基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法

271 编辑：中冶有色技术网来源：中建三局集团华南有限公司

2024-12-17 13:40:46

权利要求

1.一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法，其中隧道结构位于超高层的桩筏基础的需托换的桩体中间，施工至筏板基础桩时通过托换桩基的形式完成受力转换，其特征在于：步骤包括：

步骤一：受力分析，先通过矿山法的工况模型进行隧道结构、桩筏基础和桩间土的内力分析，对桩筏基础的抗浮力和单桩的受力进行验算，隧道开挖过程中通过设置超前注浆小导管，在隧道断面注水泥浆保证开挖稳定;

步骤二：初期开挖和支护，隧道开挖采用矿山法开挖，施工时在拱部沿径向埋设注浆钢管，在开挖完成的断面处设置挂钢筋网并喷混凝土加固，完成一次衬砌施工;按照矿山法施工方式将隧道开挖至需托换的桩体处时，在桩体的断面处施工转换结构，所述转换结构截面于隧道的断面相匹配;

步骤三：二次衬砌施工，二次衬砌施工是在完成转换结构施工后进行，转换结构包括转接柱和顶梁，转接柱和顶梁靠近隧道的一侧形状与隧道截面相匹配，其中所述转接柱的深度超过隧道底部的埋深，所述顶梁施工时将其主体钢筋嵌入需托换的桩体内，并进行一体浇筑，形成T字形支撑;再采用托换衬砌施作二次衬砌，所述托换衬砌采用装配式衬砌，通过施工台车或满堂脚手架进行支撑，安装完毕后对二次衬砌和隧道内壁间隙进行填筑混凝土浆液;

步骤四：截桩和监测，二次衬砌施工完毕后，此时隧道内穿设的需托换的桩体的上部分与顶梁连接，截桩时，在需托换的桩体的中间设置监测套筒，切割机械将监测套筒上下段的桩切割断开后，监测套筒用于包裹和固定断桩，防止断桩被压裂，且在断桩处设置应变片，应变片用于检测上部结构的受力情况，并通过检测装置传输于可视移动端进行监控，完成整个隧道的二次衬砌施工;

步骤五：桩土验算和抗浮分析，由于隧道的埋深较深，通过转换结构将隧道结构和桩筏基础连为一体，隧道平面的地下水将对隧道产生浮力同时反作用于超高层的桩筏基础，此时通过验算软件进行建模分析;根据结构的整体受力和地下水位的变化计算出隧道的浮力对超高层的桩筏基础的反作用力F0，将其作为桩体安全值;

步骤六：移除断桩并切割修整，应变片检测上部结构的受力计为F，并按间隔5小时计入一次检测的数值，通过拟合计算获得断桩应力曲线，当受力F为负值时考虑为受压状态，由于支护前期上部结构的荷载还没有完全转移至转换结构上，考虑进一步等待整体结构的沉降;当受力F为正值时考虑为受拉状态，转换结构和需托换的桩体完成受力转换，如果出现受力F呈现对数增长时考虑为结构出现失稳，这需要加固临时支撑保证截桩出的稳定;待应变片曲线呈现稳定曲线，没有明显波动时可以进行移除断桩，拆除检测套筒后将断桩取出，此时断桩和监测套筒整体不再承受上部受力，断桩的处的力全部通过顶梁和转接柱传递至土层中;

步骤七：拆除临时支撑并完成隧道施工，逐步拆除临时支撑，拆除持续为先拆除非断桩处的支撑，待断桩的上部修整后并重新喷混凝土，保证断桩处和顶部衬砌相齐平，并通过植筋和浇筑连接隧道的顶部衬砌，在二次衬砌表面施工防水砂浆，当隧道衬砌闭合成环并达到一定强度后，向背后压注入膨胀水泥浆，再拆除断桩处的支撑结构，完成托换桩基的隧道结构的整体施工。

2.根据权利要求1所述的一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法，其特征在于：所述转换结构包括转接柱和顶梁，转接柱包括上部柱体和下部柱体，所述上部柱体与隧道的截面相匹配，所述下部柱体深度深于需托换的桩体的原有深度。

3.根据权利要求2所述的一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法，其特征在于：所述顶梁设置为马鞍状结构，其上表面为中间高两端低的平面，下表面为弧形且与隧道的顶面弧度相同，顶梁施工时先在需托换的桩体与隧道交叉处的截面开槽，形成浇筑槽后，通过在槽内设置不可拆卸的钢板作为支撑和顶模，侧面可以不设置支护模板，直接采用隧道岩体和侧面的衬砌作为侧模，浇筑时，先在需托换的桩体的侧面钻孔设置连接钢筋，通过在需托换的桩体两侧的槽内设置受力钢筋和箍筋，完成后再进行下部模板安装，下部模板设置有浇筑孔，浇筑完成后形成顶梁两侧与需托换的桩体的上部构成倒置Y形稳定结构浇筑完成后形成顶梁两侧与需托换的桩体的上部构成倒置Y形稳定结构。

4.根据权利要求2所述的一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法，其特征在于：所述的下部柱体为钢骨桩，施工下部柱体时隧道中开挖桩的形式，先通过钻机在隧道底部钻孔，利用钢管接桩方式逐段放入设计深度的钢管，通过焊接后再填入混凝土形成所述钢骨桩，作为上部柱体的施工支撑。

5.根据权利要求1所述的一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法，其特征在于：桩土验算和抗浮分析中，对钢骨桩的桩身稳定性验算包括在桩身在受到侧压力作用时，进行稳定性验算，以防止桩身失稳，侧压力公式为：P=FstA，其中，P是桩身受到的总压力，A是桩身截面面积，Fst是桩身的稳定性承载力;桩体安全值修正公式为P0=uF0，F0为隧道的浮力对超高层的桩筏基础的反作用力，u为经验系数，取值为1-1.5，若P>P0则考虑增加抗浮措施，通过在隧道底板设置抗浮锚杆;当P

说明书

技术领域

[0001]本发明涉及隧道结构施工领域，具体涉及一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法。

背景技术

[0002]随着城市交通压力的增加，地铁作为现在城市的快捷交通方式，一般都是穿设在既有建筑的地下，特别是在市区，众多高层或超高层的底部经常设置用比较长的桩基础或桩筏基础，在桩筏基础的施工中，因为隧道的通过，一方面将桩筏基础的承载力和土层浮力改变，另外隧道的施工将地下水的路径改变，造成了地下水位上升。目前，国内外在处理地铁隧道穿越建筑物桩基方面积累了丰富经验，主要采用地面桩基托换和洞内桩基托换两种方式。其中，矿山法隧道洞内桩基被动托换法因其施工简便、无需拆除上部结构、不受地面环境限制等优势，如何考虑托换桩基的桩间土和浮力的综合影响，成为现在施工的主要难点。

发明内容

[0003]为解决上述技术问题，本发明提供了一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法，采用如下技术方案实现：

[0004]一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法，其中隧道结构位于超高层的桩筏基础的需托换的桩体中间，施工至筏板基础桩时通过托换桩基的形式完成受力转换，其特征在于：步骤包括：

[0005]步骤一：受力分析，先通过矿山法的工况模型进行隧道结构、桩筏基础和桩间土的内力分析，对桩筏基础的抗浮力和单桩的受力进行验算，隧道开挖过程中通过设置超前注浆小导管，在隧道断面注水泥浆保证开挖稳定;

[0006]步骤二：初期开挖和支护，隧道开挖采用矿山法开挖，施工时在拱部沿径向埋设注浆钢管，在开挖完成的断面处设置挂钢筋网并喷混凝土加固，完成一次衬砌施工;按照矿山法施工方式将隧道开挖至需托换的桩体处时，在桩体的断面处施工转换结构，所述转换结构截面于隧道的断面相匹配;

[0007]步骤三：二次衬砌施工，二次衬砌施工是在完成转换结构施工后进行，转换结构包括转接柱和顶梁，转接柱和顶梁靠近隧道的一侧形状与隧道截面相匹配，其中所述转接柱的深度超过隧道底部的埋深，所述顶梁施工时将其主体钢筋嵌入需托换的桩体内，并进行一体浇筑，形成T字形支撑;再采用托换衬砌施作二次衬砌，所述托换衬砌采用装配式衬砌，通过施工台车或满堂脚手架进行支撑，安装完毕后对二次衬砌和隧道内壁间隙进行填筑混凝土浆液;

[0008]步骤四：截桩和监测，二次衬砌施工完毕后，此时隧道内穿设的需托换的桩体的上部分与顶梁连接，截桩时，在需托换的桩体的中间设置监测套筒，切割机械将监测套筒上下段的桩切割断开后，监测套筒用于包裹和固定断桩，防止断桩被压裂，且在断桩处设置应变片，应变片用于检测上部结构的受力情况，并通过检测装置传输于可视移动端进行监控，完成整个隧道的二次衬砌施工;

[0009]步骤五：桩土验算和抗浮分析，由于隧道的埋深较深，通过转换结构将隧道结构和桩筏基础连为一体，隧道平面的地下水将对隧道产生浮力同时反作用于超高层的桩筏基础，此时通过验算软件进行建模分析;根据结构的整体受力和地下水位的变化计算出隧道的浮力对超高层的桩筏基础的反作用力F0，将其作为桩体安全值;

[0010]步骤六：移除断桩并切割修整，应变片检测上部结构的受力计为F，并按间隔5小时计入一次检测的数值，通过拟合计算获得断桩应力曲线，当受力F为负值时考虑为受压状态，由于支护前期上部结构的荷载还没有完全转移至转换结构上，考虑进一步等待整体结构的沉降;当受力F为正值时考虑为受拉状态，转换结构和需托换的桩体完成受力转换，如果出现受力F呈现对数增长时考虑为结构出现失稳，这需要加固临时支撑保证截桩出的稳定;待应变片曲线呈现稳定曲线，没有明显波动时可以进行移除断桩，拆除检测套筒后将断桩取出，此时断桩和监测套筒整体不再承受上部受力，断桩的处的力全部通过顶梁和转接柱传递至土层中;

[0011]步骤七：拆除临时支撑并完成隧道施工，逐步拆除临时支撑，拆除持续为先拆除非断桩处的支撑，待断桩的上部修整后并重新喷混凝土，保证断桩处和顶部衬砌相齐平，并通过植筋和浇筑连接隧道的顶部衬砌，在二次衬砌表面施工防水砂浆，当隧道衬砌闭合成环并达到一定强度后，向背后压注入膨胀水泥浆，再拆除断桩处的支撑结构，完成托换桩基的隧道结构的整体施工。

[0012]所述转换结构包括转接柱和顶梁，转接柱包括上部柱体和下部柱体，所述上部柱体与隧道的截面相匹配，所述下部柱体深度深于需托换的桩体的原有深度。

[0013]所述的下部柱体为钢骨桩，施工下部柱体时隧道中开挖桩的形式，先通过钻机在隧道底部钻孔，利用钢管接桩方式逐段放入设计深度的钢管，通过焊接后再填入混凝土形成所述钢骨桩，作为上部柱体的施工支撑。

[0014]桩土验算和抗浮分析中，对钢骨桩的桩身稳定性验算包括在桩身在受到侧压力作用时，进行稳定性验算，以防止桩身失稳，侧压力公式为：P=FstA，其中，P是桩身受到的总压力，A是桩身截面面积，Fst是桩身的稳定性承载力;桩体安全值修正公式为P0=uF0，F0为隧道的浮力对超高层的桩筏基础的反作用力，u为经验系数，取值为1-1.5，若P>P0则考虑增加抗浮措施，通过在隧道底板设置抗浮锚杆;当P

[0015]采用了上述技术方案后，本发明的有益效果是：

[0016]1、传统托梁换桩的截桩施工中，一般直接采用二衬作为支撑，或者需要进行大土方施工，将转换柱设置为与隧道不想关的受力体系，本申请通过隧道、截桩和转换结构的综合关联设置，利用超高层的桩筏基础和隧道以及转换结构的一体受力，进行综合考量，保证了整体结构的稳定;

[0017]2.本申请采用截断后继续作为支撑的方式，保证了隧道的支护安全，在截桩拆除时，先施工好转换结构，利用监测和对比应变片的受力情况，分析确定移除截桩的条件，在施工的动态过程中保证了施工的安全和支护要求;

[0018]3.本申请转接柱包括上部柱体和下部柱体，其中上部柱体可以配合隧道的截面形状设置，配合顶梁同样设置为隧道拱形梁体结构，利于其隧道和桩土受力，其下部柱体可以设置为摩擦性桩体，利于在隧道施工后的沉降过程中发挥最大的受力。

附图说明

[0019]为了更清楚地说明本申请实施方式中的技术方案，下面将对实施方式描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

[0020]图1为本申请施工方法流程图;

[0021]图2为本申请隧道、桩筏基础的示意图;

[0022]图3为本申请隧道和需托换桩的示意图;

[0023]图4为本申请截桩和监测套筒的示意图;

[0024]图5为本申请截桩示意图。

[0025]图6为本申请完成截桩的示意图。

具体实施方式

[0026]通过下面对实施例的描述，将更加有助于公众理解本发明，但不能也不应当将申请人所给出的具体的实施例视为对本发明技术方案的限制，任何对部件或技术特征的定义进行改变，或对整体结构作形式的而非实质的变换都应视为本发明的技术方案所限定的保护范围。

[0027]在本申请中，除非另有明确的规定或限定，术语“″安装”、“″连接”、“″固定”等术语应做广义理解。例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接;可以是机械连接，也可以是电连接;可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，也可以是两个元件内部的连通，也可以是仅为表面接触，或者通过中间媒介的表面接触连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。

[0028]本发明采用如下技术方案实现：

[0029]如图1-图5所示，一种基于矿山法托换桩基的隧道结构施工方法，其中隧道结构1位于超高层的桩筏基础的需托换的桩体2中间，施工至筏板基础桩时通过托换桩基的形式完成受力转换，其特征在于：步骤包括：

[0030]步骤一：受力分析，先通过矿山法的工况模型进行隧道结构1、桩筏基础3和桩间土4的内力分析，对桩筏基础的抗浮力和单桩的受力进行验算，隧道开挖过程中通过设置超前注浆小导管，在隧道断面注水泥浆保证开挖稳定;

[0031]步骤二：初期开挖和支护，隧道开挖采用矿山法开挖，施工时在拱部沿径向埋设注浆钢管，在开挖完成的断面处设置挂钢筋网并喷混凝土加固，完成一次衬砌施工;按照矿山法施工方式将隧道开挖至需托换的桩体处时，在桩体的断面处施工转换结构，所述转换结构截面于隧道的断面相匹配;

[0032]步骤三：二次衬砌施工，二次衬砌施工是在完成转换结构施工后进行，转换结构5包括转接柱51和顶梁52，转接柱和顶梁靠近隧道的一侧形状与隧道截面相匹配，其中所述转接柱的深度超过隧道底部的埋深，所述顶梁施工时将其主体钢筋嵌入需托换的桩体内，并进行一体浇筑，形成T字形支撑;再采用托换衬砌施作二次衬砌6，所述托换衬砌采用装配式衬砌，通过施工台车或满堂脚手架进行支撑，安装完毕后对二次衬砌和隧道内壁间隙进行填筑混凝土浆液;

[0033]步骤四：截桩和监测，二次衬砌施工完毕后，此时隧道内穿设的需托换的桩体2的上部分与顶梁52连接，截桩时，在需托换的桩体2的中间设置监测套筒21，切割机械将监测套筒上下段的桩切割断开后，监测套筒用于包裹和固定断桩22，防止断桩被压裂，且在断桩处设置应变片23，应变片用于检测上部结构的受力情况，并通过检测装置传输于可视移动端进行监控，完成整个隧道的二次衬砌施工;

[0034]步骤五：桩土验算和抗浮分析，由于隧道的埋深较深，通过转换结构将隧道结构和桩筏基础连为一体，隧道平面的地下水将对隧道产生浮力同时反作用于超高层的桩筏基础，此时通过验算软件进行建模分析;根据结构的整体受力和地下水位的变化计算出隧道的浮力对超高层的桩筏基础的反作用力F0，将其作为桩体安全值;

[0035]步骤六：移除断桩并切割修整，应变片检测上部结构的受力计为F，并按间隔5小时计入一次检测的数值，通过拟合计算获得断桩应力曲线，当受力F为负值时考虑为受压状态，由于支护前期上部结构的荷载还没有完全转移至转换结构上，考虑进一步等待整体结构的沉降;当受力F为正值时考虑为受拉状态，转换结构和需托换的桩体完成受力转换，如果出现受力F呈现对数增长时考虑为结构出现失稳，这需要加固临时支撑保证截桩出的稳定;待应变片曲线呈现稳定曲线，没有明显波动时可以进行移除断桩，拆除检测套筒后将断桩取出，此时断桩和监测套筒整体不再承受上部受力，断桩的处的力全部通过顶梁和转接柱传递至土层中;

[0036]步骤七：拆除临时支撑并完成隧道施工，逐步拆除临时支撑，拆除持续为先拆除非断桩处的支撑，待断桩的上部修整后并重新喷混凝土，保证断桩处和顶部衬砌相齐平，并通过植筋和浇筑连接隧道的顶部衬砌，在二次衬砌表面施工防水砂浆，当隧道衬砌闭合成环并达到一定强度后，向背后压注入膨胀水泥浆，再拆除断桩处的支撑结构，完成托换桩基的隧道结构的整体施工。

[0037]所述转换结构5包括转接柱51和顶梁52，转接柱包括上部柱体511和下部柱体512，所述上部柱体与隧道的截面相匹配，所述下部柱体深度深于需托换的桩体的原有深度。

[0038]作为优选，所述顶梁设置为马鞍状结构，其上表面为中间高两端低的平面，下表面为弧形且与隧道的顶面弧度相同，顶梁施工时先在需托换的桩体与隧道交叉处的截面开槽，形成浇筑槽后，通过在槽内设置不可拆卸的钢板作为支撑和顶模，侧面可以不设置支护模板，直接采用隧道岩体和侧面的衬砌作为侧模，浇筑时，先在需托换的桩体的侧面钻孔设置连接钢筋，通过在需托换的桩体两侧的槽内设置受力钢筋和箍筋，完成后再进行下部模板安装，下部模板设置有浇筑孔。

[0039]作为优选，所述的监测套筒设置为两个半圆的对开套筒形式，利用端侧设置固定侧板，侧板通过高强螺栓固定，将两个对开套筒固定在需托换的桩体上，所述套筒的上下位置设置有连接凸台，在连接时套筒的上下连接凸台与断桩处的上下位置接触连接，也就是说上下两个连接凸台的设置保证套筒的受力点不在断桩上，而是设置在断桩的上部和下部，这样套筒上设置的应变片即可以感应到断桩上部结构的应力变化。另外一种实施例，也可以直接将应变片设置在断桩和上部桩体中间的切口处，该监测套筒则起到固定断桩和原有桩体的作用。

[0040]所述的下部柱体为钢骨桩，施工下部柱体时隧道中开挖桩的形式，先通过钻机在隧道底部钻孔，利用钢管接桩方式逐段放入设计深度的钢管，通过焊接后再填入混凝土形成所述钢骨桩，作为上部柱体的施工支撑。

[0041]实际施工中，隧道通过多根需要托换的桩，在进行桩基托换时，应按每次处理一根桩的原则进行，每次需要进行受力核算，且进行分步、逐根对侵入隧道内桩基进行凿除、切割，利用隧道初期支护及转换装置的承载，达到上部结构自身荷载及动载的有效传递，

[0042]在桩土验算和抗浮分析中，对钢骨桩的桩身稳定性验算包括在桩身在受到侧压力作用时，进行稳定性验算，以防止桩身失稳，侧压力公式为：P=FstA，其中，P是桩身受到的总压力，A是桩身截面面积，Fst是桩身的稳定性承载力;桩体安全值修正公式为P0=uF0，F0为隧道的浮力对超高层的桩筏基础的反作用力，u为经验系数，取值为1-1.5，若P>P0则考虑增加抗浮措施，通过在隧道底板设置抗浮锚杆;当P

[0043]考虑到施工中，需要在转换装置的钢骨桩施工中，隧道的施工空间减小，需要分段设置钢管，隧道底部钻孔的位置设置在偏移隧道土层外侧，这样保证整体隧道的截面尺寸要求，在安装钢管时，可以人工进入钢管内进行逐一焊接，保证其钢管的完整性要求。

[0044]以上对本发明的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施;任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本发明的实质内容。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

说明书附图(6)