岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构及施工方法.pdf

本发明属于隧道与地下工程设计与施工技术领域，尤其涉及一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构及施工方法，其特征在于：所述钢管桩表面和相邻钢管桩之间通过喷射混凝土面层封闭，所述钢管桩的顶部采用顶部圈梁纵向连接，所述顶部圈梁中包埋有圈梁压浆钢管，所述圈梁预应力锚索、钢管桩预应力锚索竖向设置，所述圈梁预应力锚索的一端安装于顶部圈梁上并通过圈梁固定件锁紧，所述钢管桩预应力锚索位于所述圈梁预应力锚索的下方，所述圈梁预应力锚索通过混凝土固定件固定于所述喷射混凝土面层上。本发明适用于软弱岩质地层大跨隧道和地下结构的直边墙初期支护结构，直边墙结构稳定，提高施工效率。

1.  一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构，其特征在于：包括钢管桩、喷射混凝土面层、顶部圈梁、圈梁预应力锚索、钢管桩预应力锚索、圈梁固定件、混凝土固定件，所述钢管桩表面和相邻钢管桩之间通过喷射混凝土面层封闭，所述钢管桩的顶部采用顶部圈梁纵向连接，所述顶部圈梁中包埋有圈梁压浆钢管，所述圈梁预应力锚索、钢管桩预应力锚索竖向设置，所述圈梁预应力锚索的一端安装于顶部圈梁上并通过圈梁固定件锁紧，所述钢管桩预应力锚索位于所述圈梁预应力锚索的下方，所述圈梁预应力锚索通过混凝土固定件固定于所述喷射混凝土面层上。

2.  根据权利要求1所述的一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构，其特征在于：所述钢管桩的钢管内部填充水泥砂浆，所述钢管桩采用直径219mm、厚度8mm钢管，钢管间距800～1500mm，钢管下部嵌入基坑底部≥2m，钢管上部锚入顶部圈梁深度≥1m。

3.  根据权利要求1所述的一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构，其特征在于：所述喷射混凝土面层为C20喷射混凝土面层。

4.  根据权利要求1所述的一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构，其特征在于：所述顶部圈梁为钢筋混凝土结构。

5.  根据权利要求1所述的一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构，其特征在于：所述圈梁固定件为槽钢或工字钢腰梁，所述混凝土固定件为槽钢或工字钢腰梁。

6.  根据权利要求1所述的一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构，其特征在于：所述圈梁预应力锚索的数量为一道。

7.  一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）施做地下结构上层拱部初期支护，根据地层情况采用超强注浆小导管、格栅钢架和喷射混凝土施工；
（2）上层拱部初期支护完成后，在边墙开挖位置外侧打设钢管桩，采用潜孔钻机造孔，下插钢管，然后压注1:1水泥砂浆；
（3）浇筑钢管桩顶部钢筋混凝土顶部圈梁，并在纵梁中埋设圈梁压浆钢管，待顶部圈梁达到设计强度后进行补充注浆，填充顶部圈梁底部空隙，加固顶部圈梁底部围岩，同时在顶部圈梁上埋设套管预留施作预应力锚索条件；
（4）在顶部圈梁位置施作圈梁预应力锚索和圈梁固定件，圈梁预应力锚索为第一道锚索，按设计要求进行张拉和锚固；
（5）距离边墙轮廓一定距离拉槽开挖结构下层台阶土体，靠近边墙不小于1.5m范围内岩体采用光面爆破或非爆破开挖，边开挖边施作边墙喷射混凝土面层支护，开挖至第二道锚索位置处施作钢管桩预应力锚索和腰梁，按设计要求进行张拉和锚固；
（6）重复所述步骤（5）继续分层向下开挖岩体，施作边墙喷射混凝土面层和锚索支护，直至开挖至地下结构基底标高，至此形成高边墙锚拉初支结构。

8.  根据权利要求7所述的一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构的施工方法，其特征在于：所述步骤（2）中钢管桩施工采用跳孔施工。

岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构及施工方法
技术领域
本发明属于隧道与地下工程设计与施工技术领域，尤其涉及一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构及施工方法。
背景技术
随着经济建设和国防等事业的发展，能够满足不同功能的大空间地下结构的开发和应用在我国城市建设中不断增加，如地铁车站、地下厂房和人防工程等。
在岩质地层中修建大型地下结构，一般水平侧压力有限，为了便于使用、节省投资和施工方便，通常采用直边墙拱形断面结构。在围岩条件较好且为深埋条件下，暗挖采用新奥法施工，初期支护采用锚杆+喷射混凝土结构。但在城市复杂环境修建地铁车站和人防工程等大型地下结构时，受地质条件和埋深限制的影响，一般隧道或地下结构穿越的地层为全、强、中风化岩层，节理裂隙发育，围岩级别为IV～V级。一般地铁车站采用二层或者三层（换乘站）设计，直边墙的高度在8～15m，地下厂房等结构的直边墙高度可能达到30～40m。对于位于埋深较浅的软弱岩层中或者直边墙高度超过15m的大型地下结构，高直边墙的处理就是工程建设中的重点和难点部位，处置不当很容易引起诸如塌方、失稳等工程事故。
同时，由于隧道仍是处于岩质地层中，岩体的强度远大于土体，隧道直边墙开挖施工中还需采取爆破施工方法。因此，在高直边墙的结构型式和施工方案选择时，应立足保证安全的条件下，同时考虑施工效率和经济效益，尽量采用快速高效的施工方法。
对于软弱岩质地层中高边墙的地下结构，边墙支护结构一般采用格栅钢架或者型钢钢架结合喷射混凝土以及锚杆组成初期支护结构，目前常用的施工方法是浅埋暗挖法。在浅埋暗挖法中最适合高直边墙结构的施工方法无疑是台阶法，但受围岩条件、埋深和周边环境因素的影响，台阶法施工往往很难保证边墙岩体和结构稳定，且变形控制能力差。这时施工中主要采用交叉中隔壁（CRD）、双侧壁导坑法、中洞法和侧洞法等分步减跨的方法，这些施工方法都需要设置大量的横向和竖向临时支撑来实现分步减高减跨，隧道跨度较大时还需设置中隔墙。这样就造成废弃工程量显著加大，同时横向和竖向临时支撑的设置，严重影响了施工空间和施工进度，工效极低，不能实现大型机械化施工。而且，隧道下层以及后续爆破时之前上层的临时支撑很难保留，严重时还会由于爆破损坏临时支撑造成安全事故。
传统的直边墙采用钢架喷射混凝土结构，施工时需要根据每次开挖的高度进行接腿施工，每个台阶高度的开挖都有一个边墙底部悬空的工况，加大拱部结构和地层的沉降变形，而且存在一定的安全风险。同时，每个台阶边墙开挖后需要一定的时间架设格栅和进行喷射混凝土施工，不利于围岩和结构的快速封闭，施工工序也有一定的交叉。
发明内容
本发明结合浅埋岩石地层高直边墙结构的力学特点和复杂环境条件下严格的控制要求，为保证直边墙结构稳定，提高施工效率，提出一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构及施工方法，实现大型机械化进行岩石地层高边墙地下结构施工。
本发明所采用的技术方案为：一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构，其特征在于：包括钢管桩、喷射混凝土面层、顶部圈梁、圈梁预应力锚索、钢管桩预应力锚索、圈梁固定件、混凝土固定件，所述钢管桩表面和相邻钢管桩之间通过喷射混凝土面层封闭，所述钢管桩的顶部采用顶部圈梁纵向连接，所述顶部圈梁中包埋有圈梁压浆钢管，所述圈梁预应力锚索、钢管桩预应力锚索竖向设置，所述圈梁预应力锚索的一端安装于顶部圈梁上并通过圈梁固定件锁紧，所述钢管桩预应力锚索位于所述圈梁预应力锚索的下方，所述圈梁预应力锚索通过混凝土固定件固定于所述喷射混凝土面层上。
所述钢管桩的钢管内部填充水泥砂浆，所述钢管桩采用直径219mm、厚度8mm钢管，钢管间距800～1500mm，钢管下部嵌入基坑底部≥2m，钢管上部锚入顶部圈梁深度≥1m。
所述喷射混凝土面层为C20喷射混凝土面层。
所述顶部圈梁为钢筋混凝土结构。
所述圈梁固定件为槽钢或工字钢腰梁，所述混凝土固定件为槽钢或工字钢腰梁。
所述圈梁预应力锚索的数量为一道。
一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）施做地下结构上层拱部初期支护，根据地层情况采用超强注浆小导管、格栅钢架和喷射混凝土施工；
（2）上层拱部初期支护完成后，在边墙开挖位置外侧打设钢管桩，采用潜孔钻机造孔，下插钢管，然后压注1:1水泥砂浆；
（3）浇筑钢管桩顶部钢筋混凝土顶部圈梁，并在纵梁中埋设圈梁压浆钢管，待顶部圈梁达到设计强度后进行补充注浆，填充顶部圈梁底部空隙，加固顶部圈梁底部围岩，同时在顶部圈梁上埋设套管预留施作预应力锚索条件；
（4）在顶部圈梁位置施作圈梁预应力锚索和圈梁固定件，圈梁预应力锚索为第一道锚索，按设计要求进行张拉和锚固；
（5）距离边墙轮廓一定距离拉槽开挖结构下层台阶土体，靠近边墙不小于1.5m范围内岩体采用光面爆破或非爆破开挖，边开挖边施作边墙喷射混凝土面层支护，开挖至第二道锚索位置处施作钢管桩预应力锚索和腰梁，按设计要求进行张拉和锚固；
（6）重复所述步骤（5）继续分层向下开挖岩体，施作边墙喷射混凝土面层和锚索支护，直至开挖至地下结构基底标高，至此形成高边墙锚拉初支结构。
所述步骤（2）中钢管桩施工采用跳孔施工。
本发明的有益效果为：
1、本发明的岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构及施工方法，锚拉初支结构由钢管桩、喷射混凝土面层、顶部圈梁、圈梁预应力锚索、钢管桩预应力锚索组合形成，适用于软弱岩质地层大跨隧道和地下结构的直边墙初期支护结构，直边墙结构稳定，提供宽敞空间和提高施工效率；
2、施工利用明挖基坑的理念，在暗挖空间预先施作钢管桩，钢管桩顶部采用钢筋混凝土圈梁连接成整体，然后进行地下结构下层开挖，边开挖边墙边进行喷射混凝土面层和预应力锚索支护，直至地下结构底部后进行封底，随之由下往上进行地下结构主体钢筋混凝土浇筑，根据各层结构施工高度和监控量测结果对预应力锚索进行拆除；
3、本发明中的岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构具有结构形式简单，承载能力强，控制变形能力好，减少废弃工程量，施工方便快捷且施工期间能提供开阔的作业空间，施工组织方便等特点；
4、本发明中的岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构的施工方法，该工法工艺简单、操作方便，良好控制地层变形，并可为整个地下结构工程施工实现大型机械化作业提供条件，提高工效，节省工程造价；
5、本发明提供了一种浅埋或软弱岩质地层大跨隧道或大型地下空间的高边墙支护结构形式、施工方法多项技术的组合应用与创新，结构受力合理，施工步骤简单且实施进度快，解决了软弱岩质地层高直边墙洞室稳定性差，传统的钢架和临时支护结构形式复杂，施工工效和环境条件差，开挖过程中地层变形较大，施工安全风险大和施工组织不方便等诸多难题，较好地拓展了浅埋暗挖法施工技术的应用空间，为以后浅埋暗挖高边墙地下结构的设计与施工提供了新思路，具有较高的参考价值。
6、在高边墙钢管锚拉初支结构保护下，安全快速完成隧道下部开挖及主体结构浇筑。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中钢管桩的施工示意图；
图3为本发明中顶部圈梁的施工示意图；
图4为本发明中圈梁预应力锚索的施工示意图；
图5为本发明锚拉初支结构边墙下层台阶开挖和支护施工示意图；
图6为本发明的锚拉初支结构边墙基底施工示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
图中，1-钢管桩，2-喷射混凝土面层，3-顶部圈梁，4-圈梁预应力锚索，5-钢管桩预应力锚索，6-圈梁固定件，7-混凝土固定件，8-圈梁压浆钢管，9-拱部初期支护。
实施例
如图1所示，一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构，包括钢管桩1、喷射混凝土面层2、顶部圈梁3、圈梁预应力锚索4、钢管桩预应力锚索5、圈梁固定件6、混凝土固定件7，钢管桩1表面和相邻钢管桩1之间通过喷射混凝土面层2封闭，钢管桩1的顶部采用顶部圈梁3纵向连接，顶部圈梁3中包埋有圈梁压浆钢管8，圈梁预应力锚索4、钢管桩预应力锚索5竖向设置，圈梁预应力锚索4的一端安装于顶部圈梁3上并通过圈梁固定件6锁紧，钢管桩预应力锚索5位于圈梁预应力锚索4的下方，圈梁预应力锚索4通过混凝土固定件7固定于喷射混凝土面层2上。
钢管桩1的钢管内部填充水泥砂浆，钢管桩1采用直径219mm、厚度8mm钢管，钢管间距800～1500mm，钢管下部嵌入基坑底部≥2m，钢管上部锚入顶部圈梁3深度≥1m。
喷射混凝土面层2为C20喷射混凝土面层。
顶部圈梁3为钢筋混凝土结构。
圈梁固定件6为槽钢或工字钢腰梁，混凝土固定件7为槽钢或工字钢腰梁。
圈梁预应力锚索4的数量为一道。
圈梁预应力锚索4、钢管桩预应力锚索5的纵向间距根据钢管桩1确定，其竖向距离、长度、直径、锚固深度和预应力大小等参数应根据实际地质参数计算确定。
上述岩质地层暗挖地下结构高边墙钢管锚拉初支结构，所拟定的结构可用于隧道和地下结构高度8～30m的直边墙初期支护，钢管打设时应保证垂直精度，其底部应嵌固于坚固的岩石地基上，否则应进行加深和加固处理。
一种岩质地层暗挖地下结构高边墙锚拉初支结构的施工方法，包括以下步骤：
（1）施做地下结构上层拱部超前支护和拱部初期支护9，超前支护可根据地层情况采用超前锚杆、超强注浆小导管或管棚支护，拱部初期支护9采用格栅钢架和喷射混凝土施工，拱部初期支护9应及时封闭成环；
（2）在边墙开挖位置外侧打设钢管桩1，外放距离应根据施工精度和误差确定，打设钢管桩1时先用潜孔钻机造直径250mm的圆孔，下插直径219mm、厚度8mm钢管，管身钻直径20mm小孔，梅花形布置，然后压注1:1水泥砂浆，填充钢管内部和钢管与成孔之间的空隙，钢管桩1纵向间距800mm，底部嵌固深度2.5m，顶部嵌入顶部圈梁3 1.2m，钢管桩1钻孔采取隔桩施工；
（3）浇筑钢管桩1的顶部圈梁3，每段纵向长度约10m，顶部圈梁3尺寸1.5m×1.8m，钢管与圈梁钢筋进行焊接，并在顶部圈梁3中埋设圈梁压浆钢管8，待顶部圈梁3混凝土达到设计强度后进行补充注浆，填充纵梁底部空隙，加固纵梁底部围岩，同时在顶部圈梁3上埋设套管预留施作圈梁预应力锚索4条件，顶部圈梁3也作为拱部二次衬砌的基础纵梁；
（4）施作第一道锚索即圈梁预应力锚索4，第一道锚索设置在钢管桩1与顶部纵梁搭接范围内，采用3φs15.2钢绞线，预加力200KN，成孔后下放钢绞线，安装圈梁固定件6，按设计要求进行张拉和锚固，锚索纵向间距结合钢管桩1布置为1.6m，竖向间距3～4m一道；
（5）距离边墙轮廓一定距离拉槽开挖结构下层台阶土体，靠近边墙不小于1.5m范围内岩体采用光面爆破或非爆破开挖，边开挖边施作喷射混凝土面层2支护，开挖至第二道锚索位置下0.5m施作圈梁预应力锚索4和混凝土固定件7，按设计要求进行张拉和锚固；
（6）继续向下开挖岩体，开挖时应纵向分幅、竖向分层，对称开挖，同时施作边墙喷射混凝土层2和锚索支护，直至开挖至地下结构基底标高，开挖过程中桩壁间出现渗水较大时，应及时注浆止水，最终形成高边墙钢管锚拉结构。
（7）开挖至基底后及时平整底部，施作垫层和防水层，然后由下往上施作二次衬砌钢筋混凝土结构，根据各层结构施工高度和监控量测结果对预应力锚索进行拆除。
本发明结构及工法适用于岩质地层大跨断面地铁车站或隧道等地下空间的高直边墙支护和施工，施工中应严格控制开挖高度，弱爆破，加强拱顶沉降和边墙水平变形监测。
以上对本发明的1个实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。