一种保护既有地铁的预应力支护体系及设计和施工方法

摘要

本发明公开了一种保护既有地铁的预应力支护体系及设计和施工方法，包括底座和支护架，所述下层型钢上部设置有中层型钢，所述中层型钢上部设置有上层型钢，所述横向连接型钢上部设置有钢索限位钢片，所述钢索从钢索限位钢片穿过，所述钢索限位钢片用于限制钢索前后移动，所述钢索的两端分别通过锚头固定在冠梁上，通过以下步骤实现：修筑抗拔支护桩、第一次挖土、第一次设置支护架、第二次挖土、第二次设置支护架、施工准备、修建建筑基础、拆除支护架、完成建筑施工。本发明能够使装置充分发挥材料性能，能够施加预应力，重复利用支护架，可以随时根据不同的基坑情况进行调节，能够大大降低施工和材料成本。

说明书

【技术领域】

本发明涉及基坑施工的技术领域，特别是一种保护既有地铁的预应力支护体系及设计和施工方法的技术领域。

【背景技术】

随着城市建设的迅猛发展，地铁路线不断扩张并逐渐辐射整个城市。当前城市建设用地日益紧张，为充分利用土地资源，要求在地铁上方修筑建筑物。在地铁上方修建建筑物涉及基坑开挖对既有地铁的保护问题。基坑开挖是一个以卸载的方式打破原有土层平衡的过程。由于土体具有弹塑性，当既有地铁隧道上层土方开挖时，竖向土压力释放，土体会发生“回弹”现象。此时，地铁隧道将随着土体产生向上的位移。当既有地铁隧道两侧土层开挖时，隧道上方的土体将会因水平土压力释放而产生水平变形。此时，隧道因两侧土体开挖而引起水平方向的位移。总体上，基坑开挖卸载了地铁隧道上部土层竖直方向和水平方向的土压力，会引起隧道竖直向上的位移和向开挖侧的水平位移。当前保护既有地铁的支护体系通常采用建筑基坑支护体系，例如双排桩、咬合桩、放坡、地下连续墙等，建筑支护体系主要支护基坑外侧土层，起到抵抗坑外土压力的作用。而地铁支护体系主要支护地铁上方土层，要求重点控制上方土层发生变形和位移，防止地铁破坏。两者在受力形式上不尽相同。另外，建筑基坑支护体系主要通过竖向支护构件的抗弯刚度控制侧向土压力引起的基坑水平变形与位移，而地铁支护体系除了要求控制水平方向的变形和位移外，还要求重点控制卸载土压力引起的竖向位移和变形。两者在位移和变形控制的要求和侧重点上不尽相同。因此，当选用通常的建筑基坑支护体系作为保护既有地铁 的支护体系时，一方面，由于受力形式和传力路径的异同导致材料性能未能充分发挥，造成巨大的能耗和浪费。另一方面，受变形控制机制的限制，竖向变形需要结合其他措施如土体加固等进行控制。多数情况下，支护投入大而支护效果不佳。另外，当前既有地铁支护体系所需的工期较长，土层卸荷暴露后难以及时进行支护，受时空效应的影响较大，对变形控制十分不利。目前，在地铁上方修筑建筑物时基坑开挖对既有地铁的保护是工程的重难点。采用当前既有地铁支护体系控制地铁的变形往往投入的成本较高。当前既有地铁支护体系大多采用由钢筋混凝土支护构件组成的刚性体系，当发生紧急情况时，应急与补救措施难以及时实施和调整，支护风险大。

市场需要一种地铁上部基坑施工的保护装置，需要能够使装置充分发挥材料性能，支护架能够重复利用，从而能够大大降低材料和施工成本。支护架尺寸可以根据不同的基坑进行调节，搭建和拆除简单、高效、节能环保且安全可靠。同时能够通过调整预应力主动控制支护土体和地铁隧道的位移和变形，从而能够很好的保护地铁隧道。

【发明内容】

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种保护既有地铁的预应力支护体系，能够使装置充分发挥材料性能，支护架能够重复利用，从而能够大大降低材料和施工成本。预应力可以根据需要调整，同时支护架尺寸可以根据不同的基坑进行调节，搭建和拆除简单、高效、节能环保且安全可靠。

为实现上述目的，本发明提出了一种保护既有地铁的预应力支护体系，包括底座和支护架，所述底座包括抗拔支护桩和冠梁，所述抗拔支护桩设置在地铁隧道两侧，所述冠梁设置在抗拔支护桩上端，所述底座上部设置有支护架，所述支护架包括支护架、下层型钢、中层型钢、上层型钢、立柱型钢、横向连接型钢、钢索限位钢片、钢索、锚头、混凝土垫层、拉索和拉环，所述下层型 钢位于地铁隧道上部，所述下层型钢上部设置有中层型钢，所述中层型钢上部设置有上层型钢，所述上层型钢上部设置有立柱型钢，所述立柱型钢上部设置有横向连接型钢，所述横向连接型钢通过螺栓安装有钢索限位钢片，所述钢索从钢索限位钢片穿过，所述钢索限位钢片用于限制钢索前后移动，所述钢索的两端分别通过锚头固定在冠梁上，所述立柱型钢的数量为2-8个，所述立柱型钢之间通过交叉的拉索连接，所述下层型钢下部设置有混凝土垫层。

作为优选，所述锚头包括外套和内固定块，所述内固定块的个数为2个，两个内固定块工作状态呈锥筒状，所述外套内设置设置有锥形孔，所述内固定块设置在锥形孔中，所述钢索从内固定块之间穿过。

作为优选，所述立柱型钢的数量为4个，所述立柱型钢上通过螺纹固定安装有拉环，所述拉索的端部固设在拉环上。

本发明的目的就是解决现有技术中的问题，提出一种保护既有地铁的预应力支护体系施工方法，能够通过调整预应力主动控制支护土体和地铁隧道的位移和变形，从而能够很好的保护地铁隧道。

为实现上述目的，本发明提出了一种保护既有地铁的预应力支护体系施工方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

a)修筑抗拔支护桩，在地铁隧道的两侧利用打孔设备打出柱状孔，然后安装钢筋笼并向桩孔内浇筑水泥，最终造出抗拔支护桩；

b)第一次挖土，通过挖土设备间隔一定距离将地铁隧道上部的部分土移除；

c)第一次设置支护架，在已经移除土的地面安装支护架；

d)第二次挖土，将c)步骤中间隔挖土剩余的地段的土挖出；

e)第二次设置支护架，在d)步骤中挖出土的地面上安装支护架；

f)施工准备，准备新建筑的用料和测量工作；

g)修建建筑基础，在支护架之间的间隙修建新建筑支撑梁；

h)拆除支护架，新建筑支撑梁修建好后，支护架可以拆除；

i)完成建筑施工，最终完成新建筑施工。

作为优选，所述步骤b)第一次挖土，间隔距离与支护架的长度相同。

本发明的有益效果：本发明通过将底座和支护架应用在地铁上部基坑施工保护设备中，通过抗拔支护桩和冠梁固定在地面上，通过支护架、下层型钢、中层型钢、上层型钢、立柱型钢、横向连接型钢、钢索限位钢片、钢索、锚头、混凝土垫层、拉索和拉环借助抗拔支护桩和冠梁产生向下的压力，减少地面和隧道因挖土卸载引起的“回弹”，能够使装置充分发挥材料性能，支护架能够重复利用，从而能够大大降低材料和施工成本。预应力可以根据需要调整，同时支护架尺寸可以根据不同的基坑进行调节，搭建和拆除简单、高效、节能环保且安全可靠。同时能够通过调整预应力主动控制支护土体和地铁隧道的位移和变形，从而能够很好的保护地铁隧道。

本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。

【附图说明】

图1是本发明一种保护既有地铁的预应力支护体系的主视示意图；

图2是本发明一种保护既有地铁的预应力支护体系的俯视示意图；

图3是本发明一种保护既有地铁的预应力支护体系的左视示意图；

图4是钢索限位钢片的左视图；

图5是拉环的左视图；

图6是冠梁的主视剖视图；

图7是锚头的主视剖视图；

图8是本发明一种保护既有地铁的预应力支护体系施工方法的流程图；

图9是本发明一种保护既有地铁的预应力支护体系设计流程图。

图中：2-底座、21-抗拔支护桩、22-冠梁、3-支护架、31-下层型钢、32- 中层型钢、33-上层型钢、34-立柱型钢、35-横向连接型钢、36-钢索限位钢片、37-钢索、38-锚头、381-外套、382-内固定块、39-混凝土垫层、40-拉索、41-拉环、5-修筑抗拔支护桩、6-第一次挖土、7-第一次设置支护架、8-第二次挖土、9-第二次设置支护架、10-施工准备、11-修建建筑基础、12-拆除支护架、13-完成建筑施工。

【具体实施方式】

参阅图1-图9，本发明一种保护既有地铁的预应力支护体系及设计和施工方法，包括底座2和支护架3，所述底座2包括抗拔支护桩21和冠梁22，所述抗拔支护桩21设置在地铁隧道两侧，所述冠梁22设置在抗拔支护桩21上端，所述底座2上部设置有支护架3，所述支护架3包括支护架3、下层型钢31、中层型钢32、上层型钢33、立柱型钢34、横向连接型钢35、钢索限位钢片36、钢索37、锚头38、混凝土垫层39、拉索40和拉环41，所述下层型钢31位于地铁隧道上部，所述下层型钢31上部设置有中层型钢32，所述中层型钢32上部设置有上层型钢33，所述上层型钢33上部设置有立柱型钢34，所述立柱型钢34上部设置有横向连接型钢35，所述横向连接型钢35上部通过螺栓安装有钢索限位钢片36，所述钢索37从钢索限位钢片36穿过，所述钢索限位钢片36用于限制钢索37前后移动，所述钢索37的两端分别通过锚头38固定在冠梁22上，所述立柱型钢34的数量为2-8个，所述立柱型钢34之间通过交叉的拉索40连接，所述下层型钢31下部设置有混凝土垫层39。

具体的，所述锚头38包括外套381和内固定块382，所述内固定块382的个数为2个，两个内固定块382工作状态呈锥筒状，所述外套381内设置设置有锥形孔，所述内固定块382设置在锥形孔中，所述钢索37从内固定块382之间穿过。

具体的，所述立柱型钢34的数量为4个，所述立柱型钢34上通过螺纹固 定安装有拉环41，所述拉索40的端部固设在拉环41上。

一种保护既有地铁的预应力支护体系施工方法，其特征在于：通过以下步骤实现：

a)修筑抗拔支护桩5，在地铁隧道的两侧利用打孔设备打出柱状孔，然后安装钢筋笼并向桩孔内浇筑水泥，最终造出抗拔支护桩；

b)第一次挖土6，通过挖土设备间隔一定距离将地铁隧道上部的部分土移除；

c)第一次设置支护架7，在已经移除土的地面安装支护架；

d)第二次挖土8，将c)步骤中间隔挖土剩余的地段的土挖出；

e)第二次设置支护架9，在d)步骤中挖出土的地面上安装支护架；

f)施工准备10，准备新建筑的用料和测量工作；

g)修建建筑基础11，在支护架之间的间隙修建新建筑支撑梁；

h)拆除支护架12，新建筑支撑梁修建好后，支护架可以拆除；

i)完成建筑施工13，最终完成新建筑施工。

具体的，所述步骤b)第一次挖土6，间隔距离与支护架的长度相同。

设计流程说明：第一步：计算开挖卸载的竖向应力值q1，同时确定竖直方向的位移和变形控制值S1。第二步：确定预压应力值q3(q3＝q1-q2，其中q2由位移和变形控制值S1推求)。第三步：①由预压应力值q3求钢索在锚头处的水平分力F1和横向连接型钢处的竖直方向分力F2；②根据已求的F1计算抗拔支护桩的桩侧土压力q4。第四步：初步设定抗拔支护桩的设计参数(桩径、桩长、嵌固深度等)。①根据抗拔支护桩的初设参数和F2，验算抗拔支护桩的抗拔能力；②根据抗拔支护桩的初设参数和F1、q4验算水平方向位移和变形S2，验算抗拔支护桩的抗倾覆能力和抗拉弯承载能力。若①②均满足要求，则抗拔支护桩设计完成。若①②不满足要求，则需调整初设抗拔支护桩设计参数，重复 以上步骤，直至验算满足要求。第五步：根据F2设计和验算预压力支护体系(支护体系中的型钢组成的钢架部分)。第六步：同时完成抗拔支护桩设计和预应力支护体系设计后，本专利技术所述的支护体系设计完成。

本发明一种保护既有地铁的预应力支护体系及设计和施工方法，通过将底座2和支护架3应用在地铁上部基坑施工保护设备中，通过抗拔支护桩21和冠梁22固定在地面上，通过支护架3、下层型钢31、中层型钢32、上层型钢33、立柱型钢34、横向连接型钢35、钢索限位钢片36、钢索37、锚头38、混凝土垫层39、拉索40和拉环41借助抗拔支护桩21和冠梁22产生向下压的压力，避免挖土后的地面由于重力减小土壤向上弹，能够使装置充分发挥材料性能，支护架能够重复利用，从而能够大大降低材料和施工成本。预应力可以根据需要调整，同时支护架尺寸可以根据不同的基坑进行调节，搭建和拆除简单、高效、节能环保且安全可靠。同时能够通过调整预应力主动控制支护土体和地铁隧道的位移和变形，从而能够很好的保护地铁隧道。

上述实施例是对本发明的说明，不是对本发明的限定，任何对本发明简单变换后的方案均属于本发明的保护范围。