CN111305219A - 基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系及施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系及施工方法，所述体系包括围护桩、格栅钢架和拱盖结构；基坑在平面上被分层若干个小基坑，基坑围护桩位于既有隧道两侧，纵向成排设置，并向下伸入既有隧道拱底以下；拱盖位于既有隧道上方，两端拱脚与围护桩刚性连接、有效传力；既有隧道上方小基坑围护体系由纵向围护桩与横向格栅钢架组成，格栅钢架与围护桩将既有隧道上方区域分成多个小基坑。本发明基于“化整为零”的基坑开挖方式，最大程度减小了既有隧道上方土体开挖卸载的影响，同时基于拱盖转换结构将新建结构荷载传递至地层深处，避免了地下结构荷载对下卧隧道的不利影响，构建了既有隧道上方新建地下结构的全新方法，施工便捷。

Description

基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系及施工方法

技术领域

本发明属于地下工程技术领域，具体涉及一种基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系及施工方法。

背景技术

目前，随着各地城市轨道交通新一轮建设规划项目的开工建设，各类穿越既有运营隧道施工已逐渐成为常态，但目前的技术水平却难以完全保证穿越施工期间既有运营隧道的安全，因此包含跨越在内的既有线近接施工已是迫在眉睫需要突破的一项重大技术难题。

一般条件下，新建工程跨越既有运营隧道施工，基坑开挖卸载必然会引起下卧隧道的隆起变形，各类地层加固措施应运而生，但无论采用何种加固方案，对周边交通与临近构筑物（如地下管线）的影响是不可避免的，有时甚至会造成严重的环境破坏现象。同时，新建构筑物荷载也会对下卧隧道产生附加荷载，导致下卧隧道需要承受先卸载、后加载的受力过程，严重影响运营安全，目前常用的处理方法是适当拉开新建工程与既有下卧隧道的竖向净距，夹土体地层注浆加固处理等方式，不仅实施效果难以保证、而且处理代价高昂。

发明内容

本发明的目的是提供一种基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系及施工方法，基于“化整为零”的思路将已运营隧道影响范围内的基坑划分成一系列小基坑，相邻基坑采用间隔跳挖方式，基坑采用围护桩与格栅钢架的复合式支护结构，小基坑开挖到坑底后及时施做拱盖结构，拱盖结构与沿隧道纵向布置的围护桩刚性连接有效抑制基坑底部地层的卸载，最大程度减少下卧隧道的回弹隆起，同时拱盖与基坑围护桩形成有效的拱盖转换结构，拱盖结构可将新建地下结构附加荷载转移至地层深处，新建地下结构对应的荷载作用路径可优化为：地下结构→拱盖→桩基→地层深处，最大程度减少下卧隧道承受新建地下结构的附加荷载，最大程度确保既有线运营安全。

本发明所采用的技术方案为：

基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

所述体系包括围护桩、格栅钢架和拱盖；

围护桩位于既有隧道两侧，与隧道平行、纵向成排设置，并向下伸入既有隧道拱底以下；

拱盖位于既有隧道上方，横向两端与围护桩刚性连接；

基坑轮廓线将既有隧道上方有效影响区域划分成若干个小基坑，垂直于既有隧道的小基坑侧壁采用格栅钢架进行支护，格栅钢架与围护桩共同构成小基坑支护体系。

小基坑围护桩顶部设置有桩顶冠梁，围护桩顶部桩顶冠梁施工时，在桩顶位置拉槽开挖。

小基坑在格栅钢架位置，地表设置锁口圈梁。

格栅钢架位置锁口圈梁与桩顶冠梁一次整体浇筑，形成闭合的卧梁。

锁口圈梁下方预留钢筋，与第一榀格栅钢架焊接连接，后续相邻格栅钢架之间采用竖向钢筋连接。

格栅钢架与隧道纵向垂直，格栅钢架两端位于相邻围护桩之间，钢架末端位于围护桩中心以外。

小基坑施工采用间隔跳挖方式，每榀格栅钢架均打设锁脚锚杆，锁脚锚杆水平向夹角不小于35°，环纵向间距为1×1m，锁脚锚杆内压注水泥浆。

拱盖上部水平，作为新建地下结构的结构底板，拱盖下部呈弧形，两端拱脚与相应位置围护桩刚性连接，形成有效传力节点。

拱盖底部、地下结构侧墙与顶板设置全包防水层，拱盖底部预铺反粘防水卷材。

基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求进行隧道掘进施工，完成隧道工程主体结构施工，形成既有隧道；

步骤二：根据既有隧道有效影响范围，通过基坑轮廓线将既有隧道有效影响区域划分成若干个小基坑；

步骤三：根据基坑轮廓线，采用全回转钻机，沿既有隧道两侧纵向施做围护桩，围护桩的布置需要满足与隧道垂直的基坑轮廓线位于相邻围护桩中间部位；围护桩底部伸入隧道拱底以下至少3m，在围护桩顶部拉槽施做桩顶冠梁；

步骤四：根据间隔跳挖工序安排，选取既有隧道正上方某一小基坑进行土方施工，在开挖前，沿既有隧道横向施做锁口圈梁，锁口圈梁两端与桩顶冠梁整体浇筑，形成一圈闭合的卧梁；

步骤五：在基坑开挖过程中，及时施做与既有隧道走向垂直的格栅钢架，并通过钢筋将锁口圈梁与格栅钢架有效连接，相邻格栅钢架之间也采用竖向钢筋连接，格栅钢架采用喷混处理，随后在每榀格栅钢架处打设锁脚锚杆，并压注水泥浆；

步骤六：待即将开挖到小基坑底部时，最后2-3榀格栅钢架处不再打设锁脚锚杆，避免锁脚锚杆侵入下方既有隧道轮廓；

步骤七：小基坑底部0.5m范围采用人工开挖，并按拱盖底部拱形轮廓进行修整；

步骤八：按要求在坑底敷设防水材料、素砼垫层，随后绑扎钢筋、浇筑拱盖结构，拱盖两侧拱脚与相应位置围护桩通过植筋连接，形成刚性传力节点；

步骤九：根据上述小基坑开挖步骤与拱盖施工步序，间隔跳挖施工其余小基坑，完成隧道影响范围内所有土体开挖施工；

步骤十：根据拟建地下结构平面轮廓范围与主体结构分段浇筑高度，将小基坑侧壁格栅钢架与锁脚锚杆进行分段拆除，将相邻小基坑之间的围护桩进行分段破除，随后按要求敷设侧墙防水层并浇筑地下结构；

步骤十一：待地下结构达到设计强度后，在其顶板上涂刷防水材料，凿除地表以下3m范围内基坑围护结构，同时顶板上方回填土体并压实，恢复路面。

本发明具有以下优点：

本发明将既有运营隧道上方影响范围内新建地下结构对应的基坑划分成若干小基坑，对相邻小基坑采用间隔跳挖方式，减小基坑开挖引起的基坑底部地层卸载效应，同时结合新建结构底板，在基坑底部施做拱盖结构，通过拱盖结构与基坑围护桩的有效连接，将新建地下结构对应的附加荷载传递至地层深处，避免下卧运营隧道承受过大的附加荷载，对基坑开挖卸载与新建结构附加荷载两方面进行了有效控制。基坑开挖涉及的围护桩、格栅钢架、锁脚锚杆、锁口圈梁以及拱盖结构用混凝土与钢结构，均为普通防水混凝土与常规钢材，拱盖结构下方的素砼垫层与地下主体结构四周的封闭式防水材料，均为常规防水卷材或防水涂料。其相应尺寸为常规类型，便于加工制造；沿隧道横纵向布置的小基坑分割线，可根据小基坑底部卸载影响程度灵活调整大小，沿隧道纵向布置的基坑围护桩直径与间距，可根据基坑自身稳定性需要灵活调整，小基坑底部设置的拱盖结构，其底部拱结构的矢高比（一般大于1/10）、拱脚与中心部位具体厚度等，可根据上部地下结构荷载情况进行针对性设计，基坑围护桩伸入隧道拱底的深部，一般不小于3m，具体视地层情况而定。本发明工艺简单、施工简便，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、市政隧道等既有隧道跨越工程中有广泛的应用前景。

附图说明

图1为跨既有线隧道小基坑平面布置图。

图2为小基坑横断面与拱盖转换结构布置图 。

图3为跨既有线隧道小基坑纵断面布置图。

图4为基于竖向荷载转换的地下结构布置图。

图中，1-既有隧道，2-小基坑轮廓线，3-小基坑，4-围护桩，5-桩顶冠梁，6-锁口圈梁，7-格栅钢架，8-锁脚锚杆，9-拱盖，10-地下结构。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明进行详细的说明。

本发明涉及一种基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，本发明拓宽了现有跨越既有运营隧道上方基坑开挖与地下结构施做工艺，基于“化整为零”开挖方式丰富了基坑开挖卸载控制思路、基于拱盖转换结构丰富了既有隧道上方超载处理与荷载转换理念。

所述体系包括围护桩4、格栅钢架7和拱盖9；围护桩4位于既有隧道1两侧，纵向成排设置，并向下伸入既有隧道1拱底以下；拱盖9位于既有隧道1上方，两端拱脚与围护桩4刚性连接、有效传力；格栅钢架7与隧道1纵向垂直，格栅钢架7两端位于相邻围护桩4之间，钢架末端位于围护桩4中心以外；格栅钢架7与围护桩4将既有隧道1上方空间分成了多个小基坑3。小基坑3跳挖施工能有效抑制下方已建隧道1的回弹隆起，拱形盖板与支撑桩形成的受力转换结构，可以将新建地下结构的附加荷载，有效转移至地层深处，避免对下方已建隧道形成附加荷载。

纵向成排布置的围护桩4顶部拉槽开挖，绑扎钢筋，随后围护桩4顶部浇筑桩顶冠梁5。格栅钢架7顶部设置有锁口圈梁6，锁口圈梁6两端与桩顶冠梁5整体浇筑，形成闭合的卧梁。

第一榀格栅钢架7与锁口圈梁6有效连接，相邻格栅钢架7之间采用竖向钢筋连接。格栅钢架7与隧道1纵向垂直，格栅钢架7两端位于相邻围护桩4之间，钢架末端位于围护桩4中心以外。

小基坑3施工采用间隔跳挖方式，每榀格栅钢架7均需打设锁脚锚杆8，锁脚锚杆8水平向夹角一般不小于35°，环纵向间距可按1×1m考虑，锁脚锚杆8内及时压注水泥浆

拱盖9作为上部地下结构10的结构底板，两侧拱脚与围护桩4有效连接、刚性传力。拱盖9底部设置预铺反粘防水卷材。

参见附图：

隧道1上方基坑在平面上被小基坑轮廓线2分割成若干小基坑3，沿隧道纵向布置的分割线，一般与隧道1净距控制在3m左右，沿隧道1横向布置的分割线，一方面要控制小基坑3平面投影面积，一方面要从沿隧道纵向布置的相邻围护桩4之间穿过，确保横向格栅钢架7可在相邻围护桩4之间卡死，形成有效的机械连接，增加小基坑3的自身稳定性。

小基坑3主要包括沿隧道纵向设置的围护桩4、与隧道纵向垂直的格栅钢架7，以及每榀格栅钢架7均需打设的锁脚锚杆8，在围护桩4顶部设置桩顶冠梁6，在格栅钢架7顶部设置锁口圈梁6。锁口圈梁6与格栅钢架7之间、上下相邻格栅钢架7之间，采用竖向钢筋进行焊接，锁脚锚杆8内及时压注水泥浆，一方面起到固定格栅钢架7、防止基坑往下开挖期间可能导致的钢架下沉，一方面可提前注浆加固下方地层，增加基坑侧壁稳定性。

拱盖9位于地下结构10与既有隧道1之间，拱盖9可作为地下结构10底板的一部分，拱盖9下部拱形断面的矢高比与断面有效高度，可根据地下结构10与上覆土体荷载计算确定。

拱盖9拱脚与围护桩4之间通过受力钢筋互锚实现刚接节点，确保有效传力，围护桩4兼做永久支撑桩，耐久性按永久结构考虑。

地下结构10浇筑期间，保留最外侧小基坑3的围护桩4，相邻基坑之间的围护桩4与格栅钢架7需要逐段破除（由下至上）。

本发明基于“化整为零”的基坑开挖方式，最大程度减小了既有运营隧道上方土体开挖引起的坑底卸载效应，同时基于拱盖转换结构将新建地下结构荷载转移至地层深处，最大程度减小了地下结构荷载作用对下卧运营隧道的不利影响，构建了既有运营隧道上方新建地下结构的全新方法，同时，小基坑数量与规模，围护桩深度与直径，以及拱盖结构具体形状与有效高度等均可根据实际工程情况灵活调整。构造方式简单、施工便捷。

上述基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系施工方法，包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求进行隧道掘进施工，完成隧道工程主体结构施工，形成既有隧道1；

步骤二：根据既有隧道1有效影响范围，通过基坑轮廓线2将既有隧道1有效影响区域划分成若干个小基坑3；

步骤三：根据基坑轮廓线2，采用全回转钻机，沿既有隧道1两侧纵向施做围护桩4，围护桩4的布置需要满足与隧道1垂直的基坑轮廓线位于相邻围护桩4中间部位；围护桩4底部伸入隧道1拱底以下至少3m，在围护桩4顶部拉槽施做桩顶冠梁5；

步骤四：根据间隔跳挖工序安排，选取既有隧道1正上方某一小基坑3进行土方施工，在开挖前，沿既有隧道1横向施做锁口圈梁6，锁口圈梁6两端与桩顶冠梁5整体浇筑，形成一圈闭合的卧梁；

步骤五：在基坑开挖过程中，及时施做与既有隧道1走向垂直的格栅钢架7，并通过钢筋将锁口圈梁6与格栅钢架7有效连接，相邻格栅钢架7之间也采用竖向钢筋连接，格栅钢架7采用喷混处理，随后在每榀格栅钢架7处打设锁脚锚杆8，并压注水泥浆；

步骤六：待即将开挖到小基坑3底部时，最后2-3榀格栅钢架7处不再打设锁脚锚杆8，避免锁脚锚杆8侵入下方既有隧道1轮廓；

步骤七：小基坑3底部0.5m范围采用人工开挖，并按拱盖9底部拱形轮廓进行修整；

步骤八：按要求在坑底敷设防水材料、素砼垫层，随后绑扎钢筋、浇筑拱盖9结构，拱盖9两侧拱脚与相应位置围护桩4通过植筋连接，形成刚性传力节点；

步骤九：根据上述小基坑3开挖步骤与拱盖9施工步序，间隔跳挖施工其余小基坑3，完成隧道1影响范围内所有土体开挖施工；

步骤十：根据拟建地下结构10平面轮廓范围与主体结构分段浇筑高度，将小基坑3侧壁格栅钢架7与锁脚锚杆8进行分段拆除，将相邻小基坑3之间的围护桩4进行分段破除，随后按要求敷设侧墙防水层并浇筑地下结构10；

步骤十一：待地下结构10达到设计强度后，在其顶板上涂刷防水材料，凿除地表以下3m范围内基坑围护结构，同时顶板上方回填土体并压实，恢复路面。

在既有运营隧道极其严格的控制标准情况下，要从理论上找出能适应任意条件下隧道上方基坑开挖与地下结构新建的施工方法，在现有的理论水平与施工技术条件下，仍有相当大的难度，因为各类既有运营隧道抵抗纵向不均匀荷载的能力不一样，地层条件千变万化，同时基坑支护及开挖方式也各不相同，既有运营隧道上方基坑开挖，仍应遵从“化整为零”的基本思路，将隧道影响范围内土体分成若干小基坑，按间隔跳挖的思路，在每个小基坑坑底及时施做压板，最大程度减小坑底地层暴露时间，减小卸载程度及其影响范围；同时在坑底及时施做拱盖与桩基相结合的受力转换结构，将隧道上方新建地下结构附加荷载有效转移至地层深处。目前既有运营隧道上方基坑开挖与新建地下结构，仍需本着功能第一、因地制宜、对症下药、灵活应用的基本原则。

本发明“基于小基坑跳挖与拱盖转换结构的既有线跨越施工工艺”主要指将既有运营隧道上方影响范围内新建地下结构对应的基坑划分成若干小基坑，对相邻小基坑采用间隔跳挖方式，减小基坑开挖引起的基坑底部地层卸载效应，同时结合新建结构底板，在基坑底部施做拱盖结构，通过拱盖结构与基坑围护桩的有效连接，将新建地下结构对应的附加荷载传递至地层深处，避免下卧运营隧道承受过大的附加荷载作用，从基坑开挖卸载与新建结构附加荷载两方面进行了有效控制，具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、市场通道等工程中有广泛的应用前景。

本发明的内容不限于实施例所列举，本领域普通技术人员通过阅读本发明说明书而对本发明技术方案采取的任何等效的变换，均为本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

所述体系包括围护桩（4）、格栅钢架（7）和拱盖（9）；

围护桩（4）位于既有隧道（1）两侧，与隧道（1）平行、纵向成排设置，并向下伸入既有隧道（1）拱底以下；

拱盖（9）位于既有隧道（1）上方，横向两端与围护桩（4）刚性连接；

基坑轮廓线（2）将既有隧道（1）上方有效影响区域划分成若干个小基坑（3），垂直于既有隧道（1）的小基坑（3）侧壁采用格栅钢架（7）进行支护，格栅钢架（7）与围护桩（4）共同构成小基坑（3）支护体系。

2.根据权利要求1所述的基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

小基坑（3）围护桩（4）顶部设置有桩顶冠梁（5），围护桩（4）顶部桩顶冠梁（5）施工时，在桩顶位置拉槽开挖。

3.根据权利要求2所述的基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

小基坑（3）在格栅钢架（7）位置，地表设置锁口圈梁（6）。

4.根据权利要求3所述的基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

格栅钢架（7）位置锁口圈梁（6）与桩顶冠梁（5）一次整体浇筑，形成闭合的卧梁。

5.根据权利要求4所述的基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

锁口圈梁（6）下方预留钢筋，与第一榀格栅钢架（7）焊接连接，后续相邻格栅钢架（7）之间采用竖向钢筋连接。

6.根据权利要求5所述的基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

格栅钢架（7）与隧道（1）纵向垂直，格栅钢架（7）两端位于相邻围护桩（4）之间，钢架末端位于围护桩（4）中心以外。

7.根据权利要求6所述的基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

小基坑（3）施工采用间隔跳挖方式，每榀格栅钢架（7）均打设锁脚锚杆（8），锁脚锚杆（8）水平向夹角不小于35°，环纵向间距为1×1m，锁脚锚杆（8）内压注水泥浆。

8.根据权利要求7所述的基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

拱盖（9）上部水平，作为新建地下结构（10）的结构底板，拱盖（9）下部呈弧形，两端拱脚与相应位置围护桩（4）刚性连接，形成有效传力节点。

9.根据权利要求8所述的基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系，其特征在于：

拱盖（9）底部、地下结构侧墙与顶板设置全包防水层，拱盖（9）底部预铺反粘防水卷材。

10.基于基坑跳挖与拱盖转换的既有隧道跨越体系施工方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求进行隧道掘进施工，完成隧道工程主体结构施工，形成既有隧道（1）；

步骤二：根据既有隧道（1）有效影响范围，通过基坑轮廓线（2）将既有隧道（1）有效影响区域划分成若干个小基坑（3）；

步骤三：根据基坑轮廓线（2），采用全回转钻机，沿既有隧道（1）两侧纵向施做围护桩（4），围护桩（4）的布置需要满足与隧道（1）垂直的基坑轮廓线位于相邻围护桩（4）中间部位；围护桩（4）底部伸入隧道（1）拱底以下至少3m，在围护桩（4）顶部拉槽施做桩顶冠梁（5）；

步骤四：根据间隔跳挖工序安排，选取既有隧道（1）正上方某一小基坑（3）进行土方施工，在开挖前，沿既有隧道（1）横向施做锁口圈梁（6），锁口圈梁（6）两端与桩顶冠梁（5）整体浇筑，形成一圈闭合的卧梁；

步骤五：在基坑开挖过程中，及时施做与既有隧道（1）走向垂直的格栅钢架（7），并通过钢筋将锁口圈梁（6）与格栅钢架（7）有效连接，相邻格栅钢架（7）之间也采用竖向钢筋连接，格栅钢架（7）采用喷混处理，随后在每榀格栅钢架（7）处打设锁脚锚杆（8），并压注水泥浆；

步骤六：待即将开挖到小基坑（3）底部时，最后2-3榀格栅钢架（7）处不再打设锁脚锚杆（8），避免锁脚锚杆（8）侵入下方既有隧道（1）轮廓；

步骤七：小基坑（3）底部0.5m范围采用人工开挖，并按拱盖（9）底部拱形轮廓进行修整；

步骤八：按要求在坑底敷设防水材料、素砼垫层，随后绑扎钢筋、浇筑拱盖（9）结构，拱盖（9）两侧拱脚与相应位置围护桩（4）通过植筋连接，形成刚性传力节点；

步骤九：根据上述小基坑（3）开挖步骤与拱盖（9）施工步序，间隔跳挖施工其余小基坑（3），完成隧道（1）影响范围内所有土体开挖施工；

步骤十：根据拟建地下结构（10）平面轮廓范围与主体结构分段浇筑高度，将小基坑（3）侧壁格栅钢架（7）与锁脚锚杆（8）进行分段拆除，将相邻小基坑（3）之间的围护桩（4）进行分段破除，随后按要求敷设侧墙防水层并浇筑地下结构（10）；

步骤十一：待地下结构（10）达到设计强度后，在其顶板上涂刷防水材料，凿除地表以下3m范围内基坑围护结构，同时顶板上方回填土体并压实，恢复路面。

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