利用索锚和坑外地连墙控制隧道变形的装置及方法与流程

本发明属于地基及基础工程施工技术领域，涉及一种利用索锚控制基坑外隧道变形的主动控制方法。

背景技术：

随着我国社会经济的迅猛发展，现代化城市建设进度不断加快，大型综合多功能建筑群不断涌现，基础设施建设也在日趋完善。在基坑开挖过程中，邻侧土体的卸荷作用导致基坑围护结构产生相应变形，从而引起相邻建筑基础或者坑外隧道等随着土体一同产生相应位移变形。例如，现有运营地铁隧道多为预制混凝土管片和高强螺栓连接的盾构隧道，对变形较为敏感。过大的变形不仅会导致管片间连接的张开、错台、轨道翘曲变形，影响地铁列车的运行，严重者甚至会因管片间变形张开量过大造成的漏水漏沙现象导致隧道进一步发生大变形和损坏。因此在新项目建设期间对基坑外隧道的变形进行严格控制就显得尤为重要。

目前采用控制基坑外隧道的变形的方法有被动控制方法和注浆主动控制方法，但由于技术水平，经济条件等的限制，对于控制坑外隧道变形措施效率仍然较低，主要表现在以下几个方面：

第一，被动控制方法主要是通过注浆来增加土的强度，弹性模量等改善土的性状的方法，减小基坑开挖对隧道变形的影响，这种方法常常因为缺乏目的性注浆而会导致过大的浪费，经济效果不够理想，同时对于隧道的变形控制效果也不够理想。

第二，注浆主动控制方法是根据隧道变形来实时动态注浆来控制隧道的变形，但是目前这种注浆方法由于不能控制注浆后浆液的流向而无法得到预期的注浆体体积，位置和形状，尤其当地下水流速较大时，浆液往往被地下水冲走，难以在固定区域凝固硬化，且易出现跑浆、沿注浆管和相邻结构窜浆现象，浆液的扩散会对周边工程的建设造成潜在的影响，对临近地下水和土壤由一定的污染性，不利于环境保护。

技术实现要素：

针对现有技术，本发明解决的是针对常规控制基坑外隧道变形的被动控制方法和注浆主动控制无法实时动态控制隧道变形等技术问题，基于此，发明提出一种利用索锚和地连墙对基坑外隧道进行变形控制的主动控制方法。可以在基坑施工过程中对坑外隧道的的变形进行实时监测，并根据监测的变形值，利用地连墙的支撑力和隧道内千斤顶的张拉控制力对隧道变形进行控制，实现变形控制的实时主动性。

为了解决上述技术问题，本发明通过以下的技术方案予以实现：

本发明提出的一种利用索锚和坑外地连墙控制隧道变形的装置，包括坑外地连墙，所述坑外地连墙设置在隧道的远离基坑支护墙的一侧；所述坑外地连墙与隧道之间设有多套拉力控制及变形监测装置，每套拉力控制及变形监测装置包括2～3根索锚、与索锚数量相同的千斤顶和四个位移监测装置；每套拉力控制及变形监测装置中，所述索锚连接在隧道与所述坑外地连墙之间，所述千斤顶设置在索锚的位于所述隧道的锚固端；两个位移监测装置设置在隧道的轨道道床两侧，另外两个位移监测装置设置在隧道的两侧的中腰位置。

进一步讲，本发明的利用索锚和坑外地连墙控制隧道变形的的装置，其中，每套拉力控制及变形监测装置中，索锚的数量为2或3根；索锚的数量为2根时，两个索锚与坑外地连墙按照三角形布局，两个索锚与坑外地连墙的夹角为45度～80度；索锚的数量为3根时，其中一根索锚与坑外地连墙垂直，其余两根索锚与坑外地连墙按照三角形布局、且该两根索锚与坑外地连墙的夹角为45度～80度。

所述坑外地连墙上设有第一索锚端头，所述隧道的管片上设有第二索锚端头，所述索锚的两端分别与第一索锚端头和所述第二索锚端头连接。

所述第二索锚端头设置在管片的注浆孔内。

所述坑外地连墙的类型是钢筋混凝土墙、固化灰浆墙和钢制墙中的一种。

所述坑外地连墙与所述隧道中心的距离为2～5倍隧道直径；所述坑外地连墙的高度约为3～5倍隧道直径，所述坑外地连墙的长度大于等于基坑的开挖长度，所述坑外地连墙的厚度应满足锚固约束力要求。

所述第二索锚端头处设有橡胶垫，所述橡胶垫位于所述千斤顶与所述第二索锚端头之间。

所述隧道的管片接头处设有止水垫。

同时，本发明提出的利用上述所述的控制隧道变形的装置，实现基坑外隧道变形的主动控制，包括以下步骤：

步骤一、坑外地连墙的定位，根据基坑外隧道的埋深、距离基坑的水平距离、基坑的开挖深度和基坑的支护情况预估该隧道的变形趋势，确定坑外地连墙的位置；

步骤二、索锚施工，利用隧道管片上的注浆孔，向所述坑外地连墙的索锚端头进行套管和索锚的施工，所述索锚的数量和布局根据预估的隧道的变形趋势和变形值进行设计和确定；

步骤三、坑外地连墙施工，待索锚打设至设计位置，进行坑外地连墙的施工，坑外地连墙的类型根据实际工程需要选用钢筋混凝土墙或是固化灰浆墙或是钢制墙；所述坑外地连墙的长度与基坑的开挖长度相同，所述坑外地连墙的高度和厚度满足的条件是，根据预估隧道的变形值需要提供的支撑反力下的强度和刚度的要求确定；在坑外地连墙远离隧道侧安设索锚端头，将索锚锚固在所述坑外地连墙中；

步骤四、安设隧道位移监测装置，在隧道内部安设位移监测装置；

步骤五、安设千斤顶并进行隧道变形控制，在所述隧道的锚固端安装千斤顶以提供索锚的张拉控制力，控制力大小根据隧道内位移监测数据进行实时动态调整。

上述的利用索锚和坑外地连墙控制隧道变形的方法中，沿隧道走向每隔4米布置一套拉力控制及变形监测装置。

本发明的有益效果是：

(一)本发明可实现基坑外隧道变形的主动控制：由于可以根据隧道的变形情况，人为选择地连墙的位置，索锚的布置形态和数量，根据隧道变形的监测值，实时动态调整千斤顶的张拉控制力，实现基坑外隧道变形的主动控制。

(二)本发明可实现对周边环境影响小：因为施工过程对原来地层的扰动较小，从而可以实现在对周边建筑物影响很小的情况下，控制坑外隧道的变形。

(三)本发明可实现绿色环保：由于施工全过程未涉及注浆，对原有地层和既有建构筑物影响小，能实现施工过程绿色环保，符合环境友好的要求。

附图说明

图1是本发明控制隧道变形装置的立面结构示意图；

图2是图1所示控制隧道变形装置的平面布局示意图。

图中：1-隧道，2-索锚，3-坑外地连墙，4-第二索锚端头，5-第一索锚端头，6-基坑支护墙，7-基坑支护梁，8-千斤顶，9-位移监测装置。

具体实施方式

为能进一步了解本发明的发明内容、特点及效果，兹例举以下实施例，并配合附图详细说明如下：

本发明的设计思路是，利用索锚和地连墙来主动控制基坑外隧道变形，即通过设置坑外地连墙，并在坑外地连墙和隧道之间设置索锚，在隧道端锚固头处设置千斤顶，在隧道内设置位移监测装置，通过对基坑施工引起支护墙的变形情况和基坑支护梁的施工情况导致的坑外隧道的变形进行实时监测，利用坑外地连墙提供的约束力和隧道内千斤顶的张拉控制力，实现对隧道变形的主动控制，以保证隧道结构的设计要求和安全。

如图1和图2所示，本发明提出的一种利用索锚和坑外地连墙控制隧道变形的装置，包括坑外地连墙3，所述坑外地连墙3设置在隧道1的远离基坑支护墙6的一侧，所述坑外地连墙3的位置和尺寸可以根据基坑开挖引起临近隧道1的变形值进行设计和调整，如坑外地连墙3的具体位置应当根据基坑开挖深度，支护情况等所得的隧道预估值进行设计，所述坑外地连墙3与所述隧道1中心的距离一般为2～5倍隧道直径；坑外地连墙3的具体尺寸应当根据实际情况进行设计确定，坑外地连墙3的长度一般取基坑开挖长度或是大于基坑开挖长度，厚度应满足锚固约束力的要求，高度一般取3～5倍隧道直径。坑外地连墙3的类型应当根据实际情况进行设计，可选用钢筋混凝土墙，固化灰浆墙，钢制墙等，以方便施工，降低施工成本为宜。

所述坑外地连墙3与隧道1之间设有多套拉力控制及变形监测装置，一般是沿隧道1走向每隔4米布置一套拉力控制及变形监测装置。每套拉力控制及变形监测装置包括2～3根索锚2、与索锚数量相同的千斤顶8和四个位移监测装置9。

每套拉力控制及变形监测装置中，所述索锚2连接在隧道1与所述坑外地连墙3之间，所述索锚2的数量、位置可以根据隧道埋深和基坑开挖引起临近隧道1的变形值进行设计和调整。所述索锚2一般采用钢索锚，其强度、刚度和直径应当满足设计要求。索锚2的数量一般为2～3根，可以通过在不同索锚端施加不同张拉力控制隧道变形方向。如果索锚2的数量为2根时，两个索锚2与坑外地连墙3按照三角形布局，两个索锚2与坑外地连墙3的夹角为45度～80度；如果索锚2的数量为3根时，其中一根索锚2与坑外地连墙3垂直，其余两根索锚2与坑外地连墙3按照三角形布局、且该两根索锚2与坑外地连墙3的夹角为45度～80度。

所述千斤顶8设置在索锚2的位于所述隧道1的锚固端，所述坑外地连墙3上设有第一索锚端(即基坑外地连墙锚固端)头5，所述隧道1的管片上设有第二索锚端(即隧道锚固端)头4，所述第二索锚端头4设置在管片的注浆孔内，可在隧道管片1接头处设置止水垫，以减小变形控制中可能出现的漏水影响。所述索锚2的两端分别与第一索锚端头5和所述第二索锚端头4连接。可在所述第二索锚端头(即隧道端锚固头)4处设置橡胶垫，所述橡胶垫位于所述千斤顶8与所述第二索锚端头4之间，以扩散千斤顶控制力，以减小对隧道管片的损害。隧道锚固端处的千斤顶8的张拉控制力可以根据基坑开挖引起临近隧道1的变形的监测值进行实时动态的调整，以满足隧道变形的控制要求。

四个位移监测装置，其中两个位移监测装置设置在隧道1的轨道道床两侧，另外两个位移监测装置9设置在隧道1的两侧的中腰位置。

使用本发明控制隧道变形装置时，根据基坑施工引起基坑支护墙6的变形情况和基坑支护梁7的施工情况导致的坑外隧道1的变形进行实时监测，并通过隧道端锚固端处千斤顶8进行拉力控制，实现对隧道变形的实时主动控制。

利用本发明利用索锚和坑外地连墙控制隧道变形的装置，实现基坑外隧道变形的主动控制的步骤如下：

步骤一、坑外地连墙3的定位：根据基坑外隧道1的埋深、距离基坑的水平距离、基坑的开挖深度和基坑的支护情况预估该隧道1的变形趋势，然后根据预估隧道变形确定坑外地连墙3的位置。

步骤二、索锚2施工：利用隧道1管片上的注浆孔，向所述坑外地连墙3的索锚端头进行套管和索锚2的施工，所述索锚2的数量和布局根据预估的隧道1的变形趋势和变形值进行设计和确定。

步骤三、坑外地连墙3施工：待索锚2打设至设计位置，进行坑外地连墙3的施工，坑外地连墙3的类型根据实际工程需要确定，可以选用钢筋混凝土梁，固化灰浆墙，钢制墙等，以使施工方便，成本降低为准。在坑外地连墙端安设锚固装置，在坑外地连墙3远离隧道侧安设第二索锚端头4，并将索锚锚固在坑外地连墙3中以提供足够的支撑力。坑外地连墙3的长度一般取基坑开挖长度，坑外地连墙3的厚度应当满足锚固强度，刚度的要求。所述坑外地连墙3的长度与基坑的开挖长度相同或大于该长度，所述坑外地连墙3的高度和厚度满足的条件是，根据预估隧道的变形值需要提供的支撑反力下的强度和刚度的要求确定。

步骤四、安设隧道位移监测装置，在隧道1内部安设位移监测装置9；以便实时动态地对隧道的变形情况进行监测和掌握。

步骤五、安设千斤顶8并进行隧道变形控制：在所述隧道1的锚固端安装千斤顶8以提供索锚2的张拉控制力，控制力大小应当根据基坑内支撑的施工情况和隧道1内位移监测情况进行实时动态调整。利用地连墙的锚固反力和千斤顶的张拉控制力对隧道变形进行严格控制，以保证隧道的安全。同时可以在千斤顶处安放橡胶垫，避免应力集中，以最大程度上减小千斤顶施加力的过程中对隧道产生的不利影响。

综上，本发明控制隧道变形的方法主要是根据基坑开挖引起隧道的变形量，通过改变索锚的数量和布局及坑外地连墙的布局和千斤顶的控制力，主动控制基坑外隧道的变形，以防止隧道产生过大变形而对隧道自身安全、地铁运营产生影响。首先，根据基坑开挖的深度和基坑支护情况，预估坑外隧道的变形，然后设计地连墙的位置，并利用隧道管片内的注浆孔向地下连续墙打设索锚，将索锚端头固定在地下连续墙内，并在隧道内部设置位移监测装置和张拉控制装置，同时可以根据基坑外土体的不同性状，隧道埋深，隧道现有变形值设计索锚的数量和布局及地连墙的尺寸，实时动态地调整隧道内千斤顶的张拉控制力来实现坑外隧道变形的主动控制，对周边环境的影响较小，而且该方法成本低廉，便于操作，施工方便。

尽管上面结合附图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，并不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可以作出很多形式的具体变换，这些均属于本发明的保护范围之内。