CN109958445A - 用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法 - Google Patents

Abstract

一种用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，包括在围挡内施作暗挖施工竖井，在竖井内施工水平横通道；在地下空间的选定位置施作第一导洞，在第一导洞内施作垂直于开挖方向的横向棚护结构；使第一导洞形成大梁，在横向棚护结构的保护下施作第二导洞；开挖第三导洞，第三导洞与第二导洞连接为一体；开挖两侧第二导洞和第三导洞之间的土体，并架设斜撑；开挖斜撑下方土体至底部，架设封底格栅及浇筑条基；架设竖向支撑，并分段拆除斜撑；施做永久结构；由此，本发明能适用于开挖宽度20米左右，开挖高度在9米以上的单层三跨断面的开挖，其除可用于浅埋暗挖，还可用于超浅埋暗挖，且开挖体量小，开挖步序少、施工转换少、施工风险小、综合造价低。

Description

用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法

技术领域

本发明涉及城市地下空间施工的技术领域，尤其涉及一种用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法。

背景技术

随着我国城市化进程的加速，城市地下空间的开发率及开发规模日渐增高，轨道交通、综合管廊、地下车库及各种一体化设施等正在我国地下空间大规模建设。我国地下工程的建设进入了一个全新的时代，其建设规模及建设速度在世界地下工程建设史上也是少有的。通常建设地下工程的建设方法有明挖法、盖挖法及暗挖法。

明挖法及盖挖法均以自然地面开挖为前提。明挖法在城市环境的应用过程中，通常牵扯大量的交通导改及管线改移，其实施顺序通常为进行交通导改、进行管线改移、施作桩(或墙)式竖向挡土支护结构、在竖向支护结构保护下分层开挖土层且随挖随施作水平向支撑、待基坑结构到底后顺做二村结构直至结构完成。盖挖法分盖挖顺作和盖挖逆作。盖挖顺做实施顺序通常为进行交通导改、进行管线改移、施作桩(或墙)式竖向挡土支护结构、施作临时路面体系、在竖向支护结构保护下分层开挖土层且随挖随施作水平向支撑、待基坑结构到底后顺做二村结构直至结构完成。盖挖逆作在支护结构形成的步序上与盖挖顺做相同，其区别在于利用二衬的顶板结构作为路面体系，同时二村结构先形成顶板后形成底板。盖挖相比与明挖对路面交通的影响相对较少，但改移的管线数量基本没有变化。暗挖法在城市环境的应用过程中，不对路面交通及管线造成影响，其实施顺序为，在路边施作施工竖井、在竖井内施工暗挖横通道、利用横通道施作地下结构开挖所需的支护结构、在支护结构的保护下形成二村结构。

以上施工方法在我国应用多年，在早期的工程建设中因交通导改及管线改移的成本相对较低，明挖法因其土建施工成本较为经济、作业环境优良、技术安全可靠、施工速度快而相对广泛采用。暗挖法因其土建施工成本较高、施工风险大、作业环境差、施工速度慢而相对较少采用。然而，近年随着我国综合国力的增强，人们对于地下工程的建设及服务标准有了更高的要求。以往地下工程建设带来的占用道路施工甚至断路施工，管线迁改给日常生活带来不便等问题被新的建设环境所不能“容忍”。因此明挖法的适用性日趋降低，暗挖法因其不需交通及管线导改、综合建造成本低、综合建造工期短等优势而日趋被广泛采用。在北京等大型城市，地下工程的建设思路已由“能明则明”逐渐转变为“能暗则暗”。

而常用的暗挖法依据开挖形成的永久受力结构的跨度不同，大致可以区分为单跨结构和多跨结构，单跨结构依据断面高度及宽度可采用全断面开挖法(当在土层中采用时，宽度和高度均小于3米左右。当在硬岩中采用时，宽度和高度可适当放大)、台阶法(当在土层中采用时，宽度和高度均在3～7米左右。当在硬岩中采用时，宽度和高度可适当放大)、中隔壁法(CD法，当在土层中采用时，宽度通常在7～11米，高度通常在7～8米以下。当在硬岩中采用时，宽度和高度可适当放大)、交叉中隔壁法(CRD法适用于硬岩、土质较好的中型断面隧道。当在土层中采用时，宽度通常在7～11米，高度通常在7～8米以上。当在硬岩中采用时，宽度和高度可适当放大)、双侧壁导洞法(当在土层中采用时，宽度通常在11～13米，高度通常在7～8米以上。当在硬岩中采用时，宽度和高度可适当放大)等，多跨结构依据断面高度、宽度及开挖方法可采用侧洞法(将暗挖大断面通过“大化小”的方式，将较大的断面划分为较小的开挖分区，通过对较小分区的分步开挖分步支护，实现暗挖地下结构的支护结构)、中洞法(适用于硬岩、土质较好的大型断面隧道。通常在单层多跨结构中采用。其与侧洞法的区别在于，先形成中间分区的支护结构及二衬结构，在刚度较大的中间分区的支护结构的支撑下，开挖两侧分区的支护结构，之后形成两侧分区的二村结构，直至永久受力结构完成)、洞柱法(适用于硬岩、土质较好的大型断面隧道。通常在多层多跨结构中采用。其先形成下层导洞及上层导洞，在下导洞内施作条基和底梁，在上导洞内施作用于竖向承载的钢管柱(包括柱顶梁)及用于竖向承载兼顾水平挡土的围护桩。之后施作上层导洞之间的导洞，在导洞贯通后后，通过横断面分步拆除加一定换撑、结合沿开挖方向纵向分段拆除中隔壁的方法形成拱顶的永久二村结构。之后在拱顶二村结构及围护桩的保护下，进行地下一层土体的开挖，施作地下一层的永久二村结构。地下一层永久二村结构达到设计强度后，依次进行地下二层土体的开挖及二衬结构施作、地下三层土体的开挖及三衬结构施作……直至结构完成)、一次扣拱法(先开挖两边跨结构顶部及底部的支护结构导洞，在导洞内形成同洞柱法一样的围护桩及钢管柱，之后形成边跨的永久二村结构，在两侧永久二村结构的支撑下，开挖中垮支护结构，在支护结构的保护下形成中跨二村结构，将中跨及边跨的二村结构进行连接，最终形成永久的二村结构)及管幕法。以上方法各有其应用范围，全断面开挖法、台阶法、CD、CRD法及双侧璧导洞法因其步序简单、开挖方便、施工速度快，综合造价低而被广泛应用。但其在开挖宽度及高度上均受到严格的限制，当超出这些方法的适用范围后，开挖期间的地面及管线变形、结构安全均难以保证，从而不能进行应用。而侧洞法及中洞法为我国地下大跨度结构建设中早期广泛使用的方法。近些年因其地面沉降大、受力转换复杂、废弃工程量多、结构施工风险大，在较软土地层中已经较少用其开挖多层多跨结构，但单层多跨结构考虑其造价较低、施工速度快仍在广泛应用。此外在土质较硬的地层中，用其开挖多层多跨的案例仍然较多。洞柱法及一次扣拱法为目前大跨多层结构首选的施工方法，其中以洞柱法应用居多。洞柱法在大跨多层断面的开挖中，具有地面及管线变形控制好，安全保障度高的特点。但其亦具有施工步序非常复杂，施工转换过程多、综合建造成本相当高的缺点，难以进行广泛的应用。而管幕法建设成本相比洞柱法及一次扣拱法显著增高，同时其对施工场地要求较高，在我国未得到大量应用。此外当管幕顶进长度较长时(30m以上)，面临着顶进设备能力不足，对于后配套要求较高、施工作业空间较大，顶进偏差难以控制的技术问题，尤其当管幕直径较大时，上述问题尤为明显。理论上适用于多层多跨断面的中洞法、侧洞法、洞柱法、一次扣拱法及管幕法可以替代适用于单跨断面的CD、CRD及双侧壁导洞法。但因其工序复杂不便于开挖，综合建造成本高，同时在单跨及小断面情况下变形控制优势难以发挥的特点，在实际建设过程中通常不被采用。

其中，中洞法及侧洞法在我国应用多年，因其在开挖宽度在20米左右，开挖高度在9米以上的单层多跨断面中具有开挖速度快、综合造价低、风险可控的特点，在城市轨道交通地下结构、山岭隧道、地下商业结构等地下工程中的有着广泛的应用。在其适用的开挖高宽范围内，其相比全断面开挖法、台阶法、CD、CRD及双侧璧导洞法具有安全可控及地面变形小的显著优势。相比洞柱法、一次扣拱法具有施工速度快、造价经济的优点。相比管幕法其具有对施工机具要求低、操作简便、造价经济的优点，因此其为我国地下空间浅埋暗挖建设中的重要工法，在各领域都有着广泛的应用。但其在应用中也存在一定的局限性和问题，有待改善。

(1)中洞法及侧洞法为浅埋暗挖领域内的工法，其难以在超浅埋暗挖中的应用。

浅埋暗挖法由我国王梦恕院士提出。1986-1987年，王梦恕院士在北京复兴门折返线工程中正式开发应用了这项新技术，并得以在后续地铁建设中大规模应用。王梦恕院士作为本项技术的创始人，在其所著的《地下工程浅埋暗挖技术通论》(安徽教育出版社，2004，12)第1.1.2中明确指出：“城市地铁、地下工程结构断面变化很大，仅用拱顶埋深大小来确定深埋或浅埋是不妥的，还必须考虑地下工程的跨度大小，跨度大时，对覆土的影响范围也大，拱顶覆土厚度(H)与结构跨度(D)之比，即H/D称为覆跨比，当0.6＜H/D≤1.5时，均称为浅埋；当H/D≤0.6时，均称为超浅埋”。由此可以得出，开挖20m左右的断面，其所需的最小覆土厚度为12m。大量的实际工程也表明，当中洞法及侧洞法的开挖覆土小于上述限制时，其地面变形显著增加，变形及安全趋于不可控。因此其难以应对超浅埋暗挖领域的工程。同时因采用中洞法及侧洞法需起拱，拱会进一步增加结构的竖向高度，从而进一步增加结构的埋深，从而使结构不具备超浅埋暗挖的可能。

然而随着我国生产力水平的发展，城市地下空间建设外部环境日趋复杂，大量地下工程受地面交通、地下管线及其他地下构筑物限制，已失去明挖施作条件。但其标高又受到限制，难以达到浅埋暗挖所需的覆土要求，因此急需能适应超浅埋暗挖的工法出现。

(2)开挖步序复杂、施工转换多，施工风险大

中洞法、侧洞法相比CD、CRD、双侧壁导洞法施工步序复杂，施工转多，以中洞法为例，其需分为15个洞室进行开挖支护结构，支护结构和永久受力结构的受力转换需6次，共需21步，开挖步序十分复杂、施工转换多。且每一步支护结构开挖，工人都需直接面对掌子面及拱顶斜上方的土体，施工风险大。同时根据浅埋暗挖多年的实施经验，暗挖施工的风险大量处于受力转换的环节中，中洞法、侧洞法受力转换多的特点，注定其实施风险较大。

(3)结构施工缝众多，永久受力结构耐久性难以保证。

结构横断面方向施工缝10处，纵向施工缝每4-6m一处，设缝众多，致使永久受力结构耐久性难以保证。

(4)中洞法及侧洞法为保证开挖安全须设置为拱形结构，形成了不必要开挖面积，同时造成了标高的浪费。

为此，本发明的设计者有鉴于上述缺陷，通过潜心研究和设计，综合长期多年从事相关产业的经验和成果，研究设计出一种用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，可充分替代传统的中洞法和侧洞法，尤其能适用于开挖宽度20米左右，开挖高度在9米以上断面(单层多跨或者单层多跨断面)的开挖，其除可用于浅埋暗挖，还可用于超浅埋暗挖，且开挖体量小，开挖步序少、施工转换少、施工风险小、综合造价低、环境友好。

为解决上述问题，本发明公开了一种用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：对道路两侧的可用空地进行围挡，在围挡内施作暗挖施工竖井，在竖井内施工水平横通道；

步骤二：施作第一导洞，第一导洞采用钢格栅结合喷射混凝土的结构施作，在所述第一导洞内通过管棚机或者微型顶管机进行横向棚护结构的施作，所述横向棚护结构包含为多根棚护钢管，所述多根棚护钢管贯穿第一导洞且相对第一导洞横向间隔设置，形成位于整个超浅埋大型地下空间上方的横向棚护钢管机构，整个横向棚护钢管机构采用与开挖方向垂直布设的方式，为后期施作的结构进行有效的顶部棚护，保证保证地下空间施工作业人员、地面及地下管线的安全；

步骤三：在横向棚护钢管结构的保护下进行第二导洞的施作，所述第二导洞位于横向棚护钢管结构下方和第一导洞的两侧，所述第二导洞采用了U型的钢格栅或型钢结合喷射混凝土的U型支护结构，钢格栅或型钢的间距与棚护钢管的间距保持一致，每个U型的钢格栅或型钢的侧壁顶部与棚护钢管进行无缝衔接，以保证形成有效的竖向支撑，同时避免支撑间隙带来的后续施工沉降；

步骤四：当第二导洞的开挖进尺超过第三导洞开挖高度的2倍后，进行第三导洞的施工，所述第三导洞位于第二导洞的下方，第三导洞采用钢格栅结合喷射混凝土或型钢结合喷射混凝土结构施作；

步骤五：在第二导洞和第三导洞施工至一定进尺后，通过台阶法开挖第二导洞和第三导洞之间的土体，并在上台阶间隔架设斜撑，斜撑的顶部与第一导洞顶紧，斜撑的脚部与第二导洞的侧壁进行连接；

步骤六：在下台阶取土后，在底部架设封底格栅，并浇筑位于底部中间的条基；

步骤七：间隔架设竖向支撑，竖向支撑的顶部与第一导洞顶紧，底部立于条基上，形成竖向支顶，并分段拆除斜撑。

其中：完成横向棚护结构施工后，在第一导洞内设置多根纵向钢筋及U型锚筋，所述U型锚筋设置有多排多列，各U型锚筋的下端环箍横向棚护钢管结构中的各棚护钢管，后采用混凝土回填整个第一导洞，从而使第一导洞形成沿开挖方向的纵向大梁，此时第一导洞内横向棚护结构的棚护钢管通过U型锚筋锚入纵向大梁内，共同形成一个整体性的梁板构件，更好的提高了强度和支撑度。

其中：所述第一导洞的净宽选为2.5m-4.0m，净高选为2.2m。

其中：所述棚护钢管结构中的各棚护钢管的直径为300-350mm，壁厚为12mm-16mm，各棚护钢管的中心线之间的间距为500-600mm，棚护钢管的长度超出后期开挖结构的外边界一定距离。

其中：各棚护钢管由多根管节组成，多根管节从第一导洞的两侧分别通过管棚机或者微型顶管机依次顶入，各管节间采用丝扣连接或者焊接，相邻棚护结构的管节错开布置以提高整体性。管节节点处增设内套管以实现节点等强。两侧分别顶入完成后在第一导洞内实现棚护钢管的对接，以完成棚护钢管的施工，由第一导洞从中间向两边双向进行打设，长度显著变短，极大改善因为棚护钢管施作的过长，定位精度难以保证、所需顶进力大需要大功率机械、造价高的问题。

其中：开挖第一导洞的方法为：根据开挖的步距打设超前支护，将步距内的预期断面一次开挖完毕，之后在断面内缘间隔设置多个钢格栅后喷射混凝土以形成断面内的支护结构，然后进行下一步距的超前支护打设、开挖及支护结构施作，依次循环，直至第一导洞的支护结构形成。

其中：开挖第一导洞的方法为：根据开挖的步距打设超前支护，将步距内的预期断面分两步开挖，之后施作钢格栅结合喷射混凝土的支护结构，然后进行下一步距的超前支护打设、开挖及支护结构施作。依次循环，直至第一导洞的支护结构形成。

其中：还包含步骤八：施做第二导洞和第三导洞之间的永久受力结构；

步骤九：施做剩余部分永久受力结构，拆除永久受力结构范围内初支结构，形成完整的永久受力结构。

通过上述结构可知，本发明的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法具有如下效果：

(1)其可用于开挖宽度20米以上，开挖高度在9米以上的单层三跨断面的开挖；同时通过依上述步骤进行横向延展，可用于单层多跨结构的开挖。

(2)其除可在浅埋暗挖领域应用外，还可用于超浅埋暗挖领域。

1)由本方法实施的第(2)步可知，导洞1利用浅埋暗挖原理进行开挖，因其尺寸微小，变形微小，可在超浅埋空间(以最终要形成的20m以上暗挖大断面为衡量标准)实现刚度足够的横向超前支护(棚护钢管)的架设，从而为超浅埋暗挖创造了先决条件。

2)由本方法实施的第(2)步可知，棚护钢管管径及打设方式的设计，确保了导洞1尺寸的微小，同时确保了棚护结构的刚度。

3)由本方法实施的第(3)、(4)、(5)、(6)、(7)步可知，棚护结构保护下各结构构件及各实施步序的设置，均可对棚护结构形成有效的支顶，确保棚护结构不变形，从而实现地面及管线不变形，以实现结构超浅埋的安全。

4)由本方法实施的第(3)、(4)、(5)、(6)、(7)步可知，棚架结构的各结构构件及各实施步序的设置，均为受力安全的结构。

(3)本方法的安全性更高；除导洞1外的其余导洞均在刚度较大的棚护结构保护下进行开挖，避免了工人在开挖过程中直接面对掌子面斜上方土体的工况，同时掌子面土体因受到棚护钢管的隔离也变得更加安全，结构施工的安全性得到显著改善。同时，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，中洞法支护结构和永久受力结构的受力转换需6次，而本方法仅需1次，因受力转换为暗挖施工中的主要风险，受力转化大量减小，结构安全性显著提高。

(4)本方法的开挖工期更优，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，本工法的施工步序仅为9步，相比中洞法能至少减少一半以上，可节省大量构件施作及拆除时间，工期更优；

(5)本方法的开挖造价更优，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，其仅施作结构外围的支护结构，中间大量的支护构件不再施作，节约了大量支护结构成本。

(6)本方法更为绿色环保，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，其废除结构量大量减小，产生的建筑垃圾显著减少，更利于环境保护。

(7)本方法的永久受力结构的耐久性更好，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，其在顶底板处共存在4处纵缝，而中洞法及侧洞法存在10处纵缝；同时本方法不存环缝，而中洞法及侧洞法存在大量环缝，缝的存在不利于永久受力结构的耐久性。

本发明的详细内容可通过后述的说明及所附图而得到。

附图说明

图1至图7显示了本发明的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法的结构示意图。

图2A和图2B显示了图2中第一导洞的放大示意图。

具体实施方式

参见图1至图7，显示了本发明的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法。

所述用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法包括如下步骤：

步骤一：对道路两侧的可用空地进行围挡，在围挡内施作暗挖施工竖井，在竖井内施工水平横通道，用于道路下即将施工的地下空间结构暗挖施作期间的出土及进料。可在不影响交通及管线的情况下对道路两侧可用的空地进行围挡，施工竖井及横通道的数量，由建设者综合地下结构的长度、高度、宽度、施工工期及场地情况决定。

步骤二：在地下空间的选定位置施作第一导洞1(当地下空间存在管线时，应躲避管线、在管线的空隙中施作)，在所述第一导洞1内通过管棚机(或者微型顶管机)进行横向棚护钢管结构的施作，所述横向棚护钢管结构包含为多根棚护钢管11，所述多根棚护钢管11贯穿第一导洞且相对第一导洞1横向间隔设置，形成位于整个超浅埋大型地下空间上方的横向棚护钢管机构，整个横向棚护钢管机构相比传统中洞法及侧洞法中的管棚钢管(及全断面开挖法、台阶法、CD、CRD、洞柱法、一次扣拱法中的棚护钢管)，采用与开挖方向垂直(与结构主受力方向一致)布设的方式，而非顺开挖方向打设。各棚护钢管11为横向双向打设，打设长度显著降低，避免了传统工法延开挖方向打设，棚护钢管长度长施工难度大，定位精度难以保证、对施工机具及打设空间要求高、造价高的问题。同时本发明将以前作为辅助受力结构的棚护钢管调整为主受力结构，且作为支护结构主受力结构的一部分参与结构受力，因其具有足够的刚度，为后期施作的结构进行有效的顶部棚护，确保其不发生较大的变形，有效的保证地下空间施工作业人员、地面及地下管线的安全。

同时，所述第一导洞1的大小根据管棚机(或者微型顶管机)的大小和各棚护钢管的管节长度进行设计，在图示实施例中，所述第一导洞1的上端为拱形，下部为方形，所述第一导洞1的净宽选为2.5m-4.0m(外尺寸D为3.0m-4.5m)，净高选为2.2m左右(外尺寸2.7m)。如图1所示。为便于后期棚护结构的施作，第一导洞1采用钢格栅结合喷射混凝土的结构施作，格栅间距及开挖进尺选为0.5-0.75m。因为浅埋暗挖可在当0.6＜H/D≤1.5时的情况下施作，因此第一导洞1的覆土厚度可控制为1.8m-2.4m，优选厚度不小于2m。

所述棚护结构中的各棚护钢管11的直径为300-350mm，壁厚为12mm-16mm，各棚护钢管11的中心线之间的间距为500-600mm，棚护钢管11的长度要超出后期开挖结构的外边界一定距离A，超出长度根据具体情况计算确定，以确保棚护结构受力合理。为提高横向棚护结构的整体刚度，相邻棚护结构的连接节点应错开布置。且各棚护钢管11由多根管节(钢管)组成，多根管节从第一导洞1的两侧分别通过管棚机(或者微型顶管机)依次顶入，各管节间采用丝扣连接(或者焊接)，两侧分别顶入完成后在第一导洞1内实现棚护钢管11的对接，以完成棚护钢管11的施工，各管节的长度由第一导洞1的宽度决定，各棚护钢管施作完成后可在棚护钢管内放置钢筋笼或在管节连接处放置内衬套管，用于连接节点补强，以实现等强连接。在横向打设基础上，为进一步减少棚护结构施作难度，横向棚护结构的各棚护钢管11由第一导洞1从中间向两边双向进行打设，长度显著变短，可以极大的改善因为棚护钢管施作的过长，定位精度难以保证、所需顶进力大需要大功率机械、造价高的问题。

由此，本方法中的棚护结构相比管幕(直径通常为700mm以上)的长度及周长显著减小，其顶进的顶推力明显减少，对于设备的功率要求显著降低，从而有助于设备小型化，从而降低了顶进对于地下空间的需求，有利于第一导洞1的结构实现超浅埋。此外所需的施工机具更为简单，设备成本显著降低。相对传统浅埋暗挖超前支护的棚护钢管(直径通常为108mm、159mm、189mm的钢管)，采用的棚护钢管管径给与了适当的增加，增加后仍可用传统机械施作，但因截面惯性矩与管径成4次方关系，其抗弯承载力显著增加，抗变形能力显著提高，从而可形成安全的棚护结构。

由于第一导洞1的尺寸较小，根据土层情况，可采用如下两种方法进行开挖第一导洞1，方法1为：根据开挖的步距(每次开挖的步距通常为0.5m或0.75m)打设超前支护(即沿施工方向在断面上方打入一排向上倾斜的超前小导管，以进行有效保护)，将步距内的预期断面一次开挖完毕，之后在断面内缘间隔设置多个钢格栅(钢格栅为环形且贴敷于断面内缘)后喷射混凝土以形成断面内的支护结构，然后进行下一步距的超前支护打设、开挖及支护结构施作，依次循环，直至第一导洞的支护结构形成；方法2为：根据开挖的步距(每次开挖的步距通常为0.5m或0.75m)打设超前支护，将步距内的预期断面分两步开挖(先开挖上台阶，再开挖下台阶，通过预留核心土的方式确保掌子面安全)，之后施作钢格栅结合喷射混凝土的支护结构，然后进行下一步距的超前支护打设、开挖及支护结构施作。依次循环，直至第一导洞的支护结构形成。

由此，第一导洞1利用浅埋暗挖原理进行开挖，因其尺寸微小，变形微小，可在超浅埋空间(以最终要形成的20m以上暗挖大断面为衡量标准)实现刚度足够的横向棚护结构的架设，从而为超浅埋暗挖创造了先决条件。

步骤三：在横向棚护结构的保护下进行第二导洞2的施作，所述第二导洞2位于棚护结构11下方和第一导洞1的两侧，所述第二导洞2内采用钢格栅结合喷射混凝土或型钢结合喷射混凝土的结构施作，第二导洞2的开挖进尺及钢格栅或型钢的间距与棚护钢管11的间距保持一致，取为500-600mm。其中，第二导洞2的开挖及支护方式优选的与第一导洞的相同。第二导洞2的开挖宽度优选为4-6m，具体宽度根据建筑功能、覆土及采用的棚护结构尺寸经计算后确定。

其中，所述第二导洞2为不封闭的U型导洞，其采用了U型的钢格栅或型钢结合喷射混凝土的U型支护结构，从而每个U型的钢格栅或型钢的侧壁顶部与棚护钢管11进行无缝衔接(如图2)，且优选的可在钢格栅或型钢的顶部和棚护钢管11之间插入钢垫板，从而确保二者之间没有缝隙，以确保其侧壁顶部对棚护结构形成有效的竖向支撑，避免了棚护结构在第二导洞2结构形成后的变形，进一步的还减少了第二导洞2顶部的支护结构的投入，减少了工程投资。

其中，第二导洞2的开挖步距和钢格栅或型钢的步距必须严格同棚护钢管11的间距，以实现钢格栅或型钢对棚护钢管的逐一支顶。

其中，所述横向棚护结构在第二导洞2外侧延伸了一定距离A，在第二导洞2结构封闭前使土体对顶部棚护结构形成有效支顶，从而确保第二导洞开挖的安全。

其中，为抵抗侧向土压力，在第二导洞2的侧壁内外侧均可焊接有挡板，挡板与棚护钢管进行连接，从而限制侧壁水平位移，限制第二导洞2的水平变形，从而进一步控制棚护钢管的竖向变形。

其中，可在步骤二中，第一导洞1内的各棚护钢管11实现对接后，在第一导洞1内设置多根纵向钢筋12及U型锚筋13，所述U型锚筋13设置有多排多列，各U型锚筋13的下端环箍横向棚护结构中的各棚护钢管11，后采用混凝土14回填整个第一导洞1，从而使第一导洞1形成沿开挖方向的纵向大梁，此时第一导洞1内横向棚护结构的棚护钢管通过U型锚筋13锚入纵向大梁内，共同形成一个整体构件，更好的提高了强度和支撑度，该纵向大梁的结构可参见图2A和图2B，当然，该步骤可在步骤一之后直接进行，而不需要步骤二的开始。

步骤四：当第二导洞2的开挖进尺超过第三导洞3开挖高度的2倍后，进行第三导洞3的施工，所述第三导洞3位于第二导洞2的下方，第二导洞2与第三导洞3之间需一直保持2倍第三导洞3高的安全距离。第三导洞3的开挖进尺及间距与第二导洞2保持一致。第三导洞3同样采用钢格栅结合喷射混凝土或型钢结合喷射混凝土结构施作，同样采用第一导洞的方法进行开挖施工，由于第三导洞3不是直接位于横向棚护结构下方，故第三导洞3的钢格栅或型钢为环形设置，第三导洞3与第二导洞2连接为一体，如图3所示。

步骤五：在第二导洞2和第三导洞3施工至一定进尺后，通过台阶法开挖第二导洞2和第三导洞3之间的土体至底部，开挖步距取为第二导洞2的高度，并架设斜撑4，斜撑4的顶部与第一导洞1顶紧，斜撑4的脚部与第二导洞2的侧壁预留节点板进行连接，所述斜撑4采用型钢结构15制成，其纵向间距优选为3-6米，参见图4所示，此时的地下结构由顶部的横向棚护结构、纵向大梁、第二导洞2、第三导洞3、斜撑4组成，其受力原理如下：

①结构上部土体及车辆荷载由横向棚护结构和纵向大梁承担；

②水平荷载由第二导洞2及第三导洞3承担；

③因采用300-350mm的钢管，为保证其受力安全及变形，须采用支架对其进行分段支撑，其竖向支撑结构为第二导洞2侧壁、第三导洞3侧壁、斜撑4加纵向大梁形成的复合结构。以上结构作为棚护结构下方的受力支架，对棚护结构形成有效支顶。

斜撑4对于棚护结构的支顶通过支撑纵向大梁来实现。因纵向大梁刚度大，且通过U型锚筋及混凝浇筑，与横向棚护结构形成整体性好的梁板结构，斜撑4可通过支撑纵向大梁的方式实现对横向棚护结构的支顶。同时因第一导洞1形成的纵向大梁及第二导洞2与第三导洞3之间的中隔壁均为刚度足够大的连续受力结构，斜撑4不需要进行连续设置，采用3-6米的点状设置方式即可，有效节约了材料和成本，同时也降低了工作强度和工序步骤。

而且，斜撑4同时起到抵抗水平荷载的作用，用以平衡第二导洞2及第三导洞3传递的水平向土压力。

步骤六：在底部架设封底格栅，并浇筑位于底部中间的条基5，参见图5。

步骤七：同时参见图5，架设竖向支撑6，竖向支撑6的顶部与第一导洞1顶紧，底部立于条基5上，形成竖向支顶，并分段拆除斜撑4。所述竖向支撑6采用型钢结构，纵向间距取为3-6米，此时的结构由顶部的棚护结构、纵向大梁、第二导洞2、第三导洞3、竖向支撑6组成，其受力原理如下：

①结构上部土体及车辆荷载由横向棚护结构和纵向大梁承担；

②水平荷载由第二导洞2及第三导洞3承担；

③因采用300-350mm的钢管，为保证其受力安全及变形，须采用支架对其进行分段支撑，其竖向支撑第二导洞2侧壁、第三导洞3侧壁、竖向支撑6、条基5加纵向大梁形成的复合结构，以上结构作为棚护结构下方的受力支架，对棚护结构形成有效支顶。

竖向支撑6对于横向棚护结构的支顶通过支撑纵向大梁来实现，竖向支撑6底部采用条基将竖向力传至地基基础。

因纵向大梁及条基均为刚度足够大的连续受力结构，竖向支撑6没有必要再连续设置，采用3-6米的点状设置方式即可。

条基5及两侧封底格栅起到抵抗水平荷载的作用，用以平衡第二导洞2及第三导洞3传递的水平向土压力。

步骤八：施做第二导洞2和第三导洞3之间的永久受力结构17，由于竖向支撑6为点状非连续支撑构件，因此永久受力结构可以通长连续浇筑，施工缝减少，施工功效高。如图6所示。

步骤九：施做剩余部分永久受力结构，拆除永久受力结构范围内初支结构，形成完整的单层三跨永久受力结构。如图7所示。

其中，步骤三至步骤七为依次根据开挖进尺进行，步骤八和步骤九为根据具体需要进行。

由此可见，本发明相比中洞法及侧洞法等传统浅埋暗挖方法，可达到以下效果及优点：

(1)其可用于开挖宽度20米以上，开挖高度在9米以上的单层三跨断面的开挖；同时通过依上述步骤进行横向延展，可用于单层多跨结构的开挖。

(2)其除可在浅埋暗挖领域应用外，还可用于超浅埋暗挖领域。

1)由本方法实施的第(2)步可知，导洞1利用浅埋暗挖原理进行开挖，因其尺寸微小，变形微小，可在超浅埋空间(以最终要形成的20m以上暗挖大断面为衡量标准)实现刚度足够的横向超前支护(棚护钢管)的架设，从而为超浅埋暗挖创造了先决条件。

2)由本方法实施的第(2)步可知，棚护钢管管径及打设方式的设计，确保了导洞1尺寸的微小，同时确保了棚护结构的刚度。

3)由本方法实施的第(3)、(4)、(5)、(6)、(7)步可知，棚护结构下各结构构件及各实施步序的设置，均可对棚护结构形成有效的支顶，确保棚护结构不变形，从而实现地面及管线不变形，以实现结构超浅埋的安全。

4)由本方法实施的第(3)、(4)、(5)、(6)、(7)步可知，棚架结构的各结构构件及各实施步序的设置，均为受力安全的结构。

(3)本方法的安全性更高；除导洞1外的其余导洞均在刚度较大的棚护结构保护下进行开挖，避免了工人在开挖过程中直接面对掌子面斜上方土体的工况，同时掌子面土体因受到棚护钢管的隔离也变得更加安全，结构施工的安全性得到显著改善。同时，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，中洞法支护结构和永久受力结构的受力转换需6次，而本方法仅需1次，因受力转换为暗挖施工中的主要风险，受力转化大量减小，结构安全性显著提高。

(4)本方法的开挖工期更优，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，本工法的施工步序仅为9步，相比中洞法能至少减少一半以上，可节省大量构件施作及拆除时间，工期更优；

(5)本方法的开挖造价更优，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，其仅施作结构外围的支护结构，中间大量的支护构件不再施作，节约了大量支护结构成本。

(6)本方法更为绿色环保，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，其废除结构量大量减小，产生的建筑垃圾显著减少，更利于环境保护。

(7)本方法的永久受力结构的耐久性更好，将其与中洞法及侧洞法的对比可知，其在顶底板处共存在4处纵缝，而中洞法及侧洞法存在10处纵缝；同时本方法不存环缝，而中洞法及侧洞法存在大量环缝，缝的存在不利于永久受力结构的耐久性。

显而易见的是，以上的描述和记载仅仅是举例而不是为了限制本发明的公开内容、应用或使用。虽然已经在实施例中描述过并且在附图中描述了实施例，但本发明不限制由附图示例和在实施例中描述的作为目前认为的最佳模式以实施本发明的教导的特定例子，本发明的范围将包括落入前面的说明书和所附的权利要求的任何实施例。

Claims (8)

1.一种用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于包括如下步骤：

步骤一：对道路两侧的可用空地进行围挡，在围挡内施作暗挖施工竖井，在竖井内施工水平横通道；

步骤二：施作第一导洞，第一导洞采用钢格栅结合喷射混凝土的结构施作，在所述第一导洞内通过管棚机或者微型顶管机进行横向棚护结构的施作，所述横向棚护结构包含为多根棚护钢管，所述多根棚护钢管贯穿第一导洞且相对第一导洞横向间隔设置，形成位于整个超浅埋大型地下空间上方的横向棚护钢管机构，整个横向棚护钢管机构采用与开挖方向垂直布设的方式，为后期施作的结构进行有效的顶部棚护，保证保证地下空间施工作业人员、地面及地下管线的安全；

步步骤三：在横向棚护钢管结构的保护下进行第二导洞的施作，所述第二导洞位于横向棚护钢管结构下方和第一导洞的两侧，所述第二导洞采用了U型的钢格栅或型钢结合喷射混凝土的U型支护结构，钢格栅或型钢的间距与棚护钢管的间距保持一致，每个U型的钢格栅或型钢的侧壁顶部与棚护钢管进行无缝衔接，以保证形成有效的竖向支撑，同时避免支撑间隙带来的后续施工沉降；

步骤四：当第二导洞的开挖进尺超过第三导洞开挖高度的2倍后，进行第三导洞的施工，所述第三导洞位于第二导洞的下方，第三导洞采用钢格栅结合喷射混凝土或型钢结合喷射混凝土结构施作；

步骤五：在第二导洞和第三导洞施工至一定进尺后，通过台阶法开挖第二导洞和第三导洞之间的土体，并在上台阶间隔架设斜撑，斜撑的顶部与第一导洞顶紧，斜撑的脚部与第二导洞的侧壁进行连接；

步骤六：在下台阶取土后，在底部架设封底格栅，并浇筑位于底部中间的条基；

步骤七：间隔架设竖向支撑，竖向支撑的顶部与第一导洞顶紧，底部立于条基上，形成竖向支顶，并分段拆除斜撑。

2.如权利要求1所述的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于：完成横向棚护结构施工后，在第一导洞内设置多根纵向钢筋及U型锚筋，所述U型锚筋设置有多排多列，各U型锚筋的下端环箍横向棚护钢管结构中的各棚护钢管，后采用混凝土回填整个第一导洞，从而使第一导洞形成沿开挖方向的纵向大梁，此时第一导洞内横向棚护结构的棚护钢管通过U型锚筋锚入纵向大梁内，共同形成一个整体性的梁板构件，更好的提高了强度和支撑度。

3.如权利要求1所述的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于：所述第一导洞的净宽选为2.5m-4.0m，净高选为2.2m。

4.如权利要求1所述的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于：所述棚护钢管结构中的各棚护钢管的直径为300-350mm，壁厚为12mm-16mm，各棚护钢管的中心线之间的间距为500-600mm，棚护钢管的长度超出后期开挖结构的外边界一定距离。

5.如权利要求1所述的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于：各棚护钢管由多根管节组成，多根管节从第一导洞的两侧分别通过管棚机或者微型顶管机依次顶入，各管节间采用丝扣连接或者焊接，相邻棚护结构的管节错开布置以提高整体性。管节节点处增设内套管以实现节点等强。两侧分别顶入完成后在第一导洞内实现棚护钢管的对接，以完成棚护钢管的施工，由第一导洞从中间向两边双向进行打设，长度显著变短，极大改善因为棚护钢管施作的过长，定位精度难以保证、所需顶进力大需要大功率机械、造价高的问题。

6.如权利要求1所述的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于：开挖第一导洞的方法为：根据开挖的步距打设超前支护，将步距内的预期断面一次开挖完毕，之后在断面内缘间隔设置多个钢格栅后喷射混凝土以形成断面内的支护结构，然后进行下一步距的超前支护打设、开挖及支护结构施作，依次循环，直至第一导洞的支护结构形成。

7.如权利要求1所述的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于：开挖第一导洞的方法为：根据开挖的步距打设超前支护，将步距内的预期断面分两步开挖，之后施作钢格栅结合喷射混凝土的支护结构，然后进行下一步距的超前支护打设、开挖及支护结构施作。依次循环，直至第一导洞的支护结构形成。

8.如权利要求1所述的用于超浅埋大型地下空间的棚架施工法，其特征在于：还包含步骤八：施做第二导洞和第三导洞之间的永久受力结构；

步骤九：施做剩余部分永久受力结构，拆除永久结构范围内初支结构，形成完整的永久结构。