一种上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工方法

1.本发明属于土木技术领域，涉及市政工程中的城市轨道施工技术，具体涉及一种上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工方法。


背景技术：

2.地铁是现阶段我国城市交通运输的重要组成部分，承载了大量的通勤客流，肩负着城市平稳运行的重要使命。伴随着城市轨道交通快速发展，加之土地资源的极度紧缺，地铁交叉工程日益增多，而其交叉地铁施工方法也多以明挖顺作法、盾构施工为主。众所周知，深基坑明挖施工、盾构施工往往伴随着极强的环境效应，会对地层中原有的应力场和水压场造成扰动，打破原本隧道和土体间静态平衡状态，不可避免地会对既有运营隧道造成不均匀变形。若不对既有运营隧道变形进行严格控制，其运营隧道可能会因局部变形较大而造成结构破裂，影响其正常使用，严重时甚至引发工程事故，所造成的经济损失和社会影响是不可估量的。


技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明设计了一种上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工方法，能有效地自动化控制上层深基坑施工所引起的下穿运营隧道在竖直方向上的不均匀变形，确保下穿既有运营隧道的安全工作运行。
4.本发明的基础原理为：通过在原有下穿运营隧道上方施工反力锚固装置，配合控制千斤顶进行主动施压补充既有运营隧道垂直方向上的内力变化，进而控制既有运营隧道在垂直方向的变形，将上层隧道、基坑施工对下穿运营隧道的变形减小至安全范围，确保下穿既有运营隧道的安全工作运行。
5.本发明涉及的下穿运营隧道变形主动补充装置包括反力锚固装置、反力千斤顶和监测控制系统，所述反力锚固装置包括设于运营隧道两侧的锚桩、设于两侧锚桩顶部的反力支架和设于反力支架与运营隧道之间的承力平台；所述反力支架为锚固在两侧锚桩上的锚梁；所述监测控制系统包括控制系统和用于监测运营隧道安全状态的监测系统，所述监测系统主要包括应力传感器和应变传感器。
6.所述的锚桩，由多根钢筋混凝土锚桩沿原有运营隧道两侧对称均匀布置，具体施工数量和深度可根据地质资料和上层工程的基坑开挖预计尺寸计算，或者通过实验模型及数值仿真分析并保证一定的安全富余条件下确定，以保证锚桩能产生的锚固力大于岩土对运营隧道向上的地应力，并预留安全余量；其锚桩对应钢筋笼布设范围在锚梁设计高度以下，桩孔以上范围由普通回填土进行压实回填。
7.所述的锚梁为钢锚梁，其截面形状多为钢箱梁截面，也可为多根工字钢或h型钢截面拼装而成的组合截面。作为一种改进，也可以是预应力混凝土现浇或预制梁。锚梁横向连接于运营隧道两侧的锚桩顶部，作为门形的反力支架。
8.所述的承力平台，设置于运营隧道外侧顶部，下部形状与运营隧道外侧顶部匹配，
顶部为平台，用于将记载力均匀分散在运营隧道上，防止主动补充过程中，对运营隧道造成破坏。
9.所述的承力平台主要是钢筋混凝土结构，为带有一定厚度的具有调平和应力扩散功能的钢筋混凝土块，可通过特制的矩形或圆形模具进行现浇混凝土施工，保证承力平台下部形状与运营隧道外侧顶部匹配。
10.所述的千斤顶，设置于锚梁和承力平台之间，用于提供加载力，补偿由于上部基坑开挖造成的地应力损失，防止运营隧道向上弯曲变形，维持运营隧道的稳定性。
11.所述的千斤顶多为普通液压大吨位千斤顶，其油泵带有控制系统，可通过无线或有线传输信息接入监测控制系统，根据反馈变形信息进行动态控制反力千斤顶施加作用的顶力，进而控制原有运营隧道的变形。
12.所述的监测控制系统还包括信号传输模块和数据存储系统；应力、变形传感器布置在运营隧道内壁四周影响范围，较优的，应力传感器沿环形布置在内壁四周，变形传感线沿隧道内壁顶面纵轴方向进行布置。信号传输模块可选择有线或者无线模块，较优的，信息传输多选择wifi传输。控制系统多为成熟的pcl控制系统，较优的，控制系统内设置有pid算法(比例积分微分组合控制算法)，可以较好地解决隧道变形与千斤顶反馈力之间因误差干扰所引用的滞后问题。数据存储系统主要是实时记录具体施工情况下，原有运营隧道应力、变形情况及对应千斤顶施加顶力荷载控制情况等数据信息，较优的，数据存储系统可采用云存储。
13.为达到上述目的，本发明采用技术方案为一种上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工方法，包括以下步骤：
14.步骤1、在运营隧道两侧分别施工若干锚桩，锚桩顶部高度低于上层工程的基坑；
15.步骤2、在运营隧道一侧施工工作井，直达该侧锚桩顶部处；
16.步骤3、从工作井底部横向开挖，越过运营隧道顶部直至另一侧的锚桩顶部，边开挖边支护，形成工作空间；
17.步骤4、通过工作空间，在两侧锚桩顶部施工横跨运营隧道的锚梁作为反力支架；
18.步骤5、开挖并清理反力支架和在运营隧道顶部之间的岩土，并在运营隧道外侧顶部设置承力平台，所述承力平台顶部为平面，底部与在运营隧道顶部外侧面贴合；
19.步骤6、在承力平台顶部和反力支架之间设置若干千斤顶，千斤顶以在运营隧道轴线对称设置，形成补偿加载装置；
20.步骤7、在运营隧道内侧顶部安装监测系统，用于监测运营隧道的变形和应力效应；
21.步骤8、进行上层工程的基坑开挖施工，当通过监测系统监测到在运营隧道的变形和应力效应超过报警阈值时，启动补偿加载装置，对在运营隧道顶部施加向下的补偿应力，直至在运营隧道的变形在安全范围内；
22.步骤9、上层工程的基坑施工完毕后，对工作空间和工作井进行回填，边回填边回收千斤顶，完成上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工。
23.进一步地，步骤1中锚桩施工方法如下：
24.步骤1.1、锚桩方案设计：根据地质资料和上层工程的基坑开挖预计尺寸计算或者通过实验模型得出锚桩的施工数量和深度，保证锚桩能产生的锚固力大于岩土对运营隧道
向上的地应力，并预留安全余量；
25.步骤1.2、锚桩桩孔施工：在运营隧道两侧，利用工程钻机进行桩孔施工至设计深度并完成清槽工作；
26.步骤1.3、锚桩浇筑施工：绑扎锚桩钢筋笼，下放至桩孔中，然后浇注混凝土至设计高度，养护一段时间，待锚桩成型后，对桩孔顶部空间采用回填土进行回填至地面；
27.步骤1.4、重复步骤1.2至步骤1.3，完成所有锚桩施工。
28.本发明的有益效果：
29.本发明所设计的一种上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工方法具有显著的优势和社会经济效益，尤其适用于交通繁忙的城市道路下交叉地铁网的设计施工。
30.以下列举了五点其主要的有益效果：
31.(1)施工工艺简单，可操作性强，容易组织实施。
32.(2)千斤顶等装置安置过程中，实际开挖土方较小，不污染环境，不影响交通。(其土方和装置运输主要依靠吊装工作井内部进行工作，对地层地面破坏较小。)
33.(3)社会效益与经济效益显著，综合成本较低。(监测系统、反力千斤顶及锚梁等装置均可在施工结束后进行拆除回收，可继续循环利用，也有效地节约了工程成本。)
34.(4)对下穿运营隧道变形控制效果好，变形补偿安全系数高。(利用自动化监测控制系统实时采集并分析下穿运营隧道在施工过程中的应力、变形情况，高效精确地控制千斤顶油泵加压，整个过程不需要人为亲自参与工程检测控制，安全系数得到保证，也极大降低人工工作强度和工作成本；同时实时动态自动控制油泵加压，使得原有运营隧道一直处于变形安全范围状态，变形补偿效果好。)
35.(5)利用云存储，记录施工过程中既有运营隧道实际所受的变形情况及千斤顶顶力补偿情况，为后期类似工程提供了变形补偿数据资料的参考，同时也为如何合理选择千斤顶量程及锚桩施工深度范围等注意事项提供了实际工程数据借鉴，能够更好提高对原有运营隧道变形补偿的效果。
附图说明
36.图1为新建上穿工程对既有下穿运营隧道变形影响示意图。
37.图2为一种上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工方法示意图；
38.图3为图2中侧示意图；
39.图4为本发明施工案例的步骤1.2中锚桩桩孔施工的示意图；
40.图5为本发明施工案例的步骤1.3中锚桩浇筑施工完成的示意图；
41.图6为本发明施工案例的步骤2用于锚梁吊装的工作井施工的示意图；
42.图7为本发明施工案例的步骤3中施工用于锚梁布置的工作空间施工的示意图；
43.图8为本发明施工案例的步骤4中锚梁施工的示意图；
44.图9为本发明施工案例的步骤6中千斤顶安装的示意图；
45.图10-1为本发明施工案例的步骤8上层工程的基坑施工的整体示意图；
46.图10-2为本发明施工案例的步骤8千斤顶加载的局部细节示意图；
47.图11为本发明施工案例的步骤8中上层工程的基坑回填的示意图；
48.图12为本发明施工案例的步骤9中工作空间回填结束的示意图。
49.图中：1-新建隧道，2-运营隧道，3-锚桩桩孔，4-锚桩，5-锚梁，6-工作井，7-工作空间，8-承力平台，9-千斤顶，10-地表面，11-变形前运营隧道，12-变形后运营隧道。
具体实施方式
50.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
51.为了更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。工程施工既包括基坑施工也包括隧道墩高施工。只要是工程扰动引起造成地层中原有的应力场和水压场造成扰动，引起隧道向上变形的都属于本发明这类工程。
52.以在原有运营隧道的上方交叉施工新建隧道1为例对本发明进行说明，如图2至图12所示，一种上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工方法，包括以下步骤：
53.步骤1、在运营隧道2两侧分别施工若干锚桩4，锚桩4的顶部高度低于上层工程的基坑；
54.锚桩4施工方法如下：
55.步骤1.1、锚桩4方案设计：根据地质资料和上层工程的基坑开挖预计尺寸计算或者通过实验模型得出锚桩4的施工数量和深度，保证锚桩4能产生的锚固力大于岩土对运营隧道2向上的地应力，并预留安全余量；
56.步骤1.2、锚桩桩孔3施工：在运营隧道2两侧，利用工程钻机进行桩孔施工至设计深度并完成清槽工作，如图4所示；
57.步骤1.3、锚桩4浇筑施工：绑扎锚桩4钢筋笼，下放至桩孔中，然后浇注混凝土至设计高度，养护一段时间(一般为48小时)，待锚桩4成型后，对桩孔顶部空间(钢筋笼以上桩孔)采用回填土进行回填至地面；
58.步骤1.4、重复步骤1.2至步骤1.3，完成所有锚桩4施工，如图5所示。
59.步骤2、在运营隧道2一侧施工工作井6，直达该侧锚桩4顶部处，如图6所示；
60.步骤3、从工作井6底部横向开挖，越过运营隧道2顶部直至另一侧的锚桩4顶部，边开挖边支护，形成工作空间7，如图7所示；
61.步骤4、通过工作空间7，在两侧锚桩4顶部施工横跨运营隧道2的锚梁5作为门型的反力支架，如图8所示；
62.步骤5、开挖并清理反力支架和在运营隧道2顶部之间的岩土，并在运营隧道2外侧顶部设置承力平台8，所述承力平台8顶部为平面，底部与在运营隧道2顶部外侧面贴合；
63.步骤6、在承力平台8顶部和反力支架之间设置若干千斤顶9，千斤顶9以在运营隧道2轴线对称设置，形成补偿加载装置，如图9所示；
64.步骤7、在运营隧道2内侧顶部安装监测系统，用于监测运营隧道2的变形情况；
65.步骤8、进行上层工程的基坑开挖施工，当通过监测系统监测到在运营隧道2的变形超过报警阈值时，启动补偿加载装置，对在运营隧道2顶部施加向下的补偿应力，直至在运营隧道2的变形在安全范围内，如图10-1和图10-2所示；
66.步骤9、上层工程的基坑施工完毕后，对工作空间7和工作井6进行回填，如图11所示，边回填边回收千斤顶9，完成上层工程施工主动补偿下穿运营隧道变形的施工，如图12所示。
67.具体的，在上层工程的基坑内新建隧道1施工完毕后，先对工作空间7进行回填，回填过程中逐步拆除回收千斤顶9，并通过监测系统监测保证运营隧道2变形处于安全范围，一旦超过安全范围，驱动没有拆除的千斤顶9进行超加载，然后夯实已拆除部位，或者将已拆除千斤顶9处替换岩石、混凝土块或钢结构件等，保证运营隧道2安全，当上层工程的基坑也回填完毕后，运营隧道2上方地应力自然恢复，因此，只需要保证最后拆除监测系统即可。
68.需要说明的是，本发明也可以拆除锚梁5，当锚梁5采用可拆卸的钢结构件时，可以拆除锚梁5，拆除过程中，先回填工作空间7和上层工程的基坑，回填完毕后通过工作井6从侧方拔出锚梁5，最后回填工作井6即可。
69.作为一种优选实施例，步骤1中，浇注锚桩4时，在锚桩4顶部预留连接钢筋。这样在后续设置锚梁5时，能增强反力支架的牢固性和连接便利性。
70.当设置有连接钢筋时，所述锚梁5为箱形结构梁，预应力混凝土现浇、预制梁及钢梁中的任意一种。当采用箱形结构梁和预制梁时可以采用局部浇注与锚桩4连接，当采用钢梁时，可以采用焊接与锚桩4相连。采用钢梁时，整体为工字钢型截面或者h型截面。
71.作为一种优选实施例，步骤2中，所述工作井6距离相应侧锚梁5端部不小于安全净距离，一般不小于3m，不大于5m，所述工作井6采用支护结构采用钢木支撑、喷锚支护及钢板桩支护中的任意一种，边开挖边支护，工作井6尺寸一般应该大于所需安装锚梁5的尺寸，便于通过工作井6将锚梁5运输到工作空间7内。
72.作为一种优选实施例，所述工作空间7的支护采用高强度锚杆主动支护和/或高强度钢梁被动支护，以便能够支撑上层工程的基坑没开挖时较大的地应力。
73.作为一种优选实施例，步骤5中，所述承力平台8为以运营隧道2顶部外侧面为底模板的现浇钢筋混凝土平台，具体的可以以运营隧道2顶部外侧面为底模板，在侧面设置木模板，采用现浇的方式形成承力平台8，这样承力平台8顶部为水平平台，便于与锚梁5之间进行力加载，承力平台8底部与运营隧道2高度贴合，加载时也不会导致运营隧道2上应力集中造成破坏。
74.作为一种优选实施例，步骤9中，先回填承力平台8和锚梁5之间的空间，回填过程中逐步拆除千斤顶9，并在拆除的千斤顶9位置设置岩石、钢梁或者混凝土块，替代千斤顶9所施加的荷载，当所有千斤顶9拆除后，回填剩余工作空间7和工作井6。
75.作为一种优选实施例，所述监测系统包括设于运营隧道2内顶部的应力传感器和变形传感器。
76.作为一种优选实施例，应力传感器沿环形布置在内壁四周，变形传感线沿隧道内壁顶面纵轴方向进行布置。
77.作为一种优选实施例，对所述补偿加载装置设置控制系统，将监测系统监测到在运营隧道2的变形信号传输给控制系统，通过控制系统控制千斤顶9进行加载，实现自动调整。控制系统可以选择pcl控制系统，较优的，控制系统内设置有pid算法(比例积分微分组合控制算法)，可以较好地解决变形与反馈之间因误差干扰所引用的滞后问题。还可以增加数据存储系统，实时记录具体施工情况下，原有运营隧道2应力、变形情况及对应千斤顶9施
加顶力控制情况等数据信息，较优的，数据存储系统可采用云存储。
78.控制系统和监测系统之间通讯可以采用有线通讯或者无线通讯，由于仅隔隧道厚度，因此，可以采用wifi传输。控制系统和千斤顶9之间一般采用有线传输，当然也可以采用无线传输。
79.作为一种优选实施例，步骤8中报警阈值可以通过仿真理论计算，报警阈值一般为理论仿真计算容许值的0.6倍。
80.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。