一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构及其施工方法与流程

本发明属于土木工程隧道工程技术领域，具体涉及一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构及施工方法。

背景技术：

在我国，广泛分布着多种类型的深厚松软土层，这种土层通常强度较低，且固结沉降仍未完成。在这种土层中新建隧道工程时，容易出现隧道围岩和支护结构变形和沉降问题，为隧道支护结构在施工和运营阶段的安全带来了极大的威胁。

为了解决这种松软土地层中下穿隧道的变形和沉降问题，普遍采用隧道内内桩基加固方法，即隧道仰拱开挖完成后在仰拱处施工桩基础至下部基岩。虽然这类工法能够保证隧道衬砌结构施工和运营阶段的安全，但是，考虑到洞内作业空间的有限性，洞内桩基加固工序势必会延缓隧道内的开挖、支护等工序的施工进程，进而延长了施工工期、增加了工程造价。此外，从隧道断面开挖到初期支护封闭成环并架设于下面桩基之上的这个过程，必然会耗费一定的时间才能完成，而在这段时间差内，隧道围岩的变形和沉降往往发展较快。

技术实现要素：

针对以上现有技术的不足，本发明提出一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构及施工方法，在提高施工效率的前提下，有效地控制了松软土层中新建隧道时围岩和支护结构变形和沉降问题，提高了隧道施工和运营阶段的安全性。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：包括灌注桩、支护结构和连接节点；所述灌注桩沿隧道轴线在两侧平行布置；

所述支护结构的两端通过所述连接节点与所述灌注桩连接。

进一步，所述连接节点包括拱肩连接节点和拱脚连接节点。

进一步，所述灌注桩自地表向下钻孔至基岩，所述拱肩连接节点设计标高以下部分灌注钢管混凝土形成，所述拱肩连接节点设计标高以上的钻孔中回填砂石料，所述钻孔在平面上成两列平行间断布置。

进一步，所述支护结构包括初期支护和二次衬砌，所述初期支护设置于外围，所述初期支护的两端通过所述拱肩连接节点与所述灌注桩连接，所述二次衬砌设置于所述初期支护内侧，并且所述二次衬砌两端经过所述拱肩连接节点向下延伸拱脚连接节点。

进一步，所述拱肩连接节点由拱肩处初期支护与灌注桩桩顶相搭接形成，搭接方式为拱肩处初期支护的钢拱架通过钢垫板搭接在凿除部分混凝土的钢管混凝土桩顶上，桩端预留钢筋穿过钢垫板后与钢拱架焊接在一起，然后再喷射混凝土覆盖拱肩连接节点。

进一步，所述横梁设置于所述隧道的底部，包括横梁工字钢、纵筋、箍筋、混凝土。

进一步，所述拱脚连接节点由横梁中的工字钢与灌注桩上的预制牛腿通过螺栓连接形成，并且所述拱脚连接节点浇注混凝土覆盖。

一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构的施工方法，包括以下步骤：

1)在开挖隧道之前，根据设计坐标，放样出两排灌注桩在地表上的位置，然后在放样位置开挖灌注桩孔至稳定的基岩内；

2)吊放预制完成的钢管、箍筋、纵筋和牛腿至灌注桩孔内设计位置，然后，在桩孔内灌注混凝土至拱肩连接节点的设计标高，待混凝土达到初凝强度后在设计标高以上灌注桩孔中回填砂石料至地表；

3)采用三台阶法开挖隧道断面，上台阶开挖完成后，凿除出露的灌注桩桩端表层混凝土，然后在拱顶和拱肩位置铺设钢筋网、架设工字钢，将工字钢，搭接在凿除部分混凝土的钢管混凝土桩顶上，桩端预留钢筋穿过钢垫板后与钢拱架焊接在一起，然后再喷射混凝土覆盖拱肩连接节点，沿着隧道轴线方向，在灌注桩之间的钢拱架直接搭设在上台阶地面上；

4)中台阶开挖完成后，沿着隧道轴线方向，在相邻灌注桩之间铺设钢筋网、架设工字钢和喷射混凝土；

5)下台阶开挖完成后，凿除灌注桩上预制牛腿外侧包裹的混凝土，使牛腿出露，将灌注桩中预先设置的牛腿与横梁工字钢通过螺栓连接，即完成拱脚连接节点的施工；

6)在横梁工字钢周围绑扎横梁纵筋与横梁箍筋，然后，沿着隧道轴线方向，在相邻灌注桩之间铺设仰拱底板钢筋网和架设仰拱底板工字钢，最后，浇灌混凝土至横梁和仰拱底板中；

7)初期支护封闭成环后，施做二次衬砌。

进一步，所述灌注桩的施工位置设在地表、施工时间设在同里程隧道掌子面开挖之前，灌注桩与洞内施工流水作业、同时进行。

进一步，所述灌注桩成孔方法采用旋挖钻成孔、或冲击钻成孔、或正循环成孔、或反循环成孔，桩端深入基岩以下。

本发明与现有技术相比，其显著优点在于：首先，不同于传统的松软土层中下穿隧道的桩基加固位置(隧道内)和加固时间(仰拱开挖后)，将桩基施工位置改设在地表进行，加固时间改设于隧道开挖支护之前进行，地表桩基加固施工与隧道洞内开挖支护施工互不干扰、同时进行，较大的提高了隧道施工效率，节约了施工工期和施工成本；其次，改变传统的施工阶段的上台阶初期支护结构直接架设在洞内围岩上，将上台阶初期支护结构钢拱架通过连接节点架设在两排预加固桩基上，并将仰拱底板通过横梁和牛腿架设在两排预加固桩基上，从而有效地控制了初期支护封闭成环前隧道支护结构和围岩的沉降和变形，对隧道在整个施工和运营阶段的沉降均起到了有效地控制作用，提高了隧道的安全性；最后，与洞内桩基加固技术相比，地表桩基加固技术应施工空间和施工机具设备的选择性更广阔，因而，其广泛适用于各种不同地质情况和土质条件，尤其适用于松散土层、软土等地基承载力较弱的区域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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发明的其中11幅图，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构横断面图。

图2为本发明一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构俯视图。

图3为本发明在地表向下施做灌注桩孔的工序示意图。

图4为本发明在桩孔中灌注钢管混凝土桩和回填砂石料的工序示意图。

图5为本发明进行隧道开挖、支护和连接节点的工序示意图。

图6为本发明灌注桩(1)的断面图。

图7为本发明拱肩连接节点(4)的细部构造示意图。

图8为本发明拱肩连接节点(4)的矩形钢垫板(4b)处焊接示意图。

图9为本发明横梁连接节点(5)的细部构造示意图。

图10为本发明横梁(6)的断面图。

图11为本发明仰拱底板(7)的断面图。

附图标记：1—灌注桩，1b—钢管,1c—灌注桩箍筋,1d—灌注桩纵筋，1e—灌注桩混凝土，2—初期支护，3—二次衬砌，4—拱肩连接节点，4a—桩顶，4b—矩形钢垫板，4c—拱肩处工字钢，4d—桩顶纵筋，5—拱脚连接节点，5a—牛腿，5b—横梁工字钢，5c—螺栓，6—横梁，6a—横梁纵筋，6b—横梁箍筋，6c—横梁混凝土，7—仰拱底板，7a—仰拱底板处钢筋网，7b—仰拱底板处工字钢，8—地表，9—基岩，10—回填砂石料，11—掌子面，12—灌注桩孔，13—焊接在一起的钢筋笼和钢管，14—上台阶连接节点设计标高，15—上台阶，16—中台阶，17—下台阶，18—隧道断面开挖设计标高。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的较佳实施例，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。

实施例

本发明的具体实施例包括如下：

如图1、2所示，本实施例提供的本发明公开了一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构，隧道埋深8m～25m，采用马蹄形断面，断面净宽5.7m，净高6.9m。

一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构，包括灌注桩1、支护结构和连接节点，连接节点包括拱肩连接节点4和拱脚连接节点5，通过连接节点将灌注桩1与支护结构连接成整体。所述连接节点包括拱肩连接节点4和拱脚连接节点5。

灌注桩1在平面上沿隧道轴线方向分两排平行布置，两排桩水平间距为6.7m，关于隧道中心轴线对称，每排桩上的相邻两桩桩间距为2.4m。所述灌注桩1为钢管混凝土灌注桩，包括钢管1b、箍筋1c、纵筋1d、混凝土1e、预制牛腿5a，所述预制牛腿5a焊接在钢管1b的拱脚连接节点设计标高位置，并预埋在混凝土1e内部。

所述灌注桩1成孔方法采用旋挖钻成孔、或冲击钻成孔、或正循环成孔、或反循环成孔，桩端深入基岩9以下。本实施例灌注桩1采用旋挖法由地表8打设桩孔12至基岩9以下3m后，再清孔，然后在拱肩连接节点4设计标高以下桩孔12中放入预先焊接完成的钢管和钢筋笼再灌注混凝土形成，拱肩连接节点4设计标高以上的桩孔12中回填砂石料10，灌注桩长6m～15m，直径为700mm；回填砂石料厚度8m～25m。所述钻孔在平面上成两列平行间断布置。

灌注桩1施工时间设在同里程隧道掌子面11开挖之前，灌注桩与洞内开挖支护施工形成流水作业、同时进行。

灌注桩钢管1b采用螺旋缝埋弧焊钢管，型号为dn450，预制牛腿5a采用型号40a的工字钢与钢管1b在拱脚连接节点5设计标高位置焊接形成，牛腿5a长100mm，预埋在混凝土1e内部。

采用复合式衬砌支护结构，包括初期支护2和二次衬砌3，所述初期支护2设置于外围，所述初期支护的两端通过所述拱肩连接节点4与所述灌注桩连接，所述二次衬砌3设置于所述初期支护2内侧，并且所述二次衬砌3两端经过所述拱肩连接节点4向下延伸拱脚连接节点5。初期支护厚28cm，由钢拱架、钢筋网和喷射混凝土组成，钢拱架型号为25#b型、间距600mm，钢筋网配筋为φ10@200，二次衬砌为厚50cm的钢筋混凝土结构。

所述拱肩连接节点4由拱肩处初期支护2与灌注桩桩顶4a相搭接形成，搭接方式为拱肩处初期支护2的钢拱架4c通过钢垫板4b搭接在凿除部分混凝土的钢管混凝土桩顶4a上，桩端预留钢筋1d穿过钢垫板4b后与钢拱架4c焊接在一起，然后再喷射混凝土覆盖拱肩连接节点4。所述横梁6设置于所述隧道的底部，包括横梁工字钢5b、纵筋6a、箍筋6b、混凝土6c施做而成。

所述拱脚连接节点5由横梁6中的工字钢5b与灌注桩1上的预制牛腿5a通过螺栓5c连接形成，并且所述拱脚连接节点5浇注混凝土覆盖。

拱肩处初期支护2的钢拱架4c通过钢垫板4b搭接在凿除部分混凝土的钢管混凝土桩顶4a上，桩端预留钢筋1d穿过钢垫板4b后与钢拱架4c焊接在一起，然后再喷射混凝土覆盖拱肩连接节点4，矩形钢垫板4b边长为400mm，厚度为14mm，灌注桩纵筋1d直径20mm，与钢拱架4c的焊接长度为400mm。

横梁6截面为400mm×600mm的矩形，横梁中的工字钢型号为40a，两端分别与预制牛腿5a通过8根高强螺栓5c连接成整体，工字钢外围配有纵向钢筋和箍筋。

仰拱底板厚300mm，其中包括型号为25#b的钢拱架和钢筋网片，钢拱架间距600mm，钢筋网两个方向配筋均为φ10@200。

本发明一种控制隧道沉降的桩基预加固支护结构的施工方法，包括以下步骤：

a)在开挖隧道之前，根据设计坐标，放样出两排灌注桩1在地表8上的位置，然后在放样位置开挖灌注桩孔12至稳定的基岩9内

b)吊放预制完成的钢管1b、箍筋1c、纵筋1d和牛腿5a至灌注桩孔12内设计位置，然后，在桩孔内灌注混凝土至拱肩连接节点4的设计标高14，待混凝土达到初凝强度后在设计标高14以上灌注桩孔12中回填砂石料10至地表8。

c)采用三台阶法开挖隧道断面，机械开挖方法，上台阶15开挖完成后，凿除出露的灌注桩1桩端表层混凝土，然后在拱顶和拱肩位置铺设钢筋网、架设工字钢4c，将工字钢4c，搭接在凿除部分混凝土的钢管混凝土桩顶4a上，桩端预留钢筋1d穿过钢垫板4b后与钢拱架4c焊接在一起，然后再喷射混凝土覆盖拱肩连接节点4。沿着隧道轴线方向，在灌注桩1之间的钢拱架直接搭设在上台阶地面上。

d)中台阶16开挖完成后，沿着隧道轴线方向，在相邻灌注桩1之间铺设钢筋网、架设工字钢和喷射混凝土。

e)下台阶17开挖完成后，将灌注桩1中预先设置的牛腿5a与横梁工字钢5b通过螺栓5c连接，即完成拱脚连接节点5的施工。

f)在横梁工字钢5b周围绑扎横梁纵筋6a与横梁箍筋6b，然后，沿着隧道轴线方向，在相邻灌注桩1之间铺设仰拱底板钢筋网7a和架设仰拱底板工字钢7b，最后，浇灌混凝土至横梁和仰拱底板中。

g)初期支护2封闭成环后，施做二次衬砌3。

所述灌注桩1的施工位置设在地表8、施工时间设在同里程隧道掌子面11开挖之前，灌注桩与洞内施工流水作业、同时进行。

所述灌注桩1成孔方法采用旋挖钻成孔、或冲击钻成孔、或正循环成孔、或反循环成孔，桩端深入基岩9以下。

本发明具有结构合理、传力可靠、工艺简单等特点，能提高施工效率、缩短施工工期、降低工程造价、控制隧道施工和运营阶段的沉降。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳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，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。