小净距“U”形出入口通道明暗挖工法竖向转换施工方法与流程

本发明属于城市轨道交通设计与施工方法领域，可推而广之扩展、应用到市政工程建设领域，尤其涉及周边环境复杂、地下空间受限、施工用地紧张时，形成以“护拱+钢架”内外叠合而成的明洞套拱为核心转换承载结构的小净距“u”形出入口通道快速施工方法及相应的实施方法，具有缓解前期工作难度、提高机械作业水平、降低土建施工风险、减小周边信访压力、缩短工程建设周期的优点，社会、工程、经济效益十分显著。

背景技术：

城市轨道交通工程定位以服务市区、联动周边为主，形成以市区地铁和周边轻轨的环、纵辐射区域，作为百年大计工程，出入口地面口部位置及提升高度尤为重要，尤其与灾情疏散效率、客流吸引能力以及乘客舒适度密切相关；而地铁工程的修建往往滞后于城市总体规划的实现，不得不面临建设用地紧张、规划红线吃紧、管线倒改困难、交通调流受限、房屋征迁滞后、地下空间局促等城市综合症，出入口建筑方案常常以平面小净距“u”形布置形式为主，结构形式及空间关系复杂多变，以至无法采用单一工法施工，且施工过程中各道工序之间交互严重、工法转换异常频繁，不仅机械化程度低、风险系数高，而且施工效率低、建设周期长、投入代价大，极其不利于项目生产安全与建设经济成本的管理。

目前，针对上述工程建设的困境和难题，设计和施工理念无一不是以施工风险可控、工程安全第一为主，尽可能兼顾建设工期、工程投资，工法选择中规中矩、施工组织按部就班。以明暗挖分界拱顶埋深6m为例，常用的施工组织方案主要有两种：1)明挖采用桩撑围护形式，整体按照明挖围护—暗挖初支—永久结构的顺序施工；2)明挖段采用桩索围护形式，考虑到预应力锚索侵入后行暗挖通道内部的影响，整体采用明挖围护—明挖永久结构—暗挖初支—暗挖永久结构的顺序施工，以永久结构代替临时围护结构承受水、土压力，为后行暗挖通道施工时可灵活截断预应力锚索提供可行性和安全保障。而暗挖施工流程也可细化为两种，其一是按照从上到下、由浅变深的顺序施工，单向施工与主体贯通；其二是采用站内向上仰坡开挖、站外向下俯坡开挖的双向施工方式贯通。无论上述哪种施工工法、流程及贯通方式，从设计和施工的角度出发，主要存在以下不足和弊端：

桩撑围护形式施工效率低，内支撑对施工空间切割严重，支撑标高容易与暗挖通道施工路由相互干涉、冲突且难以克服，无法实现大型机械施工作业，只能采用小型机械以时间博空间，建设工期难以控制；此外，后行暗挖通道开挖会对桩后土体形成卸载区，不利于桩撑体系的稳定性控制，二者净距越小、夹持地层越差，则卸载影响越大、施工风险越高；

桩索围护形式不利于施工组织安排，不仅开挖支护与结构模筑施工相互交错、干扰，而且后行暗挖通道施工会对明挖段既有成品结构与防水材料造成损伤和污染，尤其是明暗挖分界处新老结构交界面处的预埋钢边止水带，更加难以保护容易形成贯通的渗漏水施工缝；

暗挖单向施工贯通所承担的工程体量较大，虽然施工风险可控，但在明挖段采用常规的围护结构形式下，极其不利于土建工期及经济成本控制；而双向贯通施工仰坡开挖劳动强度大、难以保证初支及时封闭、掌子面及拱顶岩体易塌方，且仰坡施工安全允许长度及双向贯通位置对地质条件的依赖性极大，施工风险系数激增，风险管理成本增加，而风险后果却又是不可接受的；

安全、工期、经济三大工程建设的表征指标相互碰撞、难以妥协，施工单位顾此失彼、无法兼得，严重时甚至会制约整条线路的电通、联调、运营等关键时间节点，极其不利于社会舆论稳定以及社会效益输出。

综上，缓解、克服上述建设难题的切入点主要有三处：一是如何在明挖外锚支护形式下能同时规避方案1和方案2的缺点？二是如何在工期可控的前提下采用单向贯通的方式施工暗挖通道？三是如何妥协工程安全、工期、经济三大表征指标之间的矛盾且又不带来其它安全隐患？不难看出，三个切入点之间即是相互递进又是相互制约的，需统筹考虑、协同解决。因此，提出一种小净距“u”形出入口通道明暗挖工法竖向转换施工方法，既能兼顾设计风险的可控性与施工组织的便利性，又能有效解决施工场地不足的难题并降低工程建设的工期压力；与传统施工方案相比，具有缓解前期工作难度、提高机械作业水平、降低土建施工风险、减小周边信访压力、缩短工程建设周期的优点。

技术实现要素：

本发明主要针对日益复杂的地铁建设周边环境，无需增加额外的规划调整、占地审批、管线迁改、交通调流、房屋征迁等前期工作，尤其当地下空间受限、施工用地紧张时，所提出的一种小净距“u”形出入口通道明暗挖工法竖向转换施工方法，通过设置“护拱+钢架”内外叠合而成的明洞套拱承载结构，可在竖向上完成明挖分层向暗挖分块开挖的转换，将基坑下部设置的预应力锚索调整为系统锚杆，既能实现先行明挖和暗挖通道在外锚支护形式下安全、高效、快速施工的目的，又能保证后行暗挖通道施工不受预应力锚索侵入的影响，而明洞叠合套拱回填地表区域又可有效解决施工场地不足和工效受限的难题；同时也拓宽了小净距“u”形出入口通道平面布局的应用条件和边界要求，通过适当加强叠合套拱结构的强度和刚度可显著弱化先后行并行通道对地质条件和水平净距的依赖性，使建筑空间布局更加灵活、合理、紧凑，大幅度降低地铁结构对地下空间的切割程度，有利于未来对城市地下空间的重新规划设计与二次开发利用，如城市管道综合走廊、高架桥桩基走廊等。

本发明所采用的方法方案为：

一种小净距“u”形出入口通道明暗挖工法竖向转换施工方法，包括如下步骤：

步骤一、根据周边环境及地质条件，确定明暗挖分界位置和先行明挖通道6b与后行暗挖通道19a的合理水平净距，水平净距可控制为先行明挖通道6b与后行暗挖通道19a开挖跨度较大者的0.5～0.75倍。

步骤二、根据地质条件及岩土体特性，选定明挖围护与暗挖支护结构形式以及明洞叠合套拱结构的设置范围，放线测量、定位结构轮廓；

步骤三、向下分层开挖基坑并施作相应位置的锚拉结构，直至护拱拱脚标高位置，施作超前进洞管棚并注浆填充，止浆塞封孔，形成以前方未开挖地层和后方导向墙为支座的纵向梁架承载构件；

步骤四、找平拱脚岩肩基础基面并回填肥槽，沿着先行明挖通道纵向反向立模、绑扎钢筋、模筑护拱；

步骤五、拆除模板，密贴护拱内侧基面设置型钢钢架；

步骤六、施作锁脚锚杆，稳定护拱和钢架形成的明洞叠合套拱拱脚；

步骤七、分层回填护拱顶部区域至现状地面标高；

步骤八、待先行明挖通道开挖至设计标高后，采用左右两侧拱脚岩体交错开挖的方式，纵向逐榀开挖明洞下部岩体并施作相应位置的系统锚杆17，架设钢架10并喷混至设计基面；

步骤九、当施工至距离步骤一中所述的明暗挖分界位置3～5m时，采用超短台阶法施工剩余暗挖通道直至整个通道贯通；

步骤十、采用复合式衬砌延长流水作业方式完成永久衬砌施工。

进一步地，明挖围护结构由围护桩、止水墙、冠梁、腰梁、预应力锚索竖向连接形成，围护桩与冠梁采用刚性连接，与腰梁通过张拉预应力锚索实现摩擦接触连接。

进一步地，明洞段围护桩的嵌固深度以护脚标高作为基坑底进行设计，围护桩1采用钻孔灌注桩、套管咬合桩、微型钢管桩中的任意一种或两种以上的组合。

止水墙是指旋喷桩、搅拌桩、trd墙等止水形式的一种或两种及以上组合；腰梁是指凝土腰梁或型钢腰梁其中的一种或两种及以上组合；拱脚基础可以是天然岩基也可以是经加固处理过的人工基础(如钢管桩顶托、深孔注浆加固或设置底纵梁等)。

进一步地，冠梁与围护桩采用刚性连接，止水墙位于围护桩外侧，形成挡土、止水竖向构件。

进一步地，预应力锚索与护拱拱脚之间的最小竖向净距大于或等于2.0m。

进一步地，暗挖支护结构由钢架、管棚、护拱、导向墙、锁脚锚杆、系统锚杆形成。

进一步地，围护桩与腰梁通过张拉预应力锚索实现摩擦接触连接，形成竖向分层的简支式锚拉构件。

进一步地，明洞叠合套拱结构由钢架、护拱、导向墙内外叠合形成。

进一步地，系统锚杆和锁脚锚杆纵向布置应与所述围护桩间距呈倍数关系，且不能大于2m，仅在桩间打设即可，严禁穿桩施工。

进一步地，相邻所述围护桩中间必须设置一榀钢架，相邻两榀钢架之间内外交错布置连接筋钢筋，挂网喷砼至设计轮廓。

本发明的有益效果为：

(1)降低外界环境对工程的制约程度，无需增加额外的规划调整、占地审批、管线迁改、交通调流、房屋征迁等前期工作，节省工程建设投资的同时还能降低时间管理成本；

(2)改善外锚支护形式的使用条件，明挖作业操作空间加大，暗挖进洞施工时机提前，能显著降低施工风险、加快施工速度；

(3)能有效克服地下空间受限、地面施工用地紧张的难题，增强施工场地的材料储备能力和运输通行能力，能显著提高地面施工组织效率、减小工期风险压力；

(4)开挖支护与衬砌结构施工相互独立、互不干扰，无需面临对既有成品结构与防水材料保护的难题，便于洞内施工组织和大型机械作业；

(5)弱化先后行并行通道对地质条件和水平净距的依赖性，其一是可显著降低出入口超长增设消防口的概率，缓解口部建设用地紧张的局面；其二是可灵活调整出入口与主体接口位置，通过压制主体埋深或站位平移，能有效避免拱顶不良地质及纵深破碎带的影响；

(6)拓宽小净距“u”形出入口通道平面布局的边界需求，通道空间布置格局更加灵活、合理、紧凑，有利于将来对城市地下空间的重新规划设计与二次开发利用。

附图说明

图1为本发明的围护结构护拱拱脚标高之上分层平面布置图

图2为本发明的围护结构护拱拱脚标高之下分层平面布置图

图3为本发明的围护结构纵断面布置图

图4为本发明的围护结构横断面布置图兼做施工步序图

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

图中，1-围护桩，2-止水墙，3-冠梁，4-腰梁，5-预应力锚索，6-先行明挖通道，6a-明挖段先行明挖通道，6b-明洞段先行明挖通道，7-先行暗挖通道，8-二衬，9-防水层，10-钢架，11-管棚，12-护拱，13-导向墙，14-锁脚锚杆，15-肥槽回填，16-拱脚岩肩基础，17-系统锚杆，18-地层，19-后行暗挖通道，19a-并行段后行暗挖通道，19b-夹持段后行暗挖通道，20-明洞基坑底；21-机动车辆道路。

实施例1

本发明提供的一种小净距“u”形出入口通道明暗挖工法竖向转换施工方法，本发明可实现外锚支护形式的明暗挖工法竖向转换快速施工方法应用于城市地铁小净距“u”形出入口通道的施工例，如图1-图4所示，主要包含按顺序进行的下列步骤：

(1)结合周边环境及地质条件，合理布置小净距“u”形出入口通道建筑方案，确定明暗挖分界位置，先行明挖通道6与后行暗挖通道19a的水平净距控制为0.66倍(即5.5m)开挖跨度，场地三通一平、测量放线、定位结构轮廓；

(2)认真研判地层18揭露的地质条件及岩土体特性，确认明挖围护结构、暗挖支护结构以及明洞叠合套拱结构的设置范围，需与上述(1)步协同考虑；

(3)依次施作围护桩1、止水墙2、冠梁3，桩头凿毛与冠梁钢筋互锚形成刚接，围护桩桩间距1.5m，止水墙2设置于围护桩1外侧，咬合搭接厚度不小于200mm，若无地下水或有稳定隔水层时可取消止水墙2；明洞段围护桩1嵌固深度应以护拱拱脚标高(即明洞基坑底20)作为基坑底进行设计，保证足够的嵌固深度，兼做改善初支背后土压力的挡土构件，降低后行暗挖通道19a施工对其的影响；

自上而下分层开挖并施作腰梁4和预应力锚索5，直至施工至护拱12拱脚标高位置(即明洞基坑底20)，坑底严禁超挖、控制欠挖，当采用钻爆法施工时，距离坑底300mm应采用人工方式清底，最大程度保证拱脚岩肩基础16的稳定性，防止护拱12拱脚发生沉降失稳；

其中，护拱12搁置在预留拱脚岩肩基础上，若拱脚基础软弱，破碎(或土层)时可采用钢管桩或深孔注浆加固、补强并设置底纵梁增强纵向刚度，钢管桩应高出拱脚基础不低于20cm，锚入护拱结构后浇筑为整体结构，桩内可插入工字钢并用砂浆填充。

(4)放线测量、定位管棚11的布设点位，导向墙13应预留纵向甩筋，施作超前进洞管棚并注浆填充、止浆塞封孔，管棚末端应超过先行暗挖通道7封端墙距离不低于4m，形成以前方未开挖地层和后方导向墙为支座的纵向梁架承载构件；

(5)采用c25湿喷砼找平拱脚岩肩基础16基面并采用c20素砼回填肥槽15，沿着先行明挖通道6纵向反向立模、绑扎钢筋、模筑护拱12，护拱结构采用厚度350mm的c35模筑衬砌，并与导向墙13预留的纵向钢筋互锚刚接，锚固长度不得小于基本锚固长度；

(6)养护至设计强度的80％后拆除模板，密贴护拱12内侧基面每隔0.75m架设工25a型钢钢架，相邻围护桩中间必须架有一榀钢架10，钢架之间内外交错布置直径22mm连接筋钢筋以增强纵向结构稳定性，挂网复喷300mm厚的c25湿喷砼至设计轮廓；

(7)施作锁脚锚杆14稳定护拱12和钢架10形成的明洞叠合套拱拱脚，锁脚锚杆14纵向布置与围护桩间距呈倍数关系，纵向布置间距1.5m，仅在相邻围护桩1中间的型钢钢架布置，严禁穿桩施工，锁脚锚杆14宜采用直径22mm砂浆锚杆，每个节点打设2根即可，锁脚锚杆14打设完成后方可回填护拱顶部区域既能改善双层叠合套拱结构的受力状态，又能缓解拱脚在回填荷载作用下的沉降，锁脚锚杆14宜采用砂浆锚杆，回填施工完成后即可移交为施工场地；

(8)分层回填护拱顶部区域至现状地面标高，回填材料选择素土或种植土均可，密实度要求不低于0.95，当有种植要求时，近地表2m深度必须采用种植土回填，回填施工完成后可移交作为施工场地使用；

(9)至此暗挖进洞位置提前至明洞套拱结构洞口处，待先行明挖通道6a开挖至设计标高后，在护拱12与钢架10形成的双层叠合套拱结构保护下，纵向逐榀开挖明洞下部岩体并施作相应位置的系统锚杆17，架设钢架10并喷混至设计基面，要求左右两侧拱脚岩体交错开挖，错距控制为2～3m，以防两侧拱脚同时悬空失稳下沉，系统锚杆17选择直径25mm中空注浆锚杆，兼顾注浆加固地层和止水的作用，纵向布置方式同锁脚锚杆14；

(10)当施工至前述(1)条中的明暗挖分界前3～5m位置时，应调整为超短台阶法向前继续施工，先后依次贯通先行明挖通道6b下台阶、先行暗挖通道7以及后行暗挖通道19，台阶长度宜控制在2～3m；

(11)按照常规的复合式衬砌延长流水作业方式，分区、隔段铺设防水层9、绑扎钢筋、模筑二衬8，直至完成所有永久结构施工。

按照上述施工方法进行实施之后，地层18与拱脚岩肩基础16作为明挖围护结构选型和暗挖初支结构设计的地质基础，围护桩1、止水墙2、冠梁3、腰梁4、预应力锚索5竖向连接形成所述明洞段先行明挖通道6上部的围护结构；钢架10、管棚11、护拱12、导向墙13、锁脚锚杆14、系统锚杆17形成所述明洞段先行明挖通道6b下部的支护结构；钢架10、护拱12、导向墙13形成先行明挖通道6b明洞叠合套拱结构；先行明挖通道6b与后行暗挖通道19a形成小净距隧道；二衬8与防水层9为通道永久受力结构和防水材料组成内容的统称。其中，导向墙13在施工过程中可兼做护拱。

以上对本发明的实施例进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍归属于本发明的专利涵盖范围之内。