CN1021986C - 修建大型地下空间的方法 - Google Patents

Abstract

一种修建大型地下空间的方法，包括相对地下空间底纵梁的位置开挖下导洞，施作底纵梁；打边桩孔及中柱孔并施作边桩及中柱；相对顶纵梁位置开挖上导洞并于中柱端头施作顶纵梁；在地下空间顶部打超前管棚并施作顶部衬砌；开挖顶层作顶层衬砌；开挖底层并施作初衬。本方法安全简便、成本低，可用于多层多跨大型地下空间的修建。

Description

本发明涉及一种修建大型地下空间的方法，尤其涉及一种在软弱土质地层利用浅埋暗挖的方式施作大断面隧道，地下洞室，地铁车站及类似的地下工程的方法。

西德专利说明书DT2531832中公开了一种施作大断面隧道的方法，该方法是将要开挖的隧道断面分成两部分，其断面的中心部分先保留不挖，并用两排垂直支撑物将其维持住;而围绕中心部分的***部分则在开挖后用与欲开挖隧道断面相同的支护维护住，最后开挖中心部分。这种开挖方法不能保证开挖作业是在基本成型的永久衬砌下进行，尤其是这种方法对于多层多跨的地下建筑工程是不适用的。此外，在地下建筑埋置较浅，也就是距地表很近时，采用该方法将对地表引起很大扰动，这将大大地限制其使用范围。

美国专利说明书US4365913中公开了一种用于修筑从一个地下通道开始的地下垂直墙结构的方法和装置，该方法是与欲建造的地下通道横断面宽度相等地开挖两条入口竖井，从竖井底部用大功率液压推进器将预制管推入地层中，预制管的直径可达2米，其下部设有足以供后续工序操作使用的开口，然后沿所述开口向下开挖建筑垂直墙的纵沟，并于其中设置钢支撑件，最后向纵沟及预制管内灌注混凝土，至此完成垂直墙，再用同样的方法在已完成的垂直墙的上部呈拱形地推入其它预制管，并将其相互连接并注入混凝土，即形成地下通道的断 面，在其支护下开挖其中的土层即可。但采用这种方法必须开设工作室，即其中的入口竖井，这将占据大面积的地面，对于地表是固定建筑物或是公路等的情况，这是不允许的。此外随着推入管子的增加，推力与管子周边阻力抵消时，则必须再开设中继工作室或增设推力竖井。此外这种方法在管子的推进过程中对地表总有扰动。上述缺陷都将限制该方法的使用。

欧洲专利说明书EP0332799公开了一种用格形拱顶建筑大跨度巷道的方法。该方法共分九步，首先在拱脚处开挖相互平行并与欲开挖巷道中心线平等的两条巷道，然后在拱顶处打入管子，并将前述两条巷道向下挖同时浇注拱脚;第三、四步是开挖管子下的拱顶部分并浇注支撑拱顶和向管子内注混凝土;第五、六步开挖拱顶和侧边，并绕注侧边;第七至九步在已形成的支护下挖空其中的土层，并封闭底板。但这种方法对于建筑一跨一层的地下工程来说，要修两条辅助施工的巷道，而这两条巷道部需要临时支护，随着施工的进行，最后又要拆除这两条巷道，即打掉临时支护。这样，不但使工程成本大幅度增加而且要延长施工周期，造成人力和物力的浪费。同样，采用这种方法时，需要先开挖两条巷道，这种巷道的开挖同样会引起地表下沉。除此外，该方法用于多层多跨的地下建筑的建造是很困难的。

与EP0332799公开内容类似的是1987年第11期《铁道建筑》中《用“眼镜法”处理大跨度隧道坍方的尝试》中所公开的方法。该方法的实质是新奥法，但当将新奥法用于浅土层施作时，在地下每一分部开挖一个小断面，都会对地面形成扰动，都易引起地表的沉降。尤其是这种方法的施工速度慢，而且工程造价高。

针对上述现有技术之不足，遂有本发明。本发明的目的在于提供一种对地表层扰动小可用于建筑多层多跨式地下建筑的建造大断面地下洞室的方法。

本发明的目的由下述技术解决方案实现：

一种修建大型地下空间的方法，包括以下几个步骤：

a.沿地下工程的纵向于其底部开挖贯穿其全长的下导洞，随着开挖向前推进对下导洞部分进行临时支护，在临时支护已完成的下导洞内施作地下工程的底纵梁;

b.沿地下工程横截面的两侧及与上述底纵梁相对应处开挖钻孔，该钻孔垂直于底纵梁，沿地下工程的纵向相间设置，然后在各所述钻孔中浇注混凝土从而形成座落于底纵梁上的中柱及地下工程的护壁边桩;

c.沿地下工程纵向于其顶部开挖贯穿其全长的上导洞，随着开挖向前推进，对上导洞部分进行临时支护，在具有临时支护的上导洞内施作地下工程的顶纵梁;

d.与上导洞相平地于上导洞之间打超前管棚，对地层进行预加固注浆，然后开挖上导洞之间的部分，并对开挖出的部分进行临时支护从而形成中洞;

e.在上导洞远离中洞侧至护壁边桩之间打纵向超前管棚，对地层进行预加固注浆，然后开挖管棚下部分并对开挖出的部分进行临时支护，从而形成侧洞，然后凿除上导洞的临时支护;

f.从所述中洞及侧洞向下开挖至地下工程第一层高度，对所形成的空间进行衬砌并铺注底板;

g.于所形成的地下工程第一层向下开挖地下工程的第二层，在凿除下导洞的临时支护后，对第二层进行衬砌并铺注底板。

地下工程上层拱顶距地表的距离应大于开挖洞径的二分之一。

上导洞及下导洞的顶部为拱形，其横截面大于施作并容纳顶、底纵梁的空间。

上述方法的开挖钻孔可以从地表向下进行。

在上述步骤中，开挖下导洞后即开挖上导洞，然后从各上导洞内向下开挖钻孔。

以开挖边桩孔及中柱孔，于中柱孔底扩孔，于所述孔中浇注混凝土，形成边桩及带扩孔桩墩的中住代替上述方法中的a、b步骤。

上述方法中的护壁边桩间距为1米。

加固地层的浆液为水玻璃和水泥的混合物或水玻璃和氢氧化钠的混合物。

上述方法的临时支护是先铺设钢筋骨架然后喷混凝土而形成。

上述方法中的顶纵梁之间可以加一个横向拉结装置，该装置在顶纵梁间架设工字钢或槽钢，其两端与顶纵梁固连。

在侧洞形成后，于其临时支护与护壁边桩结合 处打扇形孔安装注浆锚杆，并进行注浆加固。

上述方法的中柱可以为钢管混凝土桩。

上述方法还可以从中洞及侧洞中沿欲建造的地下工程的横向宽度向下开挖，并随着开挖设置横向支撑，直至该工程的末层底板处，然后浇注该底板，并沿该底板向上浇注侧壁及中间各层的底板，以此代替其中f、g步骤。

由于本发明所提供的技术解决方案是采用上、下导洞的方法施作顶底纵梁，因此这些导洞的横断面只要能容纳并可于其中施作顶底纵梁即可。这样，上、下导洞的横断面积就比较小，从而减轻了施工中对地表的扰动。由于本发明方法只是根据所建项目的结构设置上、下导洞，尤其是导洞的一部分亦构成地下建筑的一部分，因此在施工中需要凿除的临时支护的量大大减少，这将直接反映为工程造价明显降低（即本发明方法的施工造价为新奥法的1/2或1/3），施工速度明显增加（与普通的盖挖法相当），大大减少了浪费。

由于按照本发明方法是在顶、底纵梁、边桩和中柱形成之后，在超前管棚下施作拱顶衬砌。这样便首先形成了所建工程的初步的整体结构，这种结构对于后续工序而言是一种稳定的支护结构，以后的工序均于其下进行。这样在以后的大断面开挖过程中，首先，是一切操作与施工均在已成型的支护下进行，从而提高了施工的安全，不会出现坍方等事故;其次，是在这种支护结构下的开挖不会对地表产生扰动，即地表不会有沉降。

由于按照本发明的方法是先打上、下导洞，再设边桩、中柱。因此，利用本发明的方法可以建造多层、多跨的多种用途及功能的地下建筑。根据所需建筑的工程的不同，设置不同的导洞数目，甚至于在地质情况允许的情况下可以不设置下导洞，而采用将中柱孔底扩孔的方法形成带扩孔桩墩的中柱，以代替底纵梁。

总之，本发明所提供的方法与现有技术相比具有：施工安全简便，结构受力明确，施工速度快，工程造价低，施工过程中对地表的扰动小。

本发明所述的修建大型地下空间的方法的其它效果及细节将随着下面结合诸附图对本发明实施例的描述而变得更加清晰。其中：

图1至8是本发明所述方法建造一座双层三跨地下铁道车站的表示其各步骤的剖视示意图;

图9至10是本发明另一实施例中表示两个步骤的剖示图;

图11是本发明的又一个实施例的示意图。

实施例一

参见图1，其中虚线表示一座双层三跨地下铁道车站的横截面轮廓。该车站为双层三跨式结构，其下层的底部和上层的顶部分别设置两条贯穿车站全长的底纵梁1和顶纵梁2。根据本发明所述方法，首先从地表向下打竖井，然后通过地下横巷到达欲建车站的位置。此时，如图1所示，在铺设底纵梁1的位置开挖两条下导洞3，两条下导洞3的垂直对称中心线与底纵梁1的垂直对称中心线重合。因此，下导洞3的上述中心线之间的的距离即为底纵梁1上述中心线间的距离。下导洞3的横截面积则根据车站原设计底纵梁1的横截面积的大小来确定，从图1中可以看出，其大小应在容纳底纵梁1的同时还要留有足够的施工空间，以保证在下道工序中能够顺利地施作底纵梁1。下导洞3采用随开挖随支护的方法向前开挖。在本实施例中，下导洞3的支护为临时支护，因而采用先铺设钢筋骨架，然后于其上喷射混凝土的方法来实现。本例中是下导洞3的横断面形状为下部是矩形，上部为拱形，即马蹄形。至此可知。由于本发明所述方法首先开挖铺设底纵梁1用的下导洞3，故开挖断面与现有技术相比（如新奥法中的眼镜工法）明显减少，因此对地表的影响也明显减少。

下面参照图2，在底纵梁3完成后，即可从地表垂直于底纵梁3向下钻进钻孔。从图2中可见，本实施例中共设4排钻孔。即位于车站侧壁外的护壁边桩孔4和正对着底纵梁3纵向中心线设置的中柱孔5。在开挖护壁边桩孔4和中柱孔5时可根据地表情况分步施工，如可先从图2中左侧向右侧逐排开挖各孔。当然，在情况允许时亦可两排甚至于四排孔一起同时开挖。本例中护壁边桩孔4的纵向间距为1米，孔径600毫米左右。由此可知，本发明方法在施工中对地表的破坏及侵占很小，因此对于地面的交通，建筑等影响与现有技术中的明挖法或盖挖法的影响相比大大减少。

在本例中，中柱孔5的纵向孔间距则根据车站原始设计中柱7的距离而定。在上述钻孔完成后即可向其中倾注混凝土，从而浇注出护壁边柱6和中柱7，浇注高度依所需施工的地下工程要求而定。 浇注后及时回填残孔。

图3表示按照本发明开挖上导洞8，铺设顶纵梁9的方式。从中可以看出，上导洞8的开挖，临时支护及对顶纵梁9的浇注与图1所示的下导洞3的开挖等基本一样，只是将浇注底纵梁1变成浇注顶纵梁9。故在此不对其具体细节予以细述，但至此，采用本发明的方法已将所需建的车站结构的支撑结构完成。

图4表示顶纵梁9完成后，即可从顶纵梁9的一端，在上导洞8之间沿纵向根据需建造的车站的拱顶形状向地层中打入扇形排布的超前管棚10，各根管均向上（即向地表方向）倾斜一个角度，本实施例中为上倾10-13°，且每管上均设有许多贯穿其壁厚的通孔。在超前管棚打好后，即可通过这种管棚向车站上方的土质层中进行注浆加固。然后即可开挖超前管棚10以下，两条上导洞8的相对侧壁间所围绕的空间，从而形成中洞11，然后再在超前管棚10的下面施作临时支护，即架设钢筋骨架然后再喷射混凝土。反复重复上述过程直至挖出贯穿车站纵向全长的中洞11，即采用循环步的方法形成中洞11。

本实例中所用的超前管棚10中的每根管上，均沿管轴线在其圆周方向上相间设有许多小通孔，注浆液即从管子中的通孔供入这些小孔，然后注入管子周围的地层中。对于沙砾石地质条件，本实施例采用水玻璃加水泥混合而成的注浆液，而对于沙层则采用水玻璃加氢氧化钠混合而成的浆液。注浆压力为0.5MP左右。

另外，在开挖出中洞11的同时，即要用拉结装置对两条顶纵梁2予以拉结，以承受上面地层所产生的载荷。在本实例中，采用了工字钢或槽钢做为拉结元件13，将其两端分别固定到两条顶纵梁2上，从而有效地增加了两条顶纵梁2的稳定性。同时，本实施例中，还在拉结元件13上设有地层压力显示装置14，通过装置14所显示的参数不断调整开挖方式或进度、支撑刚度等参数，以保证施工安全顺利。

图5表示采用图4所示的开挖中洞的方法来开挖两侧洞15和16。在开挖侧洞15和16的同时，在侧洞拱脚处打管状注浆锚杆17，锚杆17呈扇形分布。本实施例中所用锚杆长2米左右，采用与管棚注浆相同的工艺条件向锚杆17内注浆，从而在拱脚处形成加固地层带。然后凿除上导洞8的临时支护。至此，采和本发明方法施工时，已形成了以顶、底纵梁1和2，护壁边桩6以及中柱7组成的支承结构，在该结构上覆盖由超前管棚10和临时支护20组成的拱盖后，即构成了一个可以稳定地支承地层载荷的支护结构，使得本发明方法的其它步骤均在此支护结构下进行。这不仅明显、有效地控制了地层的沉降，而且为后继施工操作提供了安全稳定的作业空间。

图6则表示在凿除上导洞8的临时支护后，即可开挖本实施例地下铁道车站的站厅层（或称上层或第一层），同时作出站厅层的二次衬砌及站厅层的地板。这一步完成以后，该地下工程的整体结构进一步稳定，因此即可开挖站台层（或称下层或称第二层）。参见图7所示，同时可凿除两条下导洞3的临时支护。然后，如图8所示的那样，浇注站台层的二次衬砌，并封闭底板。

至此，采用本发明的方法施工的地下铁道双层三跨站台的主体结构竣工，从上述各步骤可以清楚地看出，采用本发明方法施工时，需要凿除的临时支护很少，仅仅是两条上导洞8和两条下导洞3的一部分。因为上导洞8的上部及下导洞3的下部分别为顶纵梁2和底纵梁1的一部分，不需要凿除;同时导洞的截面积是优选的。所以凿除工作量小，浪费自然小，成本必然低。这也是通过本实施例可以明显看出的本发明方法区别于现有技术中其它浅埋暗挖法的实质性区别之一，同时也是显著的技术进步之一。

实施例二

当需施作的地下工程的上面是建筑物或其它不允许破坏的物体时，就不能如实施例一中那样从地表向下钻孔浇注护壁边桩和中柱了。

针对地表不允许破坏的情况，逐有本发明方法实施例二。如图9和图10所示。

在本实施例中，除打护壁边桩孔和中柱孔之外，其它步骤均与实施例一中对应的步骤相同。因此在此仅对区别之处予以详细描述。

参见图9可知，本实施例是在开挖下导洞3并浇注底纵梁后1后，即在对应着实施例一图3中上导洞8的地方开挖同样的上导洞8，同时对应着护壁边桩的上端处开挖出相应的侧导洞18。侧导洞18的施作方法及结构与上、下导洞8和3一样， 在侧导洞18形成后即可于上导洞8和侧导洞18内向下开挖护壁边桩孔4和中柱孔5，然后浇注护壁边桩6和中柱7，具体条件与要求同实施一。

见图10，在护壁边桩6和中柱7形成后，即可在上导洞8中浇注顶纵梁2;在侧洞18中浇注边桩顶纵梁19。以后的步骤同实施例一，但在凿除上导洞8的洞时还需要凿除边桩上的侧导洞18。

实施例三

图11表示利用本发明方法建造地下建筑的又一个实施例。在该实施例中，可以不作下导洞，而是直接从地表向下打边柱孔和中柱，中柱孔的孔底扩孔，形成中柱的扩底桩墩腔，然后如前述实施例一样进行浇注，形成带扩底桩墩的中柱。即在本实施例中的扩底桩墩代替了底纵梁，其余的步骤与第一实施例相同。

为描述本发明方法而举例上述三个实施例，但这些实施例仅用于进一步说明本发明方法的细节及其效果，并不对本发明的方法构成限制。本发明方法的基础上，本领域普通技术人员均可采用本发明的方法施作多层多跨的地下工程，尤其是本发明方法并不仅仅局限于用来施作地下铁道车站，该方法同样可以用于施作地下购物中心，地下城或其它功能的地下建筑工程。除此之外，采用本发明的方法施工时，可采用顺筑法施工。这种变换是本领域普通技术人员无需创造性劳动均可完成的一般施工步骤设置，这种变换当属本发明方法范围之内。

Claims (11)

1、一种修建大型地下空间的方法，包括：

a.沿地下工程的纵向于其底部开挖贯穿其全长的下导洞，随着开挖向前推进对下导洞部分进行临时支护，在临时支护已完成的下导洞内施作地下工程的底纵梁；

b.沿地下工程横截面的两侧及与上述底纵梁相对应处开挖钻孔，该钻孔垂直于底纵梁，沿地下工程的纵向相间设置，然后在各所述钻孔中浇注混凝土从而形成座落于底纵梁上的中柱及地下工程的护壁边桩；

c.沿地下工程纵向于其顶部开挖贯穿其全长的上导洞，随着开挖向前推进，对上导洞部分进行临时支护，在具有临时支护的上导洞内施作地下工程的顶纵梁；

d.与上导洞相平行地于上导洞之间打超前管棚，对地层进行预加固注浆，然后开挖上导洞之间的部分，并对开挖出的部分进行临时支护从而形成中洞；

e.在上导洞远离中洞侧至护壁边桩之间打纵向超前管棚，对地层进行预加固注浆，然后开挖管棚下部分并对开挖出的部分进行临时支护，从而形成侧洞，然后凿除上导洞的临时支护；

f.从所述中洞及侧洞向下开挖至地下工程第一层高度，对所形成的空间进行衬砌并铺注底板；

g.于所形成的地下工程第一层向下开挖地下工程的第二层，在凿除下导洞的临时支护后，对第二层进行衬砌并铺注底板。

2、如权利要求1所述的方法，其特征在于，地下工程第一层的拱顶距地表的距离应大于开挖洞径的二分之一。

3、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述上导洞及下导洞的顶部为拱形，其横截面大于施作并容纳顶、底纵梁的空间。

4、如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，开挖钻孔从地表向下进行。

5、如权利要求1或3所述的方法，其特征在于，开挖下导洞后即开挖上导洞，然后从各上导洞内向下开挖钻孔。

6、如权利要求1或2所述的方法，其特征在于，护壁边桩间距为1米。

7、如权利要求1所述的方法，其特征在于，加固地层的浆液为水玻璃和水泥的混合物或水玻璃和氢氧化钠的混合物。

8、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述临时支护是先铺设钢筋骨架然后喷混凝土而形成。

9、如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述横向拉结装置在顶纵梁间架设工字钢或槽钢，其两端与顶纵梁固连。

10、如权利要求1所述的方法，其特征在于，在侧洞形成后，于其临时支护与护壁边桩结合处打扇形孔安装注浆锚杆，并进行注浆加固。

11、如权利要求1所述的方法，其特征在于，中柱为钢管混凝土桩。

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