地铁明暗挖施工的转换结构及其应用

1.本发明涉及地铁明暗挖施工的技术领域，尤其涉及大跨度、大深度的地铁明暗挖双拱形隧道施工的技术领域，具体而言，涉及地铁明暗挖施工的转换结构及其应用。


背景技术：

2.随着我国城市化建设的发展，城市轨道交通蓬勃发展，地下空间的利用逐渐集约化，新建基坑工程的深度和跨度呈日益增大趋势。由于城市内建筑物密度较大，基坑施工场地面积受限，基坑周围施工环境复杂等因素，使得基坑工程的施工难度日趋提升，因此，为了保证基坑安全施工的关键问题是保证基坑开挖面的稳定性，尽可能减少基坑开挖对周围环境的扰动，需要对基坑施工工艺提出了更为精细的质量要求。
3.作为目前基坑开挖中最基本、最常用的施工方法，明挖法能够有效解决土体稳定性问题，其施工技术简单、快速、经济及主体结构受力条件较好，在没有地面交通和环境等条件限制时成为首选。但其缺点也是明显的，如阻断交通时间较长，噪声与震动较大等。暗挖法采用在地下挖洞的方式施工，其造价相对较高，施工风险相对较大，但不会影响路面通行。城市繁华区域地铁车站的站位布置受地面交通、地下管线、管廊、周边建筑物、既有轨道交通结构及规划控制地块等条件限制，部分车站不具备全明挖方案实施条件，而全暗挖方案造价高、工期长、施工难度大、风险高。因此，结合城市复杂建筑群环境下地铁施工特点，采用明挖与暗挖结合的方法，则可根据站位的具体情况，灵活布置施工方案，方便现场组织，降低施工难度与投资成本，在施工可行性、经济性上取得较好的效果。
4.在地铁车站明暗挖结合施工过程中，受围护结构和明暗挖结构施工步骤影响，车站明挖主体结构与区间、出入口暗挖结构衔接处受力复杂，一直是地铁结构施工中最为关键和困难的环节，在进行洞口围护桩破除及暗挖进洞、反挖、结构施工时，明挖转暗挖洞口处基坑支撑轴力、变形快速的增长、甚至会远远超过支撑轴力的设计值，可能引发衔接处结构损伤、开裂甚至漏水，从而导致基坑失稳，而二次破桩和反挖换拱架易再次扰动洞口土体，降低衔接处结构安全性，增加施工风险。对于复杂城市环境中的大跨度深基坑，结构安全问题更为严重。因此，在地铁车站明暗挖结合施工时，设计科学合理的转换结构十分重要。
5.目前，关于基坑明暗挖转换结构方面的现有技术，多局限于开挖跨度、深度较小的普通基坑工程，对于复杂城市环境中大跨度深基坑明暗挖转换结构方面的研究在现有技术中未见报道。例如，中国发明专利cn110206549a(名称为《一种市政交通隧道明暗挖转换结构及转换施工方法》)中提出了包括主体框架结构、管棚护拱、封头防水内衬墙以及基坑支护结构的转换结构，但其提出的转换结构仅适用于为单拱形结构，因此局限性较为明显。单拱形结构对地基基础要求较高，建筑高度受限，并不适用于大跨度、大深度的基坑工程。此外，单拱形结构施工较机械化、施工周期长，不适用于复杂城市环境。


技术实现要素：

6.本发明所要解决的技术问题在于提供一种结构简单，施工简便，能够有效提高复杂城市大跨度深基坑明暗挖衔接处的施工安全性与稳定性的地铁明暗挖施工的转换结构、地铁明暗挖隧道的施工方法以及地铁明暗挖隧道。
7.为了实现上述目的，根据本发明的第一个方面，提供了地铁明暗挖施工的转换结构，技术方案如下：
8.地铁明暗挖施工的转换结构，包括：第一导洞单元，包括第一洞体、第一支撑组件和第二支撑组件；所述第一导洞单元为两个且间隔排列；所述第一支撑组件沿第一洞体底部的外侧插入第一洞体下方的土体内；所述第二支撑组件设于第一洞体的洞顶上方；第二导洞单元，包括第二洞体、第三支撑组件和第四支撑组件；所述第二导洞单元设于两个第一导洞单元之间；所述第三支撑组件沿第二洞体底部的中部插入第二洞体下方的土体内；所述第四支撑组件设于第二洞体的洞顶上方；第三导洞单元，包括第三洞体和第五支撑组件；所述第三洞体为两个且分别设于第一洞体和第二洞体之间；第五支撑组件设于第三洞体的洞顶上方；其中，地铁隧道的拱顶结构包括第三洞体上方的第一拱顶、沿第一拱顶外侧延伸至与第一支撑组件连接的第二拱顶以及沿第一拱顶内侧延伸至与第三支撑组件连接的第三拱顶。
9.作为本发明第一方面的进一步改进，第一洞体和第二洞体的横截面的下部为矩形，上部为弧形。
10.作为本发明第一方面的进一步改进，第一拱顶的顶部高于第一洞体和第二洞体的顶部；第一洞体和第二洞体的宽度为4.5～5.5m；第一洞体和第二洞体的间距为5～6m。
11.作为本发明第一方面的进一步改进，所述第一支撑组件包括沿线路方向间隔排列的第一桩体以及连接第一桩体顶部的第一梁体；所述第三支撑组件包括沿线路方向间隔排列的第二桩体以及连接第二桩体顶部的第二梁体。
12.作为本发明第一方面的进一步改进，第一梁体的横截面为矩形；第二梁体的横截面为正六边形；第一桩体为混凝土桩；第二桩体的下端为混凝土桩，上端为钢管桩；第二桩体的插入深度大于第一桩体的插入深度；第一桩体和钢管桩的插入深度大于隧道的设计标高。
13.作为本发明第一方面的进一步改进，所述第一梁体位于第一洞体的底面上，所述第二拱顶与第一梁体连接；所述第二梁体位于第二洞体的底面的上方，所述第三拱顶与第二洞体的底面的上方的第二桩体连接。
14.作为本发明第一方面的进一步改进，第一导洞单元还包括填充在第二拱顶与其上方的第一洞体之间的第一混凝土；第二导洞单元还包括填充在第四支撑组件与其上方的第二洞体之间的第二混凝土。
15.作为本发明第一方面的进一步改进，所述第二支撑组件和第四支撑组件包括间隔排列的管棚以及位于管棚内侧的注浆管；所述第五支撑组件包括间隔排列的管幕。
16.为了实现上述目的，根据本发明的第二个方面，提供了地铁明暗挖隧道的施工方法，技术方案如下：
17.地铁明暗挖隧道的施工方法，包括以下步骤：
18.形成上述第一方面所述的地铁明暗挖施工的转换结构；
19.拆除拱顶结构下方的第一洞体和第二洞体；
20.开挖拱顶结构下方的土体至设计标高。
21.为了实现上述目的，根据本发明的第三个方面，提供了地铁明暗挖隧道，技术方案如下：
22.地铁明暗挖隧道，由上述第二方面所述的地铁明暗挖隧道的施工方法施工得到。
23.本发明具有以下优点：
24.1.在明暗挖衔接处施工本发明的转换结构，可以利用先行施工完成的明挖段作为进一步暗挖施工的进料、出渣通道，可显著降低进料、出渣费用。
25.2.本发明的转换结构取消使用了转换井，避免了由于转换井开挖导致的安全隐患，经济、环境效益明显。
26.3.本发明的转换结构的施工成本低，将管棚、管幕及拱形结构进行结合，避免既有结构物的拆除及交通疏散。
27.4.本发明的转换结构设置多个导洞，可以通过分阶段施工来有效的避免大规模施工机械的使用，方便复杂城市环境内的基坑开挖工程。
28.5.本发明的转换结构的施工风险低，可以有效提高复杂城市环境中的大跨度明暗挖深基坑的稳定性与安全性，显著减小大跨度、大断面地下结构下穿有城市道路或重要建筑物期间拱顶围岩的变形。
29.下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的说明。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
30.构成本发明的一部分的附图用来辅助对本发明的理解，附图中所提供的内容及其在本发明中有关的说明可用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。在附图中：
31.图1为本发明的地铁明暗挖施工的转换结构的实施例的结构示意图。
32.图2为本发明的地铁明暗挖施工的转换结构的施工方法的实施例中step3对应的状态图。
33.图3为本发明的地铁明暗挖施工的转换结构的施工方法的实施例中step6对应的状态图。
34.图4为本发明的地铁明暗挖隧道的施工方法的实施例中step8对应的状态图。
35.图5为本发明的地铁明暗挖隧道的施工方法的实施例中step9对应的状态图。
36.图6为本发明的地铁明暗挖隧道的施工方法的实施例中step10对应的状态图。
37.上述附图中的有关标记为：
38.110-第一洞体，120-第一支撑组件，121-第一桩体，122-第一梁体，130-第二支撑组件，131-管棚，132-注浆管，140-第一混凝土，210-第二洞体，220-第三支撑组件，221-第二桩体，222-第二梁体，230-第四支撑组件，240-第二混凝土，310-第三洞体，320-第五支撑组件，400-拱顶结构，410-第一拱顶，420-第二拱顶，430-第三拱顶，500-钢支撑。
具体实施方式
39.下面结合附图对本发明进行清楚、完整的说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。在结合附图对本发明进行说明前，需要特别指出的是：
40.本发明中在包括下述说明在内的各部分中所提供的技术方案和技术特征，在不冲突的情况下，这些技术方案和技术特征可以相互组合。
41.此外，下述说明中涉及到的本发明的实施例通常仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。因此，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的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
42.关于本发明中术语和单位。本发明的说明书和权利要求书及有关的部分中的术语“包括”、“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。
43.图1为本发明的地铁明暗挖施工的转换结构的实施例的结构示意图。
44.如图1所示，地铁明暗挖施工的转换结构包括第一导洞单元、第二导洞单元和第三导洞单元。所述第一导洞单元包括第一洞体110、第一支撑组件120、第二支撑组件130和第一混凝土140；所述第一导洞单元为两个且间隔排列；所述第一支撑组件120沿第一洞体110底部的外侧插入第一洞体110下方的土体内；所述第二支撑组件130设于第一洞体110的洞顶上方。所述第二导洞单元包括第二洞体210、第三支撑组件220、第四支撑组件230和第二混凝土240；所述第二导洞单元设于两个第一导洞单元之间；所述第三支撑组件220沿第二洞体210底部的中部插入第二洞体210下方的土体内；所述第四支撑组件230设于第二洞体210的洞顶上方。所述第三导洞单元包括第三洞体310和第五支撑组件320；所述第三洞体310为两个且分别设于第一洞体110和第二洞体210之间；第五支撑组件320设于第三洞体310的洞顶上方。其中，地铁隧道的拱顶结构400包括第三洞体310上方的第一拱顶410、沿第一拱顶410外侧延伸至与第一支撑组件120连接的第二拱顶420以及沿第一拱顶410内侧延伸至与第三支撑组件220连接的第三拱顶430；所述第一混凝土140填充于第二拱顶420与其上方的第一洞体110之间；所述第二混凝土240填充于第四支撑组件230与其上方的第二洞体210之间。
45.第一洞体110和第二洞体210的横截面的高度为5.8m，宽度为5.0m，下部为矩形，上部为弧形，弧形的半径为2.5m；第一拱顶410的顶部高于第一洞体110和第二洞体210的顶部；第一洞体110和第二洞体210的中心间距为5.65m；拱顶结构400的半径为3.1m。
46.所述第一支撑组件120包括沿线路方向间隔排列的第一桩体121以及连接第一桩体121顶部的第一梁体122。所述第三支撑组件220包括沿线路方向间隔排列的第二桩体221以及连接第二桩体221顶部的第二梁体222。
47.第一梁体122的横截面为矩形，尺寸为1.5m
×
0.5m；第一梁体122位于第一洞体110的底面上，所述第二拱顶420与第一梁体122连接。
48.第二梁体222的横截面为正六边形，边长为1.2m；第二梁体222位于第二洞体210的底面的上方，所述第三拱顶430与第二洞体210的底面的上方的第二桩体221连接。
49.第一桩体121为混凝土桩，长度为30m，桩径为1.2m。
50.第二桩体221的下端为混凝土桩，上端为钢管桩，混凝土桩的长度为8m，钢管桩的长度为26m，第二桩体221的桩径为1m。
51.第一桩体121和第二桩体221的排列间距均为4m，第二桩体221的插入深度大于第
一桩体121的插入深度，第一桩体121和钢管桩的插入深度大于隧道的设计标高。
52.所述第二支撑组件130和第四支撑组件230包括间隔排列的管棚131以及位于管棚131内侧的注浆管132。所述管棚131和注浆管132分布在第一洞体110和第二洞体210的洞顶上方的180
°
范围内(预留第三洞体310的开挖空间)。管棚131的管径为159mm，环向间距为350mm，外插角为1～2
°
，长度为54m，采用p110热轧无缝钢管。注浆管132的管径为42mm，环向间距为350mm，外插角为15
°
，长度为3m。
53.所述第五支撑组件320包括间隔排列的管幕。所述管幕分布在第三洞体310的洞顶上方的126
°
范围内。管幕的管径为402mm，环向间距为450mm，通长布置，长度为54m，采用q235热轧无缝钢管，管内采用c30微膨胀细石混凝土进行填充。
54.本技术的申请人发现，管棚131的强度相对较低，沉降控制及安全保证效果有限，往往不能单独对一些长大地下工程起到足够的支护作用，当与注浆管132结合使用时，能够确保支护效果。管幕的安全相较于管棚131则更可靠，沉降控制良好，空间优势更为明显，适用于大跨度及多层多跨度的地下工程施工，但其所需工程费用昂贵，在资金不充裕的情况下往往难以使用该方法。因此，本技术提出利用将管棚131与管幕组合的方式对大跨度、大深度的基坑进行支撑，可以将管棚131造价低、管幕支护效果好的特点相结合，既能节约资金，也能提高支护性能。其中，最为优选的分布方式是将管幕排列于拱顶结构上方，其余部位采用管棚131和注浆管132进行支护，由此，使支护效果和成本控制在最佳范围。
55.经验值，在确保符合明暗挖转换结构相应尺寸的前提下，申请人通过使用plaxis3d软件建立有限元模型对管幕、管棚131和注浆管132配合使用的效果进行分析，结果表明，当采用上述的组合和分布方式时，可以尽可能减小工程施工对周围土体的影响，且满足经济利益最大化。
56.本发明的地铁明暗挖施工的转换结构的施工方法的实施例为包括以下步骤：
57.step1：以已形成的明挖基坑作为工作井，根据第一洞体110、第二洞体210和第三洞体310的位置和尺寸，安装管棚131、注浆管132和管幕，形成第二支撑组件130和第四支撑组件230；
58.step2：开挖第一洞体110和第二洞体210，同步沿洞体轮廓施工初期支护结构；
59.所述初期支护结构优选但是不限于为格栅钢架+喷锚支护结构，具体为：开挖完成后首先初喷约4cm混凝土，然后挂网、架立钢架、打锚杆，钢架与喷层间隙楔紧，钢筋网与钢架焊接牢固，架立钢架后复喷混凝土至0.3m设计厚度；每当初期支护闭合成环5m后，即对初支拱背后压注水泥浆。
60.step3：在第一洞体110内施工第一桩体121和第一梁体122，形成第一支撑组件120；在第二洞体210内施工第二桩体221和第二梁体222，形成第三支撑组件220。由此得到的地铁明暗挖施工的转换结构的中间状态如图2所示。
61.step4：在第一洞体110内施工第二拱顶420，所述第二拱顶420与第一梁体122内预埋的拱架连接；在第二洞体210内施工第三拱顶430，所述第三拱顶430与与第二洞体210的底面的上方的第二桩体221连接。
62.step5：在第二拱顶420和第三拱顶430的迎土侧设置定型模板，然后在第二拱顶420和第三拱顶430上挂网并喷涂挂网混凝土；定型模板的长度为5m，定型模板表面涂刷脱模剂以便于在施工完成后拆除定型模板。
63.step6：当挂网混凝土达到设计强度后，在第二拱顶420与其上方的第一洞体110之间填充混凝土以形成第一混凝土140，在第四支撑组件230与其上方的第二洞体210之间填充混凝土以形成第二混凝土240。由此，通过第一混凝土140、第二混凝土240、管棚131、注浆管132、管幕的结合，能够显著提升拱顶结构400的强度。由此得到的地铁明暗挖施工的转换结构的中间状态如图3所示。
64.step7：开挖第三洞体310，同步沿洞体轮廓施工初期支护结构。由此，完成施工，得到图1所示的地铁明暗挖施工的转换结构。
65.可见，施工时先开挖第一洞体110和第二洞体210，后开挖第三洞体310，这种分阶段的施工可以有效避免大规模施工机械的使用，方便复杂城市环境内的基坑开挖工程。
66.本发明的地铁明暗挖隧道的施工方法的实施例为包括以下步骤：
67.首先采用上述的step1-7形成地铁明暗挖施工的转换结构；
68.step8：拆除拱顶结构400下方的第一洞体110和第二洞体210
69.图4为本发明的地铁明暗挖隧道的施工方法的实施例中step8对应的状态图。如图4所示，待各洞体内的初期支护结构达到设计强度后，逐段拆除第一洞体110和第二洞体210的内边墙，在拱顶结构400内侧铺设防水层，并施工二次衬砌结构。
70.step9：开挖拱顶结构400下方的土体至设计标高
71.图5为本发明的地铁明暗挖隧道的施工方法的实施例中step9对应的状态图。如图5所示，开挖拱顶结构400下方的土方，开挖过程中从上到下架设钢支撑500，开挖至设计标高后平整基坑底部，在基坑底部施工垫层以封闭基坑。
72.step10：施工侧墙
73.图6为本发明的地铁明暗挖隧道的施工方法的实施例中step10对应的状态图。如图6所示，从下到上依次拆除钢支撑500，在基坑侧壁上施工防水层并施工二次衬砌结构，由此，防水层、二次衬砌结构和第一支撑组件120或第三支撑组件220形成双拱形隧道两侧的侧墙，使得隧道的结构强度显著提升。
74.由此，完成地铁明暗挖隧道的施工，得到本发明的地铁明暗挖隧道。
75.以上对本发明的有关内容进行了说明。本领域普通技术人员在基于这些说明的情况下将能够实现本发明。基于本发明的上述内容，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。