一种保护地铁隧道的框架-悬桩支撑结构体系及其工法

摘要

一种保护地铁隧道的框架‑悬桩支撑结构体系及其工法，属于基坑开挖加固技术领域。进行基坑区域内的土体开挖时，先对地铁区域50米以外的土体进行开挖，随后根据具体条件预先在地铁20‑25米处打设基坑围护双排桩，并配合内外侧腰梁、横纵向支撑等结构，对地铁周围区域进行支撑，随后再将地铁隧道基坑围护双排桩以外、50米以内的土体进行分层分块的开挖。另一种开挖工况为直接在地铁正上方进行开挖卸荷，亦进行基坑围护双排桩的打设，既可保证开挖过程中基坑的稳定性，又可限制土体的侧向形变，从而减小地铁隧道的侧向变形。本发明的结构为一个整体，使桩体协同工作，增强桩体刚度，减少不均匀沉降。

说明书

技术领域

本发明属于基坑开挖加固技术领域，具体涉及一种保护地铁隧道的框架-悬桩支撑结构体系及其工法。

背景技术

当前随着我国经济社会的不断发展，我国的轨道交通建设已进入快速发展期，越来越多的城市加入到地铁阵营，如果说普铁和高铁是作为城市的发展窗口，那么地铁则是城市交通的疏导，减少交通堵塞，缓解交通压力，这就是地铁的魅力。

伴随着中国基建技术的迅猛发展，对地下资源的开发利用也越来越多。地下资源的开发利用已成为当前基建发展背景下的必然趋势。其中，地铁系统由于其诸多优点已经成为城市客运系统的主要组成部分且不可分割，它极大地方便人民的生活与出行。地铁线路的开通越来越多，地铁线路网也越来越密集，随着地铁交通系统的日益完善，城市地下空间的开发也越来越普遍，地铁沿线的建筑物也随之兴起，同时也出现了很多问题。其中在既有地铁附近进行基坑施工问题日益凸显出来，出现了大量临近地铁隧道的深基坑工程。在深基坑开挖过程中由于土方的开挖卸载，引起周围土体应力场和位移场发生变化，直接影响到地铁隧道的结构安全与正常运营。

目前地铁周围50米范围内为地铁保护红线，现代化城市土地资源日趋紧张，城市人口密度大，交通拥堵，如何在不破坏地铁的前提下有效的利用起地铁隧道周围的宝贵土地资源，已成为一个重要的科学问题。随着我国基础建设能力与设备的提升，在部分区域内可一定程度上对地铁周围的土地资源进行利用。但地铁作为重大城市公共基础设施，且设计使用年限较长，现有规范对地铁变形控制要求严格，故根据现有的施工经验，在地铁周围区域或正上方进行基坑开挖卸荷，往往会对地铁造成不可挽回的形变及损害。此外，以其他结构形式的地铁隧道变形量为控制目的的基坑变形控制研究还不够完善，对基坑及地铁的变形监测方法比较单一，不能进行全方位有效的实时监测分析，从而基坑开挖对地铁隧道的影响不能进行全面分析与掌握，这就造成了施工的风险系数较大。

经过科学的调研与分析，明确认识到基坑开挖导致地铁形变的原因众多，其中重要原因之一就是土体开挖卸荷破坏了地铁隧道原有的应力平衡以及地下水位的变化。此外，大量工程实践及科学调查表明，隧道正上方进行基坑开挖卸荷时，往往地铁隧道形变以竖向位移为主，侧向变形往往甚小。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前在既有地铁周围施工的深基坑开挖过程中，由于土方开挖的卸载，周围土体应立场和位移场及地下水位的变化，可能会影响地铁隧道安全的问题，提供一种保护地铁隧道的框架-悬桩支撑结构体系及其工法，可用于对位于复杂地层下邻近地铁或位于地铁正上方的基坑开挖与加固工法，有效的达到保护地铁的目的。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：

一种保护地铁隧道的框架-悬桩支撑结构体系，所述结构包括基坑围护双排桩、双排桩格构冠梁、外侧加固腰梁、双排桩外侧型钢牛脚支撑、双排桩内侧腰梁、双排桩内侧牛脚支撑、双排桩间横向支撑、双排桩间纵向支撑、竖向悬桩、建筑结构基础底板、隧道内壁U形钢衬、堆载、环形联结钢衬和隧道衬砌；

在地铁隧道两侧的20～25米范围处分别设置基坑围护双排桩，在基坑围护双排桩顶端浇筑所述双排桩格构冠梁，所述地铁隧道两侧的双排桩格构冠梁通过多个双排桩间横向支撑相连，所述多个双排桩间横向支撑之间通过多个与之垂直的双排桩间纵向支撑相连，所述双排桩间横向支撑与双排桩间纵向支撑的交叉点与竖向悬桩的上端相连，所述竖向悬桩的下端与环形联结钢衬的上端固接，所述环形联结钢衬的下端为环形，环形联结钢衬下端的环形端面与隧道内壁U形钢衬的端面固接，所述基坑围护双排桩的外侧均水平设有多个外侧加固腰梁，所述双排桩外侧型钢牛脚支撑一端与外侧加固腰梁连接，另一端与地面连接；所述基坑围护双排桩的内侧均水平设有双排桩内侧腰梁，所述双排桩内侧牛脚支撑一端与双排桩内侧腰梁相连，另一侧与双排桩间横向支撑相连；所述建筑结构基础底板水平设置在地铁隧道上方，建筑结构基础底板与所述竖向悬桩固接。

进一步地，所述隧道内壁U形钢衬的外侧设置有隧道衬砌，隧道内壁U形钢衬与隧道衬砌之间采用化学防水胶结材料进行填充。

一种利用上述的结构体系对地铁隧道保护区域的保护工法，该种方法适用于已运行或已建成但未运营的地铁隧道邻近或正上方的开挖，所述方法具体为：

步骤一：对地铁50米范围以外的区域进行开挖，然后在地铁两侧的20～25米范围内分别打设基坑围护双排桩；或在地铁正上方进行开挖，同样需要在地铁两侧的20～25米范围处打设基坑围护双排桩；

步骤二：对基坑围护双排桩的上端进行双排桩格构冠梁的浇筑，将基坑围护双排桩上端联结为一个整体，所述双排桩格构冠梁的相对侧间隔设置有预留端，地铁隧道两侧的基坑围护双排桩通过双排桩间横向支撑联结为一个整体；在基坑围护双排桩的外侧设置多个双排桩外侧加固腰梁，内侧设置双排桩内侧腰梁；在基坑围护双排桩外侧间隔设置多个双排桩外侧型钢牛脚支撑，双排桩外侧型钢牛脚支撑一端与基坑围护双排桩或外侧加固腰梁固接，另一端与地面固接；在基坑围护双排桩内侧间隔设置双排桩内侧牛脚支撑，双排桩内侧牛脚支撑一端与基坑围护双排桩或双排桩内侧腰梁固接，另一端与双排桩间横向支撑固接；

步骤三：双排桩间横向支撑两端与双排桩格构冠梁的预留端相连，所述双排桩间横向支撑通过多个与双排桩间横向支撑垂直的双排桩间纵向支撑相连，所述双排桩间横向支撑与双排桩间纵向支撑的交叉点与竖向悬桩上端相连，所述竖向悬桩的下端与环形联结钢衬的上端固接，所述环形联结钢衬的下端为环形，环形联结钢衬下端的环形端面与隧道内壁U形钢衬的端面固接，所述竖向悬桩穿入建筑结构基础底板，建筑结构基础底板与基坑围护双排桩预留的钢筋连接后浇筑在一起，形成双层稳固的防控结构；

步骤四：将地铁隧道基坑围护双排桩以内的土体进行分层分块的开挖。

进一步地，步骤二中，所述外侧加固腰梁与预应力锚索联结后的基坑围护双排桩的预留钢筋焊接，或直接与基坑围护双排桩的预留钢筋焊接。

进一步地，步骤三中，所述隧道内壁U形钢衬的外侧设置有隧道衬砌，隧道内壁U形钢衬与隧道衬砌之间采用化学防水胶结材料进行填充。

进一步地，步骤三中，所述隧道内壁U形钢衬分段安装在隧道衬砌内部，通过化学加固试剂将隧道内壁U形钢衬14与隧道衬砌18联结在一起，其中隧道内壁U形钢衬14联结处用环形联结钢衬17将隧道衬砌18与竖向悬桩12固接。

进一步地，步骤三中，在隧道内壁U形钢衬内部设置若干个3D激光扫描仪，应用高精度徕卡超高速3D激光扫描成像技术对隧道内壁U形钢衬内部进行监测。

本发明相对于现有技术的有益效果为：

(1)本发明中，双排桩格构冠梁为位于基坑围护双排桩上方的加固结构，该双排桩格构冠梁可将基坑围护双排桩上方结构体联结为一个整体，使桩体协同工作，增强桩体刚度，减少不均匀沉降；

(2)双排桩外侧型钢牛脚支撑与双排桩外侧加固腰梁进行联结时，增加基坑支护结构的整体刚度与协调变形能力；

(3)双排桩内侧牛脚支撑为型钢结构或混凝土结构，一端与基坑围护双排桩进行固接，另一端与双排桩间横向支撑进行固接，增加加固结构整体刚性。

附图说明

图1为隧道区域内基坑开挖整体工况图；

图2为隧道正上方防控加固结构布置立体图；

图3为隧道正上方防控加固结构布置截面图；

图4为隧道正上方区域分层分块开挖及堆载反压立体示意图；

图5为隧道正上方区域分层分块开挖及堆载反压立体截面图；

图6为隧道正上方土体开挖完成立体图；

图7为隧道正上方土体开挖完成截面图；

图8为隧道正上方土体开挖完成截面放大图；

图9为隧道内壁U形钢衬与竖向悬桩构造立体图；

图10为隧道内壁U形钢衬与竖向悬桩构造截面图；

图11为AI-3D全方位监测动态实时反馈系统图；

其中，1-地铁隧道侧向开挖区域；2-地铁隧道正上方区域；3-地铁隧道；4-基坑围护双排桩；5-双排桩格构冠梁；6-双排桩外侧加固腰梁；7-双排桩外侧型钢牛脚支撑；8-双排桩内侧腰梁；9-双排桩内侧牛脚支撑；10-双排桩间横向支撑；11-双排桩间纵向支撑；12-竖向悬桩；13-建筑结构基础底板；14-隧道内壁U形钢衬；15-堆载；16-分层分块开挖；17-环形联结钢衬；18-隧道衬砌。

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施案例仅是发明的一部分实施案例，而不是全部的实施案例，基于本发明中的实施案例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施案例，都属于本发明保护的范围。

本发明中基坑围护双排桩4为位于隧道两侧前期基坑开挖施工时的基坑围护结构，或者仅开挖地铁正上方区域时用于围护基坑安全的围护桩体或止水结构；

双排桩格构冠梁5为位于基坑围护双排桩4上方的加固结构，该双排桩格构冠梁5可将基坑围护双排桩4上方结构体联结为一个整体，使桩体协同工作，增强桩体刚度，减少不均匀沉降；

双排桩外侧加固腰梁6为型钢结构或混凝土结构，可与预应力锚索进行联结也可单独使用，其可根据现场开挖深度与土质，合理的增减安置数量；同时，其尺寸亦可根据具体的工程情况进行适当的调整与设置；

双排桩外侧型钢牛脚支撑7为型钢结构或混凝土结构，一端与基坑围护双排桩4进行固接，另一端与地面进行固接。双排桩外侧型钢牛脚支撑7的角度、间距等可根据具体的工程情况进行适当调整；双排桩外侧型钢牛脚支撑7亦可跟上述双排桩外侧加固腰梁6进行联结，增加基坑支护结构的整体刚度与协调变形能力；

双排桩内侧腰梁8为型钢结构或混凝土结构，其可根据现场开挖深度与土质合理的增减安置数量，同时其尺寸亦可根据具体的工程情况进行适当的设置；

双排桩内侧牛脚支撑9为型钢结构或混凝土结构，一端与基坑围护双排桩4进行固接，另一端与双排桩间横向支撑10进行固接，增加加固结构整体刚性；

双排桩间横向支撑10、双排桩间纵向支撑11为型钢结构或混凝土结构，双排桩间横向支撑10与双排桩格构冠梁5进行联结，同时双排桩间横向支撑10与双排桩间纵向支撑11相互固接，形成框架结构；

竖向悬桩12为型钢结构或混凝土结构，其上端与双排桩间横向支撑10、双排桩间纵向支撑11框架结构固接，下端与隧道衬砌18通过隧道内壁U形钢衬14与环形联结钢衬17一起联结在一起；竖向悬桩12的下端与环形联结钢衬17固接(焊接)，环形联结钢衬17的下端是环形的，环形的侧壁与隧道内壁U形钢衬14的截面焊接，隧道内壁U形钢衬14与隧道衬砌18内外套接并通过化学加固试剂固定，隧道衬砌为暗挖隧道的整体型衬砌和盾构隧道的拼装型衬砌，两种类型的衬砌在本发明中都适用。

隧道内壁U形钢衬14、环形联结钢衬17为钢制结构，其中隧道内壁U形钢衬14分段安装在隧道内部，通过化学加固试剂将隧道内壁U形钢衬14与隧道衬砌18联结在一起，其中隧道内壁U形钢衬14联结处用环形联结钢衬17将隧道衬砌18与竖向悬桩12固接；

建筑结构基础底板13为钢筋混凝土结构，其厚度及钢筋用量可根据实际工程进行调整，建筑结构基础底板13与竖向悬桩12固接在一起。

实施例1：

某位于地铁隧道两侧及正上方基坑开挖为例，对本发明的开挖加固工法及监测系统做具体介绍。

如图1所示，为地铁隧道附近开挖工况中的某一种，即地铁隧道两侧及正上方都进行逐步的开挖。其中进行基坑区域内的土体开挖时，先对地铁区域50米以外的土体进行开挖，随后根据具体的基坑开挖深度及土质条件预先在地铁20-25米处打设基坑围护双排桩4，桩径及桩间距根据实际的工程情况进行选取合适的参数。随后再将地铁隧道基坑围护双排桩4以外、50米以内的土体进行分层分块的开挖。此外，另一种开挖工况为直接在地铁正上方进行开挖卸荷。该工况下，亦进行基坑围护双排桩4的打设，既可保证开挖过程中基坑的稳定性，又可限制土体的侧向形变，从而减小地铁隧道3的侧向变形。

如图2、3所示，为隧道正上方防控加固结构布置。对前期为保证开挖基坑稳定性打设的基坑围护双排桩4进行桩端的双排桩格构冠梁5浇筑。该双排桩格构冠梁5采用高强度钢筋混凝土结构，可将基坑围护双排桩4顶端联结为一个整体，增加整体刚度，更加协同变形，避免出现不均匀竖向沉降及水平偏移。双排桩格构冠梁5预留有与双排桩间横向支撑10联结的预留端，实现与后期安置的双排桩间横向支撑10实现联结。双排桩格构冠梁5的尺寸及格构间距可根据实际工程需要进行调整。双排桩外侧加固腰梁6为型钢结构或钢筋混凝土结构，其既可与预应力锚索联结后的基坑围护双排桩4的预留钢筋焊接，也可直接与基坑围护双排桩4的预留钢筋焊接。双排桩外侧加固腰梁6的材料、尺寸、间距等可根据实际工程的开挖深度、基坑围护双排桩4的参数等条件进行调整。双排桩外侧加固腰梁6的设置可使把支撑挡墙的斜撑(如锚杆、锚索等)的一端固定在腰梁上，这样可以使斜撑对挡墙的支撑从一个点变为一条线，从而提高支护结构的稳定性。双排桩外侧型钢牛脚支撑7为型钢结构或钢筋混凝土结构，其尺寸参数、倾斜角度、设置间距等可根据实际工程需要进行调整。对于基坑开挖深度较大的工程，双排桩外侧型钢牛脚斜撑7可有效的防止支护结构的侧向变形，围护基坑的稳定性。支护型式关键施工工序为“先撑后挖，再撑再挖，分层分段开挖”。同时，通过分析变形监测数据指导后期的开挖进度。双排桩内侧腰梁8和双排桩外侧加固腰梁6类似，可为型钢结构或钢筋混凝土结构，尺寸、间距等可根据实际工程的开挖深度、基坑围护双排桩4的参数等条件进行调整。双排桩内侧腰梁8可与双排桩内侧牛脚支撑9相连，增加桩体结构的整体稳定性。双排桩间横向支撑10两端与双排桩格构冠梁5的预留钢筋相连，使两侧的基坑围护双排桩4形成一个整体，防止出现悬臂型基坑围护结构变形，同时基坑围护双排桩4的高抗拔性使得双排桩间横向支撑10具有较高的位移稳定性，为后期的竖向悬桩12防控隧道位移提供条件。双排桩间横向支撑10尺寸、间距等可根据实际工程的开挖深度、基坑围护双排桩4的参数等条件进行调整。双排桩间纵向支撑11与双排桩间横向支撑10和竖向悬桩12相连，由于双排桩间纵向支撑11的存在有效的减小了双排桩间横向支撑10的跨度，使得支护结构的整体刚度增加，为后期横纵两向的协同受力提供条件。横、纵两向支撑可根据实际工程的施工进度及操作的工作量，可选择可拆卸易安装的型钢结构，亦可采用钢筋混凝土结构。竖向悬桩12为型钢结构或钢筋混凝土结构，上端与前期开挖前打设好的一系列变形防控构件相连，通过打设桩体的方法，下端与隧道内壁U形钢衬14相连，中间嵌入后期分块开挖完浇筑的建筑结构基础底板13，建筑结构基础底板13同样与基坑围护双排桩4预留的钢筋连接后浇筑在一起，形成双层稳固的防控结构。

如图4～6所示，为隧道正上方区域分层分块开挖及堆载反压图。工程经验及研究表明，单次卸荷率与土体形变呈正相关，采用分层分块的开挖方式，减小单次卸荷率，从而有效减小隧道结构形变。但由于竖向悬桩12等防控结构的设置，使得隧道在土体开挖卸荷将应力变化通过竖向悬桩12传递出去。无论是隧道产生上浮的趋势或者产生沉降的趋势，都能将土体开挖对地铁隧道3产生的附加应力通过竖向悬桩12传递给双排桩间横向支撑10和双排桩间纵向支撑11，最后传递给基坑围护双排桩4，从而保持地铁隧道3结构的稳定性。

如图7～10所示，为防止在盾构隧道或土质较差的暗挖隧道中，出现地铁隧道3的不均匀沉降而导致隧道衬砌18开裂、渗漏等问题，故在隧道洞内设置隧道内壁U形钢衬14。隧道内壁U形钢衬14可根据具体的隧道形式进行形状的调整。其中通过环形联结钢衬17将竖向悬桩12、隧道衬砌18、隧道内壁U形钢衬14连接为一个整体，其中隧道内壁U形钢衬14与隧道衬砌18之间的孔隙采用化学防水胶结材料进行填充。

如图6所示，信息化监测是现代施工过程中不可或缺的重要一部分，信息化监测可以使现场工程师们通过直观可靠的数据，具体、实时的掌握工程进度中的各个结构部件的受力状态以及形变情况，方便现场工程师及时发现风险源，减少人身财产损失。该发明中弥补了传统工程检测中单一、局部、非智能化等不足，采用更为先进的AI-3D全方位实时立体的监测，更智能、准确的为现场施工反馈指导。系统正常工作后，可由远程计算机通过互联网向监测站发出指令，监测站接受指令后依次进行基准点稳定性监测和变形点监测，通过高精度3D激光隧道扫描仪可准确地实时监测到施工引起的地铁运营隧道结构任何点的变形，之后将监测数据和气象感应数据传回控制计算机，数据处理系统自动改正监测数据，并判断监测数据质量。通过信息化管理平台展示：海量的监测数据能得到统一管理和共享，可方便及时快速进行数据的查找、检索和使用；避免由于管理人员对监测数据的误报、错报而导致的疏漏；可提高工作效率，促使监测信息的及时反馈，快速形成监测报告。该发明工法中监测项目主要包括洞外结构监测、洞内结构监测以及土体结构监测，洞外结构监测具体包括双排桩格构冠梁5的位移、双排桩间横向支撑10、双排桩间纵向支撑11、竖向悬桩12应力、基坑围护双排桩4测斜、腰梁锚索预应力；洞内结构监测具体包括隧道衬砌18位移(净空收敛)、轨道平顺度监测；土体结构监测主要为监测不同深度范围内的土体的位移形变情况。具体对每一监测项目展开细说：

洞外监测：

双排桩格构冠梁5的水平位移与竖向位移，通过双排桩格构冠梁5的位移监测可以掌握开挖过程整个基坑围护双排桩4的稳定情况，通过沿双排桩格构冠梁5线性布置的传感器绘制出实时的位移曲线，掌握全面的基坑稳定情况；双排桩间横向支撑10和双排桩间纵向支撑11的水平位移与竖向位移直接代表着竖向悬桩12的位移情况，从而反馈出深埋地下的隧道3位移情况。同时，双排桩间横向支撑10和双排桩间纵向支撑11的位移与其相连的双排桩格构冠梁5进行位移差值，计算出双排桩间横向支撑10和双排桩间纵向支撑11自身的形变情况，从而亦可修正地铁隧道3监测结果中的误差。竖向悬桩12在工作中的受力状态可由悬桩应力传感器测取，通过分析不同竖向悬桩12在工作中的受力大小，指导施工过程中在不同区域的开挖进度；当进行两侧基坑开挖时，由于基坑围护双排桩4两侧土体开挖的时间差，可能导致基坑围护双排桩4出现桩身呈现多种不确定形式的形变，故对基坑围护双排桩4采用多点位的测斜监测，保证基坑围护双排桩4的正常、稳定、安全的工作；腰梁是使基坑围护双排桩4形成整体协调工作的重要结构，腰梁与预应力锚索联结，为保证预应力锚索的有效工作，防止开挖过程中土体应力重分布，导致预应力锚索的预应力损失。

洞内监测：

隧道洞内监测主要包括地铁隧道洞内衬砌位移监测点、地铁隧道轨道位移监测点以及莱卡超高速3D激光扫描成像技术，洞内数据监测直接反应出地铁隧道的工作状态及形变状态。隧道衬砌位移监测主要监测隧道衬砌净空收敛及衬砌位移形变情况，由于地铁正上方为分区分块开挖，非等时性开挖必然导致隧道衬砌的不均匀受力，从而产生横向或纵向的裂隙。通过多点布置高精度莱卡全站仪系统，由点成线，由线成面；地铁隧道轨道的平顺度是列车行驶中最为关注的，不仅仅关系到乘客的乘车舒适体验，更关系到列车的安全行驶。对隧道轨道的位移监测科直接通过监测铁轨，亦可通过监测轨枕获取位移数据；同样，采用高精度徕卡超高速3D激光扫描成像技术，夜间当城市列车停止运营之际采用3D激光扫描仪扫描出开挖段区域内隧道的高清三维图像，使工程师直观、形象的掌握整个开挖过程对隧道的影响程度。