基于中立柱与仰拱的盾构隧道扩挖体系及其方法与流程

本发明涉及地下工程技术领域，具体涉及一种基于中立柱与仰拱的盾构隧道扩挖体系及其方法。

背景技术：

随着经济的快速发展，为引导城市合理布局和有序发展，通过轨道交通为中心城区居民提供便捷的出行条件，减轻出行成本，实现绿色出行与低碳生活方式，越来越受到重视。由于盾构法隧道在施工工期、安全风险控制等方面的显著优点，城市轨道交通区间隧道工程越来越多地采用盾构法施工，“能盾则盾”已经是一个基本共识。

然而，盾构法隧道受工作井场地条件、盾构机接收与始发时间较长等因素影响，一次连续掘进里程不宜过短，否则难以体现机械化施工的优势，在城市轨道交通工程或其他市政工程总工期基本确定的情况下，相应出现了很多先实施盾构隧道，后再进行扩挖形成其他大断面地下空间的案例，如先隧后站、先小断面隧道后大断面隧道。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于中立柱与仰拱的盾构隧道扩挖体系及其方法，在盾构掘进形成小断面轮廓隧道的情况下，最大程度减小施工扰动，最大程度限制隧道拱顶沉降位移，确保地层稳定。

本发明所采用的技术方案为：

基于中立柱与仰拱的盾构隧道扩挖体系，其特征在于：

所述体系包括小断面盾构隧道外的初支格栅钢架、竖向中立柱与临时仰拱；

初支格栅钢架包括多片钢架，封闭成环；

初支格栅钢架内设置有竖向的中立柱；

中立柱中部两侧与初支格栅钢架之间设置有横向的临时仰拱，中立柱和临时仰拱作为拆除既有盾构隧道内分块管片后的洞内临时支撑。

中立柱包括下部的中立柱一号型钢和上部的中立柱二号型钢；

中立柱一号型钢底端向下穿过既有盾构隧道底部管片，连接到初支格栅钢架上；

中立柱二号型钢顶端向上穿过既有盾构隧道顶部管片，连接到初支格栅钢架上。

既有盾构隧道内分块管片包括上部中间管片、上部左侧管片和上部右侧管片，以及下部中间管片、下部左侧管片和下部右侧管片；

上部中间管片左侧外为左上靠中开挖区域，上部左侧管片外为左上靠外开挖区域，上部中间管片右侧外和上部右侧管片外为右上开挖区域，下部左侧管片外为左下靠外开挖区域，下部右侧管片外为右下靠外开挖区域，下部中间管片外为仰拱开挖区域。

左下靠外开挖区域开挖后，其下边界处施做有下部左侧临时仰拱；

右下靠外开挖区域开挖后，其下边界处施做有下部右侧临时仰拱。

上部临时仰拱下方至盾构隧道拱底之间，在既有盾构隧道内设置有沙袋。

隧道拱腰以上区域，初支格栅钢架外打设有大管棚。

初支格栅钢架外侧打设有小导管，小导管全断面布置，隧道上半断面与大管棚间隔交错布置。

初支格栅钢架架设紧跟开挖进尺，隧道上半断面与下半断面开挖进尺差距保持在一环管片宽度范围；

隧道扩挖基于大管棚与小导管超前加固、短进尺、早封闭的思路进行施工。

基于中立柱与仰拱的盾构隧道扩挖方法，其特征在于：

所述方法为：

于既有盾构隧道外扩挖新的隧道，将既有盾构隧道各块管片分段拆除，盾构隧道扩挖前施做地层超前加固与洞内临时支撑，做到基于竖向荷载的有效传递与转换的微扰动扩挖施工。

所述方法具体包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求，进行盾构隧道施工，完成管片衬砌拼装；

步骤二：在盾构隧道下半断面敷设沙袋，同时根据下部中间管片管片吊装孔与预留孔位置，插入下部的中立柱一号型钢，中立柱一号型钢底部直达扩挖隧道拱底；

步骤三：根据扩挖隧道轮廓，在开挖轮廓上半断面打设大管棚，并在大管棚内压注水泥砂浆，对周边地层进行注浆加固；

步骤四：根据盾构隧道扩挖步序，对左上靠中开挖区域上部地层打设小导管注浆加固，与大管棚间隔交错布置；

步骤五：对左上靠中开挖区域地层进行开挖，开挖过程中对右侧地层进行小导管注浆加固，增加右侧地层稳定，开挖过程中，及时架设左上靠中开挖区域外轮廓的左侧一号钢架，同时根据上部中间管片吊装孔与预留孔情况架设上部的中立柱二号型钢，形成竖向有效支撑；

步骤六：根据盾构隧道扩挖步序，对左上靠外开挖区域上部地层打设小导管注浆加固，与大管棚间隔交错布置，随后进行扩挖施工，及时架设左侧二号钢架；

步骤七：拆除上部中间管片与上部左侧管片，上部中间管片根据左上靠中开挖区域范围进行切割，随后架设横向的上部左侧临时仰拱，两端分别与左侧二号钢架及中立柱一号型钢牢固焊接；

步骤八：根据左上靠中开挖区域、左上靠外开挖区域开挖步序，对右上开挖区域进行小导管注浆加固、地层开挖，架设右上开挖区域轮廓的右侧一号钢架与右侧二号钢架，随后进行剩余上部中间管片与上部右侧管片的拆除，最后及时架设与上部左侧临时仰拱对称的上部右侧临时仰拱；

步骤九：根据左下靠外开挖区域范围，在扩挖轮廓外侧打设小导管注浆加固，随后卸除开挖轮廓范围内的沙袋，随后进行地层开挖，拆除下部左侧管片，架设左下靠外开挖区域轮廓处的左侧三号钢架，最后设置左下靠外开挖区域下边界的下部左侧临时仰拱，下部左侧临时仰拱一端与左侧三号钢架牢固焊接，另一端与下部中间管片有效接触；

步骤十：按照左下靠外开挖区域扩挖步骤，完成右下靠外开挖区域扩挖施工，拆除下部右侧管片，及时架设右侧三号钢架与下部右侧临时仰拱；

步骤十一：卸除剩余沙袋，拆除下部中间管片，及时架设扩挖范围仰拱处的仰拱钢架，仰拱钢架两端与左侧三号钢架、右侧三号钢架焊接固定；随后，根据先拱底、后拱腰、最后拱顶的浇筑顺序，进行扩挖隧道永久衬砌结构浇筑施工。

本发明具有以下优点：

本发明提供了一种新型的盾构隧道扩挖方法，丰富了现有的大断面地下空间施工方法。盾构隧道管片为常规钢管片，新建隧道初支钢架、中立柱与临时仰拱均为常规q345钢材，扩挖隧道超前加固用大管棚与袖阀管为普通钢管，压注用水泥浆材料也为普通硅酸盐水泥，其设计尺寸为常规类型，简单易作，施工工艺成熟，所涉及的大管棚与小导管成孔所用钻进工艺及其他辅助设施均为常规设备；扩挖隧道的分部数量与各部的开挖范围、中立柱沿隧道纵向的间隔及其架设时机，可根据地层稳定情况灵活调整，大管棚与小导管超前加固范围也可根据地层特性与周边环境保护需求灵活确定。中立柱底部深度，至少达到扩挖隧道拱底位置，同时可根据扩挖隧道拱顶位移控制要求与地层情况灵活确定。确保了现场扩挖施工快速进行，经济技术效益显著。

在隧道扩挖之前，在拟扩挖隧道拱顶施做大管棚与小导管注浆加固，可有效隔断扩挖施工引起的地层扰动，同时大管棚、小导管与扩挖隧道钢架的组合，有起到类似棚架的支撑效果，实现隧道上方地层稳定需求。隧道扩挖过程中，及时架设的中立柱，其与隧道钢架、仰拱的有效组合，可最大程度实现分部开挖且各部封闭成环、再加上中立柱的竖向支顶效应，即可最大程度实现扩挖期间隧道拱顶沉降变形可控，周边环境安全风险可控，进而实现大断面地下空间的扩挖施工。本发明具有较高的经济效益和社会效益，在城市轨道交通、市政公路、民用建筑等地下大空间工程中有广泛的应用前景。

附图说明

图1为盾构隧道内堆载、中立柱与管棚支护图。

图2为左侧拱部支护与ⅰ部开挖图。

图3为左上断面支护与ⅱ部开挖图。

图4为右上断面支护与ⅲ部开挖图。

图5为左下断面支护与ⅳ部开挖图。

图6为右下断面支护与ⅴ部开挖图。

图7为隧道仰拱支护与ⅵ部开挖图。

图8为扩挖隧道初支与内部临时支撑情况。

图9为上部管片预留立柱穿入孔布置图。

图10为下部管片预留立柱穿入孔布置图。

图中，1-上部中间管片，2-上部左侧管片，3-上部右侧管片，4-下部左侧管片，5-下部右侧管片，6-下部中间管片，7-中立柱一号型钢，8-沙袋，9-大管棚，10-地层，11-小导管，12-中立柱二号型钢，13-左侧一号钢架，14-左侧二号钢架，15-右侧一号钢架，16-右侧二号钢架，17-左侧三号钢架，18-右侧三号钢架，19-仰拱钢架，20-上部左侧临时仰拱，21-上部右侧临时仰拱，22-下部左侧临时仰拱，23-下部右侧临时仰拱，24-初支格栅钢架，25-预留立柱穿入孔，26-管片吊装孔。

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。

本发明涉及一种基于中立柱与仰拱的盾构隧道扩挖方法，该方法涉及了施工过程中的扩挖体系，所述体系包括小断面既有盾构隧道外的初支格栅钢架24，为拆除既有盾构隧道内分块管片后分节段构建并拼接成的闭环钢架；初支格栅钢架24内设置有竖向的中立柱，中立柱中部两侧与初支格栅钢架24之间设置有横向临时仰拱，中立柱和临时仰拱作为拆除既有盾构隧道内分块管片后的洞内临时支撑。

中立柱包括下部的中立柱一号型钢7和上部的中立柱二号型钢12；中立柱一号型钢7底端向下穿过既有盾构隧道底部管片，连接到初支格栅钢架24上；中立柱二号型钢12顶端向上穿过既有盾构隧道顶部管片，连接到初支格栅钢架24上。

既有盾构隧道管片一般分成六块（也可按八块考虑），即上部中间管片1、上部左侧管片2和上部右侧管片3，以及下部中间管片6、下部左侧管片4和下部右侧管片5；上部中间管片1左侧外为左上靠中开挖区域，上部左侧管片2外为左上靠外开挖区域，上部中间管片1右侧外和上部右侧管片3外为右上开挖区域，下部左侧管片4外为左下靠外开挖区域，下部右侧管片5外为右下靠外开挖区域，下部中间管片6外为仰拱开挖区域。盾构隧道所用管片为钢管片，对应的钢架分段和开挖分区随之做适应性调整。

左下靠外开挖区域开挖后，其下边界处施做有下部左侧临时仰拱22；右下靠外开挖区域开挖后，其下边界处施做有下部右侧临时仰拱23。

上部临时仰拱20、21下方的既有盾构隧道内设置有沙袋8，管片衬砌分区域拆除前，作为盾构隧道内部的回填支撑。

隧道拱腰以上，初支格栅钢架24外侧打设有大管棚9，管棚与扩挖后隧道轮廓净距在200mm左右，管棚长度一般可按20m左右考虑，纵向搭接长度不小于3m。初支格栅钢架24外侧打设有小导管11，隧道上半断面与大管棚9间隔交错布置。

盾构隧道顶部和底部的管片上设置有纵向预留孔25、26，同一片管片上可纵向设置成列布置的多根中立柱7。

开挖进尺可按0.5m考虑，管片环宽长度为一个开挖循环。

本发明于已建盾构隧道外侧扩挖形成大断面地下空间或隧道，在拟扩挖轮廓外侧打设大管棚9与小导管11，压注水泥浆对地层，进行加固，在已建盾构隧道内架设中立柱7、堆填沙袋8，随后基于台阶法思路进行化整为零、分部开挖根据隧道扩挖分部施工步序，依次进行ⅰ部、ⅱ部、ⅲ部ⅳ部ⅴ部与ⅵ部扩挖施工的思路，将整体隧道扩挖施工分成左上、右上、左下与右下四个开挖区域，确保每个区域初支钢架均可形成封闭成环的支护体系，最大程度减小隧道拱顶应力释放；基于中立柱7的竖向承载构件与荷载转换体系，中立柱7上部与扩挖隧道初支钢架焊接，下部直接穿过盾构管片6、达到扩挖隧道拱底，甚至可以根据地层情况进入扩挖隧道拱底以下一定深度，有效控制初支钢架竖向变形趋势。

扩挖隧道的分部数量与各部的开挖范围、中立柱7沿隧道纵向的间隔及其架设时机，可根据地层10稳定情况灵活调整，大管棚9与小导管11超前加固范围也可根据地层10特性与周边环境保护需求灵活确定。中立柱7底部深度，至少达到扩挖隧道拱底位置，同时可根据扩挖隧道拱顶位移控制要求与地层情况灵活确定。最大程度满足了大断面地下空间扩挖快速施工与周边环境保护要求。

基于上述体系进行的盾构隧道扩挖方法为：于既有盾构隧道外扩挖新的大断面隧道，将既有盾构隧道各块管片分段拆除，管片拆除前施做地层超前加固与洞内临时支撑。具体包括以下步骤：

步骤一：根据设计要求，进行盾构隧道施工，完成管片衬砌拼装；

步骤二：在盾构隧道下半断面敷设沙袋8，同时根据下部中间管片6管片吊装孔与预留孔位置，插入下部的中立柱一号型钢7，中立柱一号型钢7底部直达扩挖隧道拱底；

步骤三：根据扩挖隧道轮廓，在开挖轮廓上半断面打设大管棚9，并在大管棚9内压注水泥砂浆，对周边地层（10）进行注浆加固；

步骤四：根据盾构隧道扩挖步序，对左上靠中开挖区域上部地层打设小导管11注浆加固，与大管棚9间隔交错布置；

步骤五：对左上靠中开挖区域地层进行开挖，开挖过程中对右侧地层10进行小导管11注浆加固，增加右侧地层10稳定，开挖过程中，及时架设左上靠中开挖区域外轮廓的左侧一号钢架13，同时根据上部中间管片1吊装孔与预留孔情况架设上部的中立柱二号型钢12，形成竖向有效支撑；

步骤六：根据盾构隧道扩挖步序，对左上靠外开挖区域上部地层打设小导管11注浆加固，与大管棚9间隔交错布置，随后进行扩挖施工，及时架设左侧二号钢架14架设；

步骤七：拆除上部中间管片1与上部左侧管片2，上部中间管片1根据左上靠中开挖区域范围进行切割，随后架设横向的上部左侧临时仰拱20，两端分别与左侧二号钢架14及中立柱一号型钢7牢固焊接；

步骤八：根据左上靠中开挖区域、左上靠外开挖区域开挖步序，对右上开挖区域进行小导管11注浆加固、地层10开挖，架设右上开挖区域轮廓的右侧一号钢架15与右侧二号钢架16，随后进行剩余上部中间管片1与上部右侧管片3的拆除，最后及时架设与上部左侧临时仰拱20对称的上部右侧临时仰拱21；

步骤九：根据左下靠外开挖区域范围，在扩挖轮廓外侧打设小导管11注浆加固，随后卸除开挖轮廓范围内的沙袋8，随后进行地层10开挖，拆除下部左侧管片4，架设左下靠外开挖区域轮廓处的左侧三号钢架17，最后设置左下靠外开挖区域下边界的下部左侧临时仰拱22，下部左侧临时仰拱22一端与左侧三号钢架17牢固焊接，另一端与下部中间管片6有效接触；

步骤十：按照左下靠外开挖区域扩挖步骤，完成右下靠外开挖区域扩挖施工，拆除下部右侧管片5，及时架设右侧三号钢架18与下部右侧临时仰拱23；

步骤十一：卸除剩余沙袋8，拆除下部中间管片6，及时架设扩挖范围仰拱处钢架19，仰拱钢架19两端与左侧三号钢架17、右侧三号钢架18焊接固定；随后，根据先拱底、后拱腰、最后拱顶的浇筑顺序，进行扩挖隧道永久衬砌结构浇筑施工。

参见附图对本发明进行进一步详细说明：

本发明中，中立柱7采用型钢，其尺寸与型式，沿隧道纵向间距等均可根据竖向承载需要与隧道拱顶位移控制要求进行灵活调整。

大管棚9与小导管11内压注的水泥砂浆，可根据计算要求的抗弯刚度进行确定，同时可根据需要采用自流平与微膨胀水泥，根据地层渗透性可适当考虑超细水泥，确保地层10得到效加固。并可在大管棚9内插入钢筋，以增加整体抗弯刚度。

扩挖隧道初支钢架24一般可考虑采用格栅钢架，但在局部地段也可考虑型钢钢架钢架架设后需要立即发挥其承载力的区段，采用常规q345钢材，各部分钢架的分节部位，可根据分部开挖范围确定，初支钢架24与地层10间通过喷混，确保密实接触，减少地层应力释放。其设计尺寸为常规类型，简单易作，施工工艺成熟，大管棚9与小导管11成孔所用跟管钻进工艺及其他辅助设施均为常规设备。

本发明具有设计简单、简洁易作、施工成本低廉、工艺简便且质量易于现场施工的优点。实现了基于小断面隧道的地下大空间扩挖施工技术，提出了化整为零、分部开挖、封闭成环的台阶法扩挖思路，提出的基于中立柱的竖向承载构件与荷载转换体系，额在一定程度上可以实现扩挖工程中新建隧道拱顶的“零位移”变形控制要求，实现了地层稳定与周边环境的安全保障。

本发明在盾构掘进形成小断面轮廓隧道的情况下，于隧道外侧进行扩挖，扩挖之前进行地层超前加固，考虑地层稳定性控制要求，基于台阶法思路进行化整为零、分部开挖，左上、右上、左下与右下四个开挖区域均可形成相对封闭的临时支护体系，最大程度减小施工扰动；基于中立柱的竖向承载构件与荷载转换体系，中立柱上部与扩挖隧道初支钢架焊接，下部直接穿过盾构管片、达到扩挖隧道拱底，甚至可以根据地层情况进入扩挖隧道拱底以下一定深度，形成有效的竖向传力构件，最大程度限制隧道拱顶沉降位移，确保地层稳定。

扩挖隧道的分部开挖数量与各部的开挖范围、中立柱7沿隧道纵向的间隔及其架设时机，可根据地层10稳定情况灵活调整，大管棚9与小导管11的具体布置也可根据地层10特性与周边环境保护需求灵活确定，中立柱7底部深度，至少达到扩挖隧道拱底位置，同时可根据扩挖隧道拱顶位移控制要求与地层情况综合确定。

基于化整为零、分部开挖、封闭成环的思路进行扩挖施工，同时初支钢架、中立柱与临时仰拱的具体位置与工艺，均可根据地层10稳定性控制要求灵活调整，再加上扩施工前大管棚11与小导管13的地层超前加固，进一步确保了地层10的稳定性保障措施，在一定程度上可以实现地层10与周边构筑物的微扰动变形控制目标。最大程度满足了现场快速施工与环境保护的要求。

地层超前加固主要采用大管棚与小导管注浆加固，也可根据地层情况对扩挖范围内土体进行全断面深孔注浆加固；同时根据盾构隧道管片分块形式与接缝位置，设置相应的分部开挖范围与施工步序，最大程度确保每次扩挖范围与管片接缝位置对应，有利于管片拆除与仰拱实施；盾构隧道内堆载可选用搬运方便的沙袋，同时堆载高度建议与上半断面管片拆除范围对应，即与管片接缝位置相对应；为有利于管片的局部割除与安拆，拟拆除范围内管片均采用钢管片，同时在隧道拱顶与拱底预留中立柱穿过条件，确保竖向荷载承载体系的有效构建。本发明涉及的盾构隧道管片为常规钢管片，新建隧道初支钢架、中立柱与临时仰拱均为常规钢材，扩挖隧道超前加固用大管棚与袖阀管为普通钢管，压注用水泥浆材料与工艺也较为普通，因此施工效率较高，工程质量交易控制。

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。