一种在饱和软土中暗挖修建的大型地下结构及其修建方法与流程

1.本发明属于地下结构暗挖修建技术领域，尤其涉及一种在饱和软土中暗挖修建的大型地下结构及其修建方法。


背景技术：

2.随着城市化的进程，地下工程周边环境日趋复杂，因周边环境制约，有时候在城市中心区域不得不采用暗挖法施工。由于传统暗挖工法存在工艺复杂、工程风险大、地表沉降大等一系列问题，在土质地层中修建大型地下结构仅由少量应用，在饱和软土地区暗挖修建大型地下结构更是几乎不可能，修建多层大型地下结构更是空白。
3.为了解决饱和软土地区暗挖难题，提高暗挖工法的适用性，国内相关工程技术人员对在饱和软土地区暗挖技术进行了一些尝试。国内在上海、北京、台湾等地采用了管幕+箱涵顶进或者管幕+随挖随撑的工法进行了软土地区跨路口、下穿河道、下穿机场等地下工程施工，但是这些工法均存在明显的缺陷：（1）这类工法掌子面需要辅以较大范围的全断面地层加固措施，进行分仓或者分台阶开挖，否则，掌子面暴露较高，土体纵向稳定性较差，存在较大施工风险，且沉降变形较大，一般只适用于结构高度较小的单层地下结构施工，很难进行多层地下结构的施工；（2）箱涵顶进法对顶进施工精度要求非常高，否则地表沉降控制不理想，上海中环线采用该方法穿越西郊宾馆和虹桥路工程地表沉降一度达到了26cm；（3）箱涵制作和顶进场地要求较大，在城市中心区日趋紧张的用地情况下，适用性比较差；（4）随挖随撑的方案存在支撑密集、施工缝较多，影响结构整体质量和防水性等问题。港珠澳拱北隧道在管幕+随挖随撑工法的基础上辅以管间冻结法虽然在饱和软土中成功实施了双层地下结构，但是该工程跨度较小、长距离冻结工艺代价高昂，不具有普遍应用价值。
4.cn111485575a公开了一种饱和软土地区超大断面管幕通道钢框架支撑施工方法，超大断面管幕通道由分布于四周的顶管隔离而成，该方法利用分仓管将所述超大断面管幕通道沿水平方向分成多个仓室，每一仓室沿竖直方向分为多个土层，每一仓室参照从上至下的顺序开挖，对完成开挖的区域同步安装用于支撑土体的钢框架支撑，所述钢框架支撑包括底梁，两根侧立柱和顶梁，上一土层内的底梁为下一土层内的顶梁，通过对钢框架支撑施加预紧力。该方法虽然可以应用于饱和软土暗挖工程，并在上海地铁14号线桂桥路站下穿曹家沟工程应用，但是该方法仍存在很大局限性。该方法增加了中间分仓管，且底部和侧部管幕直径较大，仅管幕这一项投资就大量增加；上部分仓底梁落在土上，软土地基承载力较小，且下部仓室开挖时，破裂面范围的上部仓室支撑处于松动状态，沉降风险较大，故需对几乎整个开挖断面进行注浆加固提高其地基承载力和纵向开挖的稳定性，土体加固这项投资费用也很高，分仓工作面众多，各仓室开挖时需错开一段距离，且需要做到每开挖一步即进行支撑，方可进行下一步，工序繁琐、工效低、工期长；结构范围布满密排水平和竖向支撑，对结构施工和防水质量影响较大；基于以上原因，该方法基本只用于单层地下结构的实施，用于多层结构施工既不经济也不安全。
5.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：现有饱和软土地区暗挖工法存在
变形控制不佳、工程投资大、施工复杂繁琐、工期较长等一系列问题，这是因为这种方法本质还是没有摆脱传统暗挖工法的支护思路，通过将要开挖的大断面，分仓为若干个小断面，通过随挖随撑来进行施工，在饱和软土中暗挖修建地下车站等大型地下结构时适用性不强，基本上难以用来修建多层结构。为解决目前饱和软土地区现有暗挖工法尤其是大跨多层地下结构暗挖工法存在的不足，有必要提出新的思路和技术方案。


技术实现要素：

6.为克服相关技术中存在的问题，本发明公开实施例提供了一种在饱和软土中暗挖修建的大型地下结构及其修建方法。具体涉及一种在饱和软土中暗挖修建地下车站、大跨隧道及类似大跨地下工程的方法。
7.所述技术方案如下：一种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法以下步骤：s1，沿车站四周外轮廓纵向顶进管幕，管幕间采用锁扣连接，疏干管幕围护范围内的地下水，并对上部管幕下方内部土体进行水平加固；s2，纵向逐段开挖加固土体，每段开挖后进行竖向挖孔，中间孔设置竖向钢支撑，边孔设置竖向钢梁，竖向钢支撑和钢梁底部均设置短钢梁，孔内空隙进行回填；在钢支撑顶部设置横向钢梁，利用钢支撑上的千斤顶施加预加力，使横向钢梁与上部管幕顶紧，横向钢梁两端与竖向钢梁塞紧焊牢；s3，开挖至第一道水平钢支撑位置，架设第一道水平钢支撑，通过设置在水平钢支撑上的千斤顶预加轴力，水平钢支撑两端与竖向钢梁顶紧；s4，逐层开挖至最下道水平钢支撑位置，架设最下道水平钢支撑，通过设置在水平钢支撑上的千斤顶预加轴力，水平钢支撑两端与竖向钢梁顶紧；s5，纵向分段开挖底层土体，每段开挖到底后将短钢梁连接成横向钢梁；s6，铺设底板防水层，施工结构底板，拆除最下道水平钢支撑；s7，逐层顺作车站结构，形成封闭结构，并对结构背后进行注浆回填；s8，拆除竖向钢支撑，完成车站施工。
8.在一个实施例中，在步骤s1中对上部管幕下方4m高内部土体进行水平加固；锁扣内注入油脂止水填充材料。
9.在一个实施例中，在步骤s1中，水平加固采用水平高压旋喷、水平深孔注浆工艺，或者进行分段水平加固。
10.在一个实施例中，在步骤s1中，地下水疏干后，无需持续降水。
11.在一个实施例中，在步骤s2中的挖孔采用机械成孔或采用人工挖孔。
12.在一个实施例中，在步骤s2中放置竖向支撑和钢梁前，孔底沉渣清理干净，并在孔底浇筑一层混凝土整平，并在底部埋设注浆管进行注浆加固。
13.在一个实施例中，在步骤s2中挖孔内空隙回填采用砂石回填，并辅以注浆措施；当底部管幕地基承载力或者刚度不足时，挖孔内空隙浇筑混凝土或者对下部管幕底部土体进行水平加固。
14.在一个实施例中，在步骤s1~步骤s8中，所述竖向钢支撑、横向和竖向钢梁均沿纵向设置连接杆或者剪刀撑连接成整体。
15.在一个实施例中，在步骤s1~步骤s8中，所述竖向和水平钢支撑上的千斤顶可采用
轴力自动补偿系统，施工过程根据变形监测情况，通过液压泵站和控制站，及时对每个千斤顶预加轴力进行适当调整，进一步控制沉降和水平位移。
16.本发明的另一目的在于提供一种在饱和软土中暗挖修建的大型地下结构包括：管幕、竖向钢支撑、竖向钢梁、横向钢梁、水平钢支撑、短钢梁、底板、千斤顶；沿车站四周外轮廓纵向顶进的管幕，管幕间采用锁扣连接，疏干管幕围护范围内的地下水，并对上部管幕下方内部土体进行水平加固；纵向逐段开挖加固土体，每段开挖后进行竖向挖孔，中间孔设置竖向钢支撑；边孔设置竖向钢梁，竖向钢支撑和竖向钢梁底部均设置短钢梁，孔内空隙进行回填；在竖向钢支撑顶部设置横向钢梁，利用竖向钢支撑上的千斤顶施加预加力，使横向钢梁与上部管幕顶紧，横向钢梁两端与竖向钢梁塞紧焊牢；开挖至第一道水平钢支撑位置，架设第一道水平钢支撑，通过设置在水平钢支撑上的千斤顶预加轴力，水平钢支撑两端与竖向钢梁顶紧；纵向分段开挖底层土体，每段开挖到底后将短钢梁连接成横向钢梁；铺设底板防水层，施工结构底板，拆除最下道水平钢支撑。
17.结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：第一、针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果，具体描述如下：本发明充分利用管幕的纵向刚度，管幕直径一般较小；无需对开挖范围土体进行大面积预加固；钢梁和支撑均采用的是目前基坑常用的支撑型式，可以重复利用；故本方法工程投资大幅降低；本发明在顶部管幕下4m高度空间内分段构筑管幕的竖向支撑体系，该开挖高度下土体纵向稳定性有保证；竖向支撑脚部直接支顶在上下大刚度管幕上，并设置了预加轴力系统，竖向变形控制有利；开挖过程没有受力转换，竖向变形与结构层高度没有关系；故本发明可以用于多层地下结构的修建。
18.本发明竖向支撑和水平支撑刚度均较大，支撑间距较大，本发明管幕支撑体系构筑较快，且竖向支撑体系构筑完成后，既可如明挖基坑般进行土方大开挖作业，施工效率大幅提高，工期可以大幅降低；同时，在大空间内施工结构和防水，施工质量有保障。
19.第二、把技术方案看作一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：本发明提供一种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，沿地下结构外轮廓四周打设纵向管幕，顶部管幕以下约4m高范围土体进行水平加固；加固土体纵向逐段开挖，每段开挖后即进行竖向挖孔，中间孔内设置竖向钢支撑，边孔内设置竖向钢梁，竖向钢支撑和钢梁底部均设置短钢梁，孔内空隙回填密实，钢支撑顶部设置横向钢梁，与管幕顶紧；分层开挖土体，并及时架设水平钢支撑，水平钢支撑两端与两侧竖向钢梁顶紧，直至开挖至最下一道支撑位置；纵向分段开挖底层土体，每段开挖后即将短钢梁焊接成横向钢梁；从下往上逐层顺作结构，并拆除水平钢支撑；结构封闭成环后，结构背后回填注浆，拆除竖向钢支撑。本方法克服了目前在饱和软土中管幕工法需要进行分仓、地表沉降大、加固范围大、施工代价高、工期长、难以修建多层结构等问题，使得在饱和软土中广泛采用暗挖法修建大型
地下结构成为可能。
附图说明
20.此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。
21.图1是本发明实施例提供的在饱和软土中暗挖修建的大型地下结构示意图；图2是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法流程图；图3是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s101的横剖面示意图；图4是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s102的横剖面示意图；图5是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s102的纵剖面示意图；图6是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s103的横剖面示意图；图7是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s104的横剖面示意图；图8是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s105的横剖面示意图；图9是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s106的横剖面示意图；图10是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s107的横剖面示意图；图11是本发明实施例提供的种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法中步骤s108的横剖面示意图：图中：1、管幕；2、竖向钢支撑；3、竖向钢梁；4、横向钢梁；5、水平钢支撑；6、短钢梁；7、底板；8、千斤顶。
具体实施方式
22.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其他方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施的限制。
23.实施例1如图1所示，本发明实施例提供一种在饱和软土中暗挖修建的大型地下结构包括：管幕1、竖向钢支撑、竖向钢梁3、横向钢梁4、水平钢支撑5、短钢梁6、底板7、千斤顶8。
24.沿车站四周外轮廓纵向顶进的管幕1，管幕1间采用锁扣连接，疏干管幕围护范围内的地下水，并对上部管幕下方约4m高内部土体进行水平加固.如图3.
纵向逐段开挖加固土体，每段开挖后进行竖向挖孔，中间孔设置竖向钢支撑2；边孔设置竖向钢梁3，竖向钢支撑2和竖向钢梁3底部均设置短钢梁6，孔内空隙进行回填；在竖向钢支撑2顶部设置横向钢梁4，利用竖向钢支撑2上的千斤顶8施加预加力，使横向钢梁4与上部管幕1顶紧，横向钢梁4两端与竖向钢梁2塞紧焊牢。如图4-图5。
25.开挖至第一道水平钢支撑5位置，架设第一道水平钢支撑，通过设置在水平钢支撑5上的千斤顶8预加轴力，水平钢支撑5两端与竖向钢梁2顶紧。如图6所示。
26.纵向分段开挖底层土体，每段开挖到底后将短钢梁6连接成横向钢梁。如图8所示。
27.铺设底板防水层，施工结构底板7，拆除最下道水平钢支撑5。如图9所示。
28.如图2所示买本发明实施例提供一种在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法包括以下步骤：s101，沿车站四周外轮廓纵向顶进管幕，管幕间采用锁扣连接，疏干管幕围护范围内的地下水，并对上部管幕下方约4m高内部土体进行水平加固。如图3所示。
29.s102，纵向逐段开挖加固土体，每段开挖后进行竖向挖孔，中间孔设置竖向钢支撑，边孔设置竖向钢梁，竖向钢支撑和钢梁底部均设置短钢梁，孔内空隙进行回填；在钢支撑顶部设置横向钢梁，利用钢支撑上的千斤顶施加预加力，使横向钢梁与上部管幕顶紧，横向钢梁两端与竖向钢梁塞紧焊牢。如图4-图5所示。
30.s103，开挖至第一道水平钢支撑位置，架设第一道水平钢支撑，通过设置在水平钢支撑上的千斤顶预加轴力，水平钢支撑两端与竖向钢梁顶紧。如图6所示。
31.s104，逐层开挖至最下道水平钢支撑位置，架设最下道水平钢支撑，通过设置在水平钢支撑上的千斤顶预加轴力，水平钢支撑两端与竖向钢梁顶紧。如图7所示。
32.s105，纵向分段开挖底层土体，每段开挖到底后将短钢梁连接成横向钢梁。如图8所示。
33.s106，铺设底板防水层，施工结构底板，拆除最下道水平钢支撑。如图9所示。
34.s107，逐层顺作车站结构，形成封闭结构，并及时对结构背后进行注浆回填，确保结构与管幕之间填充密实。如图10所示。
35.s108，拆除竖向钢支撑，完成车站施工。如图11所示。
36.实施例2基于本发明实施例1提供的在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，进一步地，所述步骤s101中的锁扣内注入油脂等止水填充材料。
37.实施例3基于本发明实施例1提供的在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，进一步地，所述步骤s101中的水平加固可以采用水平高压旋喷或者水平深孔注浆工艺；当加固长度较长注浆质量无法保证时，水平加固与步骤s102一起分段进行。
38.实施例4基于本发明实施例1提供的在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，进一步地，所述步骤s101中的地下水疏干后，无需持续降水。
39.实施例5基于本发明实施例1提供的在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，进一步地，所述步骤s102中的挖孔一般采用机械成孔，当地质条件允许时，也可以采用人工挖孔。
40.实施例6基于本发明实施例1提供的在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，进一步地，所述步骤s102中放置竖向支撑和钢梁前，孔底沉渣需清理干净，并在孔底浇筑一层混凝土整平，必要时在底部埋设注浆管进行注浆加固。
41.实施例7基于本发明实施例1提供的在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，进一步地，所述步骤s102中挖孔内空隙回填采用砂石回填，并宜辅以注浆措施；当底部管幕地基承载力或者刚度不足时，挖孔内空隙也可以浇筑混凝土或者对下部管幕底部土体进行水平加固。
42.实施例8基于本发明实施例1提供的在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，进一步地，所述步骤s101-s108中所述竖向钢支撑、横向和竖向钢梁均沿纵向设置连接杆或者剪刀撑连接成整体。
43.实施例9基于本发明实施例1提供的在饱和软土中暗挖修建大型地下结构的方法，进一步地，所述步骤s101-s108中所述竖向和水平钢支撑上的千斤顶可采用轴力自动补偿系统，施工过程根据变形监测情况，通过液压泵站和控制站，及时对每个千斤顶预加轴力进行适当调整，进一步控制沉降和水平位移。
44.在上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述或记载的部分，可以参见其它实施例的相关描述。
45.上述实施例中修建方法的为一典型示例，实施例仅用于进一步说明本发明方法的细节及其效果，并不对本发明构成限制。本行业技术人员在工程实施中可根据工程外部环境条件，结合工程地质和水文地质条件，进行相应的变换。如本发明方法并不仅局限于用在饱和软土地区大型地下结构当中，同样可以用于非饱和土或者硬质土层中，在小型地下结构中也同样具有适用性。
46.以上所述，仅为本发明较优的具体的实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。