CN110387888A - 隧道上方基坑加固结构及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种隧道上方基坑加固结构及其制造方法，包括底层加固结构，底层加固结构设置在隧道上方并沿隧道两侧向地下纵向延伸；浇筑板层，浇筑板层设置在底层加固结构上方，包括多个浇筑底板分块，浇筑底板分块横跨在隧道上方并连接底层加固结构。本申请提供的技术方案，底层加固结构与桩基础一起作用在盾构隧道上方和两侧，对盾构隧道起到“包裹式”保护，由于桩基础底部嵌入地下较深层的抗拔和抗压持力层，因此基坑开挖卸载和结构上盖加载过程中产生的扰动荷载可以通过底层加固结构与桩基础向地下深处的持力层传递，避免上述扰动荷载直接作用在盾构隧道结构上，从而有效降低后续施工建设对现有地铁盾构隧道的影响。
Description
技术领域
本发明涉及工程建设领域，特别是涉及一种隧道上方基坑加固结构及其制造方法。
背景技术
地铁作为现代化城市的交通工具，其安全性极为重要，通常情况下，地铁通道采用盾构隧道构成，盾构隧道为预制拼装管片结构，与整体浇筑框架结构相比，盾构隧道管片的抗变形能力较弱，易受到相邻工程建设的施工扰动影响。然而随着城市建设发展的需要，不可避免的会在地铁隧道上方进行基坑开挖和结构上盖施工作业，如控制不当，这些施工作业极易引起下卧地铁盾构隧道的变形和开裂，甚至可能造成严重的危害。
在盾构隧道上方新建建筑一般存在先卸载再加载的两次扰动，首先，基坑开挖卸载会改变隧道周边地基土的应力分布，造成地基土隆起变形，进而导致下卧隧道产生隆起位移和收敛变形。随后，新建结构上盖施工会在隧道上方产生加载，使隧道再次产生沉降位移和收敛变形。综上，地铁盾构隧道在上述加卸载扰动下会产生不可逆转的竖向位移和收敛变形，进而给地铁运营带来安全隐患。
为减小上述施工扰动对盾构隧道的影响，应该针对开挖卸载和上盖加载分别提出有效的控制措施，现有技术主要集中在隧道上方开挖基坑的控制措施方面，但缺乏基坑开挖与结构上盖一体化的保护技术。
发明内容
针对地铁盾构隧道上方基坑开挖卸载与结构上盖加载导致盾构隧道产生不可逆转的竖向位移和收敛变形的问题，本申请提供一种隧道上方基坑加固结构及其制造方法。
具体而言，本申请提供一种隧道上方基坑加固结构，包括底层加固结构，所述底层加固结构设置在隧道上方并沿所述隧道两侧向地下纵向延伸；浇筑板层，所述浇筑板层设置在所述底层加固结构上方，包括多个浇筑底板分块，所述浇筑底板分块横跨在所述隧道上方并连接所述底层加固结构。
进一步地，所述底层加固结构和所述浇筑板层之间设置缓冲层，所述缓冲层用于对作用在所述隧道上的载荷进行缓冲。
进一步地，所述缓冲层包括复合垫层，所述复合垫层自上而下依次包括木模板层、EPS板层和碎石垫层。
进一步地，所述底层加固结构包括纵向加固结构，所述纵向加固结构沿所述隧道两侧向地下纵向延伸，所述纵向加固结构的底部低于所述隧道的底部；横向加固结构，所述横向加固结构横跨在所述隧道上方并连接所述纵向加固结构。
进一步地，相邻的所述底层加固结构共用一个所述纵向加固结构。
进一步地，所述纵向加固结构沿水平方向的宽度不小于2米。
进一步地，所述纵向加固结构包括桩基础，所述桩基础用于加强所述纵向加固结构的支撑力度。
进一步地，所述桩基础顶部连接所述浇筑底板分块。
进一步地，所述浇筑底板分块包括钢筋笼。
进一步地，所述钢筋笼包括搭接接头，相邻的所述钢筋笼通过所述搭接接头定位并连接。
本申请所提供的隧道上方基坑加固结构，底层加固结构与桩基础一起作用在盾构隧道上方和两侧，从而形成半刚性的倒U型隔离体，对盾构隧道起到“包裹式”保护作用，由于桩基础底部嵌入地下较深层的抗拔和抗压持力层，因此基坑开挖卸载和结构上盖加载过程中产生的扰动荷载可以通过底层加固结构与桩基础向地下深处的持力层传递，避免上述扰动荷载直接作用在盾构隧道结构上，从而有效降低后续施工建设对现有地铁盾构隧道的影响。
此外，本申请所提供的技术方案，底层加固结构和浇筑板层之间设置复合垫层，复合垫层采用木模板层、EPS板(可发性聚苯乙烯板)和碎石垫层组成，能够进一步抵消基坑开挖和结构上盖施工过程中对盾构隧道带来的扰动。
进一步地，本申请提供一种隧道上方基坑加固结构的制造方法，包括以下步骤：
沿隧道上方及两侧构建底层加固结构，所述底层加固结构包括纵向加固结构和横向加固结构；
基坑开挖去除底层加固结构的顶部；
所述底层加固结构去除的所述上部分铺设浇筑板层，所述浇筑板层包括多个浇筑底板分块，所述浇筑板层连接所述底层加固结构。
进一步地，所述浇筑板层连接所述底层加固结构包括以下步骤：
将所述底层加固结构划分成多个区域；
依次将每个区域的底层加固结构所述顶部去除；
于每个区域的底层加固结构顶部去除后以及下一个区域的底层加固结构顶部去除前进行所述浇筑底板分块的铺设。
进一步地，在铺设所述浇筑底板分块前于所述底层加固结构去除的顶部设置缓冲层，所述缓冲层用于对作用在所述隧道上的载荷进行缓冲。
进一步地，所述底层加固结构与所述浇筑底板分块通过桩基础连接。
进一步地，所述桩基础设置在所述纵向加固结构之中，所述纵向加固结构沿所述隧道两侧向地下纵向延伸，所述纵向加固结构的底部低于所述隧道的底部。
对于本申请的各种具体结构及其作用与效果，将在下面结合附图作出进一步详细的说明。
附图说明
图1为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构的主视图；
图2为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构的侧视图；
图3为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构的俯视图；
图4为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第一状态主视图；
图5为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第一状态侧视图；
图6为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第二状态主视图；
图7为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第二状态侧视图；
图8为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第三状态侧视图；
图9为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构钢筋笼结构图；
图10为本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构的制造流程图；
图11为本申请一种实施例的浇筑板层与底层加固结构连接流程图。
具体实施方式
下面将结合附图对本申请实施例中的技术方案做进一步清楚、完整的描述，但需要说明的是，以下实施例仅是本申请中的部分优选实施例，并不涉及本申请技术方案所涵盖的全部实施例。
需要说明的是，在本申请的描述中，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
图1所示的是本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构的主视图，其中，底层加固结构2设置在隧道1的上方并沿隧道1的两侧向地下纵向延伸，形成一个类似于倒“U”型的结构，对隧道1形成包裹式保护。优选地，底层加固结构2采用水泥土系加固，如水泥土搅拌桩。底层加固结构2包括纵向加固结构21和横向加固结构22，其中，纵向加固结构21沿隧道1两侧向地下纵向延伸，纵向加固结构21的底部低于隧道1的底部；横向加固结构22横跨在隧道1上并连接位于隧道1两侧的纵向加固结构21，构成一体的倒“U”型结构。
本申请的一种实施例所涉及的隧道1主要指地铁盾构隧道。依次类推，当存在多条地铁盾构隧道时，依次构建纵向加固结构21和横向加固结构22，如图1中所示，在两条隧道1上方设置底层加固结构2，相邻的底层加固结构2共用一个纵向加固结构21，从而形成一个类似“M”型的整体加固结构。进一步地，在纵向加固结构21中设置桩基础23，用于进一步加强纵向加固结构21的支撑力度。优选地，桩基础23包括可插入型钢或钢管等劲性芯材。桩基础23部分插入在纵向加固结构21中，部分延伸在纵向加固结构21的外部。桩基础23的底部嵌入地下较深处的抗拔和抗压持力层，与底层加固结构2共同作用，在隧道1上方和两侧形成的隔离体，加强对隧道1的“包裹式”保护，基坑开挖卸载和结构上盖加载产生的附加载荷通过倒“U”型底层加固结构2与桩基础23向地下深处持力层传递，避免上述附加荷载直接作用在盾构隧道1的结构上，从而有效避免盾构隧道1产生的竖向位移和收敛变形。
作为本申请的另一种实施方式，当在盾构隧道1上新建的结构包括支撑梁时，将支撑梁布置在隧道两侧构成桩基础23，并与底层加固结构2相结合形成受力整体，即构成底层加固结构2内的桩基础23由新建结构的支撑梁替代。
底层加固结构2的上方铺设一层复合垫层3，复合垫层3自上而下依次包括木模板层、EPS板层(可发性聚苯乙烯板)和碎石垫层，用于对作用在隧道1上的载荷进行缓冲。需要说明的是，本申请所涉及的复合垫层3的材质仅是一种最优化搭配，但并不意味着复合垫层3仅限于以上所述材料和组合，其他类型的材料或者组合，能够起到对载荷的缓冲作用，都是本申请所允许的。
由于木模板层、EPS板层(可发性聚苯乙烯板)和碎石垫层组成的复合垫层3可以起到缓冲作用，后期新建结构加载产生沉降时，新建结构的底板不会对下卧地基土产生压载作用，而是将荷载通过浇筑板层传递到桩基础23上；同时，复合垫层3施工速度快，与传统的混凝土垫层相比，避免了混凝土垫层需要等待养护时间的问题。
浇筑板层4设置在复合垫层3的上方，由多个浇筑底板分块依次连接形成一体结构。新建结构设置在浇筑板层4的上方，通过本申请所提供的隧道上方基坑加固结构，基坑开挖卸载和结构上盖加载能够一体化构建，通过倒“U”型的半刚性结构，使得作用在盾构隧道1上的加卸载荷通过盾构隧道1的两侧向地下深处的持力层传递，从而有效减小了基坑卸载和结构上盖加载过程中对盾构隧道1的影响。
图2所示的是本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构的侧视图，其中，底层加固结构2、复合垫层3以及浇筑板层4沿隧道1的轴向方向延伸，对隧道1的整个外周形成一体化保护。
图3所示的是本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构的俯视图，其中浇筑板层4铺设在表层，包括多个浇筑底板分块41，每个浇筑底板分块横跨在隧道1的上方并通过桩基础23连接位于隧道两侧的底层加固结构2。结合图1所示，桩基础23的前端高于复合垫层3的高度，因而桩基础23能够向上延伸至浇筑板层4的每个分块中，从而将浇筑板层4的每个分块与底层加固结构2连接。
图4所示的是本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第一状态主视图，第一状态指的是隧道上方基坑加固结构构建的初始状态。沿隧道1的上方和两侧设置底层加固结构2，底层加固结构2包括纵向加固结构21和横向加固结构22，其中，纵向加固结构21沿隧道1的两侧向地下纵向延伸，纵向加固结构21的底部低于隧道1的底部，包括桩基础23，桩基础23用于加强纵向加固结构21的支撑力度。
横向加固结构22横跨在隧道1上并连接位于隧道1两侧的纵向加固结构21，为了保证隧道上方基坑加固结构不会对隧道1产生影响，优选地，纵向加固结构21沿水平方向的宽度B不小于2米，宽度B即相邻的两个隧道1之间设置的纵向加固结构21的宽度。横向加固结构22的底部与隧道1的顶部间距不少于0.5米。在初始状态下，本申请所提供的隧道上方基坑加固结构上表面与地面10处于同一水平线上。
需要说明的是，引入地面10作为一个参考线是为了本领域技术人员更好地理解本方案技术特征，特别是在后续进行基坑开挖和上盖结构加载中，通过引入地面10能够更好的理解本申请所提供的结构，并非本申请所提供的技术方案仅限于与地面10保持同一水平线，本领域技术人员可以根据施工需要和成本控制，选择合适的参考线。
图5所示的是本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第一状态侧视图，底层加固结构2沿隧道1轴向方向延伸，并与地面10保持在同一水平线上。
图6所示的是本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第二状态主视图，将底层加固结构2的表面划分成多个区域，将第一区域的顶部进行开挖卸载，直至将纵向加固结构21内桩基础23的前端231显露出来。在第一区域的底层加固结构2的上方铺设复合垫层3，在复合垫层3上方铺设第一浇筑底板分块41，纵向加固结构21中的桩基础23的连接第一浇筑底板分块41，具体而言，第一浇筑底板分块41横跨在隧道1上，上述底层加固结构2的第一区域的顶部进行开挖卸载后显露出来的桩基础23，其前端231能够穿过复合垫层3向上延伸至第一浇筑底板分块41之中，从而将第一浇筑底板分块41与底层加固结构2连接在一起。
需要说明的是，沿地面10向下开挖底层加固结构2的第一区域顶部，目的是在其上设置第一浇筑底板分块41，因此其开挖的表面积应该与第一浇筑底板分块41表面积保持一致，使得第一浇筑底板分块41能够顺利放置到开挖的基坑内，基坑开挖深度由设计人员根据施工要求进行设计，优选地，开挖深度为横向加固结构22厚度的1/2。
图7所示的是本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第二状态侧视图，其中沿底层加固结构2上部分开挖楔形基坑，并保证底面平整，在底面上铺设复合垫层3，第一浇筑底板分块41设置在复合垫层3上。
图8所示的是本申请一种实施例的隧道上方基坑加固结构第三状态侧视图，结合图3所示的结构，在完成如图7所示的第一浇筑底板分块41的铺设后继续沿着隧道方向开宽基坑，直至可以与第一浇筑底板分块41并排地铺设第二浇筑底板分块41。重复以上步骤，直至在整个底层加固结构2的上方铺设多个浇筑底板分块41从而形成一体的浇筑板层4。
采用该种结构的隧道上方基坑加固结构，为了使基坑开挖过程中对盾构隧道1的影响降到最低，将底层加固结构2划分成多个区域进行开挖施工，每一分块均采用快速开挖施工，减少坑底暴露时间，当前一浇筑底板分块41施工完成形成压载后，再进行开挖施工底层加固结构2的下一区域。每一浇筑底板分块41的两侧均与前述底层加固结构2中的桩基础23连接，从而能够将后续新建结构的加载力通过底层加固结构2向地下深处持力层传递，有效避免了在盾构隧道1上新建结构造成的变形影响。
图9所示的是本申请一个实施例的隧道上方基坑加固结构钢筋笼结构图，浇筑底板分块41内部包括钢筋笼5，钢筋笼5在地面预制完成，当该分区的土方开挖完成并铺设复合垫层3后，由吊机直接将预制的钢筋笼5吊装至坑底，之后通过现场浇筑完成浇筑底板分块41的构建。
为了保证相邻钢筋笼5能够快速对接，从而提升相邻浇筑底板分块41的连接，防止盾构隧道上方长期卸载引起的结构变形，相邻钢筋笼5之间通过搭接接头51进行定位和连接。具体而言，搭接接头51沿钢筋笼5的一端设置并伸出到浇筑底板分块41的外部，上一个钢筋笼5的搭接接头51能够插入到下一个钢筋笼5之中，从而将相邻的两个钢筋笼5连接在一起。当上一个浇筑底板分块41构建完成后，将下一个浇筑底板分块的钢筋笼5吊装预定位置，上一个浇筑底板分块41裸露的搭接接头51能够插入到新吊装而来的下一个钢筋笼5的接入端53，从而实现相邻的浇筑底板分块41的快速对接。
浇筑板层4的钢筋笼5采用地面预制，整体吊装的方式，可以大大缩短底板钢筋的绑扎时间，尽早浇筑混凝土从而对基坑形成封底。采用复合垫层3与分块底板钢筋预制吊装的方式，能够减少基坑暴露时间，从而减小地基因长期卸载导致的基土隆沉变形。
本申请所提供的隧道上方基坑加固结构，底层加固结构与桩基础一起作用在盾构隧道上方和两侧，从而形成半刚性的倒U型隔离体，对盾构隧道起到“包裹式”保护作用，由于桩基础底部嵌入地下较深层的抗拔和抗压持力层，因此基坑开挖卸载和结构上盖加载过程中产生的扰动荷载可以通过底层加固结构与桩基础向地下深处的持力层传递，避免上述扰动荷载直接作用在盾构隧道结构上，从而有效降低后续施工建设对现有地铁盾构隧道的影响。
图10所示的是本申请实施例的隧道上方基坑加固结构的制造流程图，包括步骤：
S111:沿隧道上方及两侧构建底层加固结构，所述底层加固结构包括纵向加固结构和横向加固结构；
S112:基坑开挖去除底层加固结构的顶部；
S113:所述底层加固结构去除的所述上部分铺设浇筑板层，所述浇筑板层包括多个浇筑底板分块，所述浇筑板层连接所述底层加固结构。
底层加固结构采用先加载后卸载的方式，将底层加固结构设置完成后，去除底层加固结构的顶部，具体而言，去除顶部的上表层，或者从上往下去除底层加固结构的上半部分，之后在去除的区域内设置浇筑板层，不仅能够保护盾构隧道，同时有利于在浇筑板层上方新建结构。需要说明的是，底层加固结构的顶部去除范围，并不限于本申请上述的范围，本领域技术人员能够根据实际需要设计出符合其要求的范围。
通过本申请所提供的隧道上方基坑加固结构的制造方法，底层加固结构对隧道周圈软土进行加固改良，将附加荷载均匀作用在隧道周圈，减小隧道周围压力的剧烈不均匀变化，防止隧道结构在附加偏压荷载下的收敛变形。底层加固结构上方铺设浇筑板层，一方面能够保证盾构隧道上方的加载均匀，同时在浇筑板层上方建设新结构时，能够将载荷通过与其连接的底层加固结构连接，从而将载荷传递到地下深处的持力层，避免了新建结构建设过程中对盾构隧道的影响。
图11所示的是本申请一种实施例的浇筑板层与底层加固结构连接流程图，包括以下步骤：
S121:将所述底层加固结构划分成多个区域；
S122:依次将每个区域的底层加固结构所述顶部去除；
S123:于每个区域的底层加固结构顶部去除后以及下一个区域的底层加固结构顶部去除前进行所述浇筑底板分块的铺设。
进一步地，在铺设所述浇筑底板分块前于底层加固结构去除的顶部设置缓冲层，缓冲层用于对作用在隧道上的载荷进行缓冲。
每个浇筑底板分块横跨在隧道的上方并通过桩基础连接位于隧道两侧的底层加固结构。桩基础设置在纵向加固结构之中，纵向加固结构沿隧道两侧向地下纵向延伸，纵向加固结构的底部低于所述隧道的底部，桩基础的底部深入到地下深处的持力层中，从而形成较好的抗拔和支撑能力。
由于基坑的变形与基坑暴露时间和开挖卸载体量有直接关系，因此将底层加固结构分成多个区域，并在每个区域上方单独设置浇筑底板分块，完成该区域内的浇筑底板分块后，再开挖下一个底层加固结构分区，之后再铺设浇筑底板分块。采用分块开挖和分块施工底板的方法，可以显著减少坑底的暴露时间和卸载，大大减小坑底地基土的隆沉变形。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (15)
1.一种隧道上方基坑加固结构，其特征在于，包括：
底层加固结构，所述底层加固结构设置在隧道上方并沿所述隧道两侧向地下纵向延伸；
浇筑板层，所述浇筑板层设置在所述底层加固结构上方，包括多个浇筑底板分块，所述浇筑底板分块横跨在所述隧道上方并连接所述底层加固结构。
2.根据权利要求1所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，所述底层加固结构和所述浇筑板层之间设置缓冲层，所述缓冲层用于对作用在所述隧道上的载荷进行缓冲。
3.根据权利要求2所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，所述缓冲层包括复合垫层，所述复合垫层自上而下依次包括木模板层、EPS板层和碎石垫层。
4.根据权利要求2所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，所述底层加固结构包括：
纵向加固结构，所述纵向加固结构沿所述隧道两侧向地下纵向延伸，所述纵向加固结构的底部低于所述隧道的底部；
横向加固结构，所述横向加固结构横跨在所述隧道上方并连接所述纵向加固结构。
5.根据权利要求4所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，相邻的所述底层加固结构共用一个所述纵向加固结构。
6.根据权利要求4或5所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，所述纵向加固结构沿水平方向的宽度不小于2米。
7.根据权利要求4或5所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，所述纵向加固结构包括桩基础，所述桩基础用于加强所述纵向加固结构的支撑力度。
8.根据权利要求7所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，所述桩基础顶部连接所述浇筑底板分块。
9.根据权利要求8所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，所述浇筑底板分块包括钢筋笼。
10.根据权利要求9所述的隧道上方基坑加固结构，其特征在于，所述钢筋笼包括搭接接头，相邻的所述钢筋笼通过所述搭接接头定位并连接。
11.一种隧道上方基坑加固结构的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
沿隧道上方及两侧构建底层加固结构，所述底层加固结构包括纵向加固结构和横向加固结构；
基坑开挖去除底层加固结构的顶部；
所述底层加固结构去除的所述上部分铺设浇筑板层，所述浇筑板层包括多个浇筑底板分块，所述浇筑板层连接所述底层加固结构。
12.根据权利要求11所述的隧道上方基坑加固结构的制造方法，其特征在于，所述浇筑板层连接所述底层加固结构包括以下步骤：
将所述底层加固结构划分成多个区域；
依次将每个区域的底层加固结构所述顶部去除；
于每个区域的底层加固结构顶部去除后以及下一个区域的底层加固结构顶部去除前进行所述浇筑底板分块的铺设。
13.根据权利要求12所述的隧道上方基坑加固结构的制造方法，其特征在于，在铺设所述浇筑底板分块前于所述底层加固结构去除的顶部设置缓冲层，所述缓冲层用于对作用在所述隧道上的载荷进行缓冲。
14.根据权利要求13所述的隧道上方基坑加固结构的制造方法，其特征在于，所述底层加固结构与所述浇筑底板分块通过桩基础连接。
15.根据权利要求14所述的隧道上方基坑加固结构的制造方法，其特征在于，所述桩基础设置在所述纵向加固结构之中，所述纵向加固结构沿所述隧道两侧向地下纵向延伸，所述纵向加固结构的底部低于所述隧道的底部。
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