基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系及其构建方法与流程

本发明属于隧道工程技术领域，具体涉及一种基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系及其构建方法。

背景技术：

对于目前国内各大城市的轨道交通工程，随着地铁线网的不断加密，后续地铁线路建设时，受已建地铁线路与周边环境的影响，在线路走向与铺设方式、空间关系与结构型式、以及施工方法与工程措施等方面的要求更加苛刻。当隧道穿越既有桩基并与桩基空间冲突时，受场地条件、周边环境与道路交通的限制，常规简支梁—桩型式的托换体系可能无实施条件。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系及其构建方法，实现桩基荷载的有效转移，最大程度降低隧道穿越既有桩基施工的不利影响。

本发明所采用的技术方案为：

基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系，其特征在于：

包括由外侧的托换衬砌与内部的隧道衬砌两部分组成的双层永久衬砌结构；

托换衬砌施做于隧道衬砌和既有桩基之间，既有桩基底部伸入托换衬砌内并形成托换节点，节点处利用植筋和钢筋机械锚固实现有效连接，桩基托换范围内隧道采用双层永久衬砌结构。

托换衬砌与隧道衬砌之间设置有防水层。

托换衬砌外侧施做有初期支护，初期支护外侧布设超前注浆小导管，并压注水泥浆。

初期支护由格栅钢架、钢架接头与初支喷混组成，格栅钢架拱脚设置锁脚锚管；

初期支护内部设置竖向临时型钢支撑和水平向临时型钢支撑。

托换衬砌与既有桩基相交形成的托换节点处，既有桩基桩身四周植入受力钢筋。

基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系的构建方法，其特征在于：

包括以下步骤：

步骤一：在隧道拱部和掌子面打设超前注浆小导管，呈梅花型布置，注浆小导管在空间上避开被托换桩基并压注水泥浆；

步骤二：采用crd法施工，按左上部、左下部、右上部与右下部的顺序开挖，每部开挖时预留核心土，开挖后挂钢筋网并初喷混凝土，然后架设格栅钢架并复喷混凝土，上半断面格栅钢架架设后，拱脚处及时施做锁脚锚管并与格栅钢架焊接牢固，施做竖向临时型钢支撑和水平向临时型钢支撑；

步骤三：初期支护施工时在拱部沿径向埋设注浆钢管，梅花型布置，当初期支护闭合成环后，即对衬砌背后压注水泥浆；

步骤四：初期支护施做完成并待上半断面开挖进尺3米后封闭掌子面，施做既有桩基的托换衬砌，在既有桩基与托换衬砌连接节点处通过植筋和钢筋机械锚固实现有效连接；托换衬砌施工时在拱部埋设径向注浆钢管，梅花型布置，待托换衬砌达到设计强度后，即向背后压注微膨胀水泥浆；

步骤五：待托换衬砌达到设计强度后，逐步凿除侵入隧道衬砌范围的部分桩基，采用静力切割技术；

步骤六：逐步拆除竖向临时型钢支撑和水平向临时型钢支撑，每次拆除的长度不超过隧道开挖跨度的0.5倍，随后按照托换衬砌表面砂浆抹平、防水层铺设、钢筋笼绑扎、隧道衬砌浇筑的顺序施工；隧道衬砌浇筑时在拱部埋设径向注浆钢管，梅花型布置，当隧道衬砌闭合成环并达到一定强度后，即向背后压注微膨胀水泥浆。

隧道拱部超前注浆小导管采用直径42mm，壁厚3.5mm钢管，长3m，环向间距0.3m，纵向间距1.5m，外插角10°，拱部150°范围环向布设；

隧道掌子面外围超前注浆小导管环向间距0.4m，其余1m，纵向间距1.5m，梅花型布置，掌子面外围小导管外插角度为35°，其余水平方向打设。

锁脚锚管采用直径42mm，壁厚3.5mm的钢花管，长3m，内部压注水泥－水玻璃双液浆，与格栅钢架焊接牢固，纵向间距与格栅钢架相同。

初期支护施工时埋设的注浆钢管采用直径42mm，环、纵向间距3.0m，梅花型布置，内部压注水泥浆，注浆钢管与格栅钢架焊接牢固；

托换衬砌与隧道衬砌施工时埋设的注浆钢管采用直径42mm，环向间距3.0m，内部压注微膨胀水泥浆，预埋方式同初期支护。

托换衬砌与既有桩基的托换节点处植入钢筋采用直径22mm的iii级钢筋，单根长度为1000mm，植入深度350mm；

托换节点处托换衬砌钢筋与其余部位受力筋采用钢筋接驳器机械连接。

本发明具有以下优点：

本发明提供了一种新型的桩基托换结构体系设计理念，丰富了现有的桩基托换工艺，拓宽了托换技术的设计思路。在隧道拱部和掌子面设置的超前注浆小导管、初期支护格栅钢架、隧道内部设置的临时型钢支撑，以及注浆小导管内压注的水泥浆、衬砌结构用钢材与混凝土等，涉及的钢材、水泥浆、防水混凝土以及注浆小导管打设所用的机械设备等均为常规材料（设备），其相应尺寸为常规类型，便于加工制造；且注浆小导管的平面布置、数量与长度可根据施工情况进行调整，格栅钢架与临时型钢支撑的纵向间距可根据施工监测情况灵活调整。基于超前注浆小导管的预注浆加固，格栅钢架与内部临时型钢支撑纵向间距的灵活调整，以及crd工法化整为零的施工步续，可实现隧道工程自身的安全，基于植筋技术与等强度钢筋机械锚固技术，可实现托换节点处桩基与托换衬砌的有效连接，实现新旧结构荷载的有效转换，确保既有桩基结构和矿山法隧道结构的安全，减小潜在的不安全因素，达到既能满足周边环境苛刻与占地面积小，又能达到荷载托换的要求，避免了常规简支梁—桩托换体系实施期间，噪音大、占地大、同时还可能需要进行地下管线迁改的不利影响。具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、铁路、公路等工程中有广泛的应用前景。

附图说明

图1为双层衬砌隧道结构横断面布置图。

图2为双层衬砌隧道开挖断面支护图。

图3为图2中的a大样图。

图4为桩基托换节点大样图。

图中，1-既有桩基，2-托换衬砌，3-隧道衬砌，4-防水层，5-初期支护，6-注浆小导管，7-格栅钢架，8-钢架接头，9-初支喷混，10-锁脚锚管，11-竖向临时型钢支撑，12-水平向临时型钢支撑，13-植入钢筋，14-侵入隧道衬砌内的部分桩基，15-桩基箍筋，16-托换衬砌主筋。

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。

本发明涉及的基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系，通过超前注浆小导管地层预加固（或大管棚加固）、crd法开挖、格栅钢架与内部临时型钢支撑等措施确保隧道施工安全，在此基础上施做托换衬砌，将既有桩基荷载通过托换节点有效传递至托换衬砌，随后在托换衬砌内部再施做隧道衬砌。结构包括由外侧的托换衬砌2与内部的隧道衬砌3两部分组成的双层永久衬砌结构。托换衬砌2施做于隧道衬砌3和既有桩基1之间，托换衬砌2在结构轮廓上应尽量涵盖既有桩基1，确保既有桩基1与托换衬砌2连接节点处有效连接，满足结构受力与托换要求。同时，在托换衬砌2达到设计强度的情况下，凿除侵入隧道范围的部分既有桩基1，确保既有桩基1上部荷载有效转移至托换衬砌2上。托换衬砌2与既有桩基1的托换节点处通过植筋和钢筋机械锚固实现有效连接，满足新旧结构之间荷载的传递要求。

托换衬砌2与隧道衬砌3之间设置有防水层4，达到结构分离效果，具体隧道断面尺寸与实施范围可根据结构功能与内部空间使用要求确定。

托换衬砌2外侧施做有初期支护5，初期支护5外侧布设超前注浆小导管6，并压注水泥浆。

初期支护5由格栅钢架7、钢架接头8与初支喷混9组成，格栅钢架7拱脚设置锁脚锚管10。格栅钢架7采用三级钢，钢架接头8采用q235钢材，喷混9采用c25早强混凝土。格栅钢架7内部架立竖向临时型钢支撑11和水平向临时型钢支撑12。

托换衬砌2与既有桩基1的托换节点处，既有桩基1桩身环周等角度植入受力钢筋13。

隧道开挖时，采用超前小导管6注浆加固，并采用crd法开挖，开挖中及时架设格栅钢架7并喷混，同时注意初期支护5尽早封闭成环。格栅钢架7内部架立临时型钢支撑11与12，格栅钢架7与临时型钢纵向间距一般可取0.5m，与隧道纵向开挖步距相同。初期支护5内部浇筑托换衬砌2，既有桩基1与托换衬砌2连接节点处采用植筋技术与钢筋机械锚固技术，满足荷载的有效传递。托换衬砌2内部浇筑隧道衬砌3，并在内外两层受力衬砌间按要求铺设防水层4。

上述基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系的构建方法，包括以下步骤：

步骤一：在隧道拱部和掌子面打设超前注浆小导管6，呈梅花型布置，注浆小导管6在空间上避开被托换桩基1并压注水泥浆，确保隧道拱顶上方和开挖掌子面前方地层形成可靠的承载拱与改良土体；

步骤二：采用crd法施工，按左上部、左下部、右上部与右下部的顺序开挖，每部开挖时预留核心土，开挖后挂钢筋网并初喷混凝土，然后架设格栅钢架7并复喷混凝土，上半断面格栅钢架7架设后，在拱脚处及时施做锁脚锚管10并与格栅钢架7焊接牢固，施做竖向临时型钢支撑11和水平向临时型钢支撑12；

步骤三：初期支护5施工时在拱部沿径向埋设注浆钢管，梅花型布置，当初期支护5闭合成环一定长度后，即对衬砌背后压注水泥浆；

步骤四：初期支护5施做完成并待上半断面开挖进尺3米后封闭掌子面，施做既有桩基1的托换衬砌2，在既有桩基1与托换衬砌2连接节点处通过植筋和钢筋机械锚固实现有效连接；托换衬砌2施工时在拱部埋设径向注浆钢管，梅花型布置，待托换衬砌2达到设计强度后，即向背后压注微膨胀水泥浆；

步骤五：待托换衬砌2达到设计强度后，逐步凿除侵入隧道衬砌3范围的部分桩基14，采用静力切割技术；

步骤六：逐步拆除竖向临时型钢支撑11和水平向临时型钢支撑12，每次拆除的长度不超过隧道开挖跨度的0.5倍，随后按照托换衬砌2表面砂浆抹平、防水层4铺设、钢筋笼绑扎、隧道衬砌3浇筑的顺序施工；隧道衬砌3浇筑时在拱部埋设径向注浆钢管，梅花型布置，当隧道衬砌3闭合成环并达到一定强度后，即向背后压注微膨胀水泥浆。

隧道拱部超前注浆小导管6采用直径42mm，壁厚3.5mm钢管，长3m，环向间距0.3m，纵向间距1.5m，外插角10°，拱部150°范围环向布设；隧道掌子面外围超前注浆小导管6环向间距0.4m，其余1m，纵向间距1.5m，梅花型布置，掌子面外围小导管外插角度为35°，其余水平方向打设。

锁脚锚管10采用直径42mm，壁厚3.5mm的钢花管，长3m，内部压注水泥－水玻璃双液浆，与格栅钢架7焊接牢固，纵向间距与格栅钢架7相同。

初期支护5施工时埋设的注浆钢管采用直径42mm，环、纵向间距3.0m，梅花型布置，内部压注水泥浆，注浆钢管与格栅钢架7焊接牢固；托换衬砌2与隧道衬砌3施工时埋设的注浆钢管采用直径42mm，环向间距3.0m，内部压注微膨胀水泥浆，预埋方式同初期支护5。

托换衬砌2与既有桩基1的托换节点处植入钢筋13采用直径22mm的iii级钢筋，单根长度为1000mm，植入深度350mm；托换节点处托换衬砌2钢筋与其余部位受力筋采用钢筋接驳器机械连接。

基于双层永久衬砌结构的桩基托换体系及其构建方法，具有环境适应性强、托换结构安全可靠、对城市环境与交通影响小等特点。托换节点采用植筋技术与钢筋机械锚固技术实现既有桩基与托换衬砌的有效连接与荷载传递，同时在托换衬砌内部施做隧道衬砌，并采用防水层进行结构分离，既满足了桩基承载力要求，也满足了隧道自身结构受力与稳定性要求，避免了常规简支梁—桩托换体系受场地条件和周边环境的限制，这是本发明的基本特征，填补了国内外桥梁桩基采用隧道衬砌托换的空白。

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。