发明的技术原理及有益效果如下：

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：改变传统的欠固结地层下隧道的桩基加固位置（洞内）和时间（开挖后），将桩基加固施工位置设在地表进行，加固时间设于隧道开挖之前进行，桩基加固施工与隧道洞内施工互不干扰、同时进行，广泛适用于各种不同地质情况条件，尤其是对于有松散土层、软土的地质区域，有效避免了在隧道开挖施工过程中隧道洞身局部或整体性的沉降，大大节约了施工工期和施工成本，提高了施工质量。其次，本发明改变传统的施工阶段的上台阶初期支护结构、下台阶初期支护结构直接架设在洞内围岩上，将上台阶初期支护结构钢拱架和下台阶初期支护结构钢拱架分别通过连接节点架设在两排预加固桩基上，从而有效地控制了仰拱封闭成环前隧道支护结构和围岩的变形，最大程度上保证了施工的安全。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的其中11幅，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构横断面图

图2为本发明一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构俯视图

图3为本发明在地表向下旋挖成孔的工序示意图。

图4为本发明在钻孔中灌注钢筋混凝土桩和回填砂石料的工序示意图。

图5为本发明进行隧道开挖、支护和灌注桩搭接的工序示意图。

图6为本发明拱肩连接节点的细部构造示意图。

图7为本发明拱肩连接节点的水平剖面图。

图8为本发明拱肩连接节点的圆形钢垫板示意图。

图9为本发明拱腰连接节点的细部构造示意图。

图10为本发明拱腰连接节点的水平剖面图。

图11为本发明仰拱连接节点的细部构造示意图。

其中，灌注桩1、初期支护2、二次衬砌3、拱肩连接节点4、拱肩处钢拱架工字钢4a、最外侧灌注桩桩顶4b、灌注桩纵筋4c、圆形钢垫板4d、拱腰连接节点5、第二排灌注桩桩顶牛腿5a、第二排灌注桩工字钢梁5b、第二排灌注桩桩顶纵筋5c、第二排灌注桩桩顶5d、仰拱连接节点6、仰拱处灌注桩桩顶6a、仰拱处灌注桩纵筋6b、地表7、基岩8、砂石料9、里程隧道掌子面10、探洞11、拱腰处钢拱架工字钢12、仰拱工字钢13、钻孔14、钢筋笼15、设计标高16、上台阶17、中台阶18、下台阶19。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1、2所示，本实施例提供的本发明公开了一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构，隧道埋深8m ~25m，洞内净宽13m，净高9m。

灌注桩预加固支护结构包括灌注桩1、支护结构。灌注桩1与支护结构由连接节点相连接成整体，该连接节点包括拱肩连接节点4、拱腰连接节点5和仰拱连接节点6；灌注桩1位于支护结构下方。

灌注桩1采用旋挖法由地表7打设钻孔14至基岩8以下3m后，再清孔，然后在连接节点设计标高16以下钻孔14中灌注钢筋混凝土形成，连接节点设计标高16以上的钻孔14回填砂石料9，灌注桩长6m~15m，直径为400mm；回填砂石料厚度8m~25m。

钻孔14在平面上呈梅花形布置，间距1000mm~1250mm，共15排。

施工时间设在同里程隧道掌子面10开挖之前，灌注桩1与洞内施工流水作业、同时进行。

连接节点分成拱肩连接节点4、拱腰连接节点5和仰拱连接节点6三类，分别位于初期支护2拱肩、拱腰、仰拱位置，其中每个横断面的拱肩连接节点2个、拱腰连接节点2个、仰拱连接节点13个。

支护结构包括初期支护2和二次衬砌3，初期支护2厚28cm，由钢拱架、钢筋网和喷射混凝土组成，钢拱架型号为25#B型、间距600mm，钢筋网配筋为Φ10@200，二次衬砌为厚50cm的钢筋混凝土结构。

初期支护中的拱肩处钢拱架工字钢4a沿探洞11（直径为300mm）外伸0.8m后，搭接在最外侧灌注桩桩顶4b上后穿过圆形钢垫板4d与灌注桩纵筋4c（∅20）焊接在一起，垫板4d直径为400mm，厚度为14mm。连接方式为焊接后再喷射混凝土。

拱腰连接节点5上的牛腿由25#B型工字钢与第二排桩桩顶5d的纵筋5c（∅20）焊接形成，牛腿宽度300mm，拱腰处钢拱架工字钢12和仰拱处钢拱架工字钢13均焊接在牛腿上。

仰拱连接节点6由仰拱工字钢13搭接于桩顶后6a与仰拱处灌注桩纵筋6b（∅20）焊接并喷射混凝土形成。

本发明一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护的施工方法，包括以下步骤：

1)在开挖隧道之前，根据设计坐标位置，在隧道洞身和隧道两侧范围内的地表7上放样出灌注桩1的位置，呈梅花形平面布置，其中最边上的两排桩分别是拱肩处钢拱架工字钢4a、拱腰处钢拱架工字钢12相搭接的；

2)在地表7上的放样位置开挖钻孔14至稳定的基岩8内，下放钢筋笼5至桩孔内设计位置，即其顶面正好能与对应各连接节点完成搭接，然后，在桩孔内灌注混凝土至相应连接节点的设计标高16，待混凝土达到初凝强度后在连接节点的设计标高16以上钻孔14中回填砂石料9至地表；

3)采用三台阶法开挖隧道断面，上台阶17开挖完成后利用洞内钻孔机具施做探洞11至最外侧灌注桩桩顶4b，再凿除最外侧灌注桩桩顶4b表层混凝土以便与后期浇筑的混凝土粘结成一体，将拱肩处钢拱架工字钢4a搭接在最外侧灌注桩桩顶4b，再将灌注桩纵筋4c穿过圆形钢垫板4d后与拱肩处钢拱架工字钢4a焊接，再浇注混凝土于探洞11之中，即完成拱肩连接节点4的施工；

4)中台阶18开挖完成后，凿除第二排灌注桩桩顶5d表层混凝土后，将第二排灌注桩工字钢梁5b与第二排灌注桩桩顶5d的第二排灌注桩桩顶纵筋5c焊接形成第二排灌注桩桩顶牛腿5a，再将拱腰处钢拱架工字钢12焊接于第二排灌注桩桩顶牛腿5a上，喷射混凝土后即完成拱腰连接节点5的施工；

5)下台阶19开挖完成后，凿除仰拱以下仰拱处灌注桩桩顶6a表层混凝土，将仰拱工字钢13搭接于仰拱处灌注桩桩顶6a与仰拱处灌注桩纵筋6b焊接并喷射混凝土，即完成仰拱连接节点6的施工；

6)初期支护2封闭成环后，施做二次衬砌3。

本发明具有结构简单、传力可靠、施工方便，能提高施工效率、缩短工期、降低成本、提高隧道施工和运营阶段的稳定性。

本发明将灌注桩施工位置设在地表、施工时间设在同里程隧道断面开挖之前，灌注桩与洞内施工流水作业，既能降低施工工期和工程造价；同时为上台阶初期支护结构和下台阶初期支护结构提供有效的支撑，有效地控制了仰拱封闭成环前隧道支护结构和围岩的变形；还能减小运营阶段隧道支护结构的沉降，保证了隧道施工和运营阶段的安全。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构，其特征在于，包括灌注桩（1）和支护结构，所述灌注桩与所述支护结构自中部向两侧分别通过连接节点相连成整体，该连接节点包括拱肩连接节点（4）、拱腰连接节点（5）和仰拱连接节点（6）；所述灌注桩（1）位于支护结构下方，所述灌注桩（1）打设钻孔至基岩（8），所述灌注桩（1）自连接节点的设计标高（16）向下至基岩（8）灌注混凝土形成，连接节点的设计标高（16）以上的钻孔回填砂石料（9）；

所述仰拱连接节点（6）通过仰拱工字钢（13）搭接于仰拱处灌注桩桩顶（6a）后与仰拱处灌注桩纵筋（6b）焊接并喷射混凝土形成；

所述拱肩连接节点（4）包括拱肩处钢拱架工字钢（4a）、最外侧灌注桩桩顶（4b）、灌注桩纵筋（4c）和圆形钢垫板（4d），所述拱肩处钢拱架工字钢（4a）沿探洞（11）外伸后连接至最外侧灌注桩桩顶（4b），所述灌注桩纵筋（4c）穿过圆形钢垫板（4d）后与拱肩处钢拱架工字钢（4a）焊接，所述探洞（11）内浇注混凝土。

2.根据权利要求1所述的一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构，其特征在于，所述的钻孔在平面上呈梅花形布置。

3.根据权利要求1所述的一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构，其特征在于，所述灌注桩（1）成孔方法采用旋挖钻成孔、或冲击钻成孔、或正循环成孔、或反循环成孔，桩端深入基岩（8）以下。

4.根据权利要求1所述的一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构，其特征在于，所述支护结构包括初期支护（2）和二次衬砌（3），初期支护包括钢拱架、钢筋网和喷射混凝土。

5.根据权利要求1所述的一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构，其特征在于，所述拱腰连接节点（5）包括拱腰处钢拱架工字钢（12）和第二排灌注桩桩顶牛腿（5a），所述拱腰处钢拱架工字钢（12）焊接于第二排灌注桩桩顶牛腿（5a），在焊接后喷射混凝土。

6.根据权利要求5所述的一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构，其特征在于，所述第二排灌注桩桩顶牛腿（5a）通过第二排灌注桩工字钢梁（5b）与第二排灌注桩桩顶纵筋（5c）焊接形成。

7.根据权利要求1所述的一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构的施工方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）、在开挖隧道之前，根据设计坐标位置，在隧道洞身和隧道两侧范围内的地表（7）上放样出灌注桩（1）的位置，呈梅花形平面布置，其中最边上的两排桩分别是拱肩处钢拱架工字钢（4a）、拱腰处钢拱架工字钢（12）相搭接的；

（2）、在地表（7）上的放样位置开挖钻孔（14）至稳定的基岩（8）内，下放钢筋笼（15）至桩孔内设计位置，即其顶面正好能与对应各连接节点完成搭接，然后，在桩孔内灌注混凝土至相应连接节点的设计标高（16），待混凝土达到初凝强度后在连接节点的设计标高（16）以上钻孔中回填砂石料（9）至地表；

（3）、采用三台阶法开挖隧道断面，上台阶（17）开挖完成后利用洞内钻孔机具施做探洞（11）至最外侧灌注桩桩顶（4b），再凿除最外侧灌注桩桩顶（4b）表层混凝土以便与后期浇筑的混凝土粘结成一体，将拱肩处钢拱架工字钢（4a）搭接在最外侧灌注桩桩顶（4b），再将灌注桩纵筋（4c）穿过圆形钢垫板（4d）后与拱肩处钢拱架工字钢（4a）焊接，再浇注混凝土于探洞（11）之中，即完成拱肩连接节点（4）的施工；

（4）、中台阶（18）开挖完成后，凿除第二排灌注桩桩顶（5d）表层混凝土后，将第二排灌注桩工字钢梁（5b）与第二排灌注桩桩顶（5d）的第二排灌注桩桩顶纵筋（5c）焊接形成第二排灌注桩桩顶牛腿（5a），再将拱腰处钢拱架工字钢（12）焊接于第二排灌注桩桩顶牛腿（5a）上，喷射混凝土后即完成拱腰连接节点（5）的施工；

（5）、下台阶（19）开挖完成后，凿除仰拱以下仰拱处灌注桩桩顶（6a）表层混凝土，将仰拱工字钢（13）搭接于仰拱处灌注桩桩顶（6a）与仰拱处灌注桩纵筋（6b）焊接并喷射混凝土，即完成仰拱连接节点（6）的施工；

（6）、初期支护（2）封闭成环后，施做二次衬砌（3）。

8.根据权利要求7所述的一种欠固结地层下穿隧道的灌注桩预加固支护结构的施工方法，其特征在于，所述灌注桩（1）的施工位置设在地表（7）、施工时间设在同里程隧道掌子面（10）开挖之前，灌注桩与洞内施工流水作业、同时进行。