CN111851507A - 一种桩拱转换结构体系的施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩拱转换结构体系的施工方法，步骤为既有地铁区间监测、基坑土石方开挖、切割拱形转换梁、制作加工转换梁钢筋、桩基作业和施作桩拱转换结构。采用桩拱转换结构跨过地铁区间，在桩拱转换结构与隧道顶部围岩之间设置缓冲层。本发明的桩拱转换结构体系可代替直梁加桩转换结构体系，其转换结构尺寸变小，转换结构本身荷载变小；充分发挥拱形结构受力优势，利用缓冲层分散围岩压力，对既有隧道影响变小。

Description

一种桩拱转换结构体系的施工方法

技术领域

本发明属于工程建造技术领域，具体一种桩拱转换结构体系的施工方法。

背景技术

随着城市地铁和国家铁路的发展，铁路车站近接既有地铁的施工问题日趋显著，特别是铁路站房上跨既有隧道的工程难题亟待解决。

现有技术通过直梁加桩的结构上跨既有隧道，在满足设计要求的前提下，直梁与桩所需截面尺寸大及桩的数量增加，配筋量增加，减小了梁的下缘与隧道拱顶之间的净距；施工中开挖土方量相应增加，对隧道扰动大；桩的直径和数量增加，使既有双洞隧道的中间夹岩施工扰动变大，对隧道受力不利；增加施工成本和工期。

发明内容

针对目前铁路站房上跨既有隧道的桩拱转换体系的施工方法还没有先例，本发明目的主要是解决桩施工对既有隧道的扰动，基坑开挖对既有隧道的扰动，大截面拱钢筋施工定位，大体积混凝土水化热等问题。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种桩拱转换结构体系的施工方法，包括如下步骤

（1）基坑土石方开挖：采用静力切割方式进行分层全面开挖，从而保证基坑整体性

（11）在转换拱梁上部2米范围采用金钢石绳锯链条配合水钻进行静力切割，转换拱梁上部其余区域采用大型岩石切割机进行竖向切割分离，使用大型勾机从侧面进行水平分离；

（12）土石方切割：采用3m岩石切割机进行分层切割，每层切割深度控制在1.5m以内，满足模拟验算的分层开挖3m的要求；

（2）切割拱形转换梁

（21）开挖边缘线：使用金钢石绳锯将拱形转换梁底部切割成斜面；

（22）进行钻孔施工：使用水钻对拱形转换梁进行局部修理，使其基坑底部成为拱形；

（23）人工进行边角修整：采用人工修整（人工剔凿并采用C20混凝土抹面），使其基坑底部成为拱形，从而将垫层施工完成；

（3）制作转换梁配筋：加工拱梁箍筋，针对拱梁尺寸提前三维放样，对其弧形进行尺寸控制，从而保证拱梁主筋的加工质量，提前对钢筋荷载进行验算，加工钢筋支架保证施工安全，在桩主筋周围均匀布置桩的配筋，然后浇注C45抗侵蚀混凝土；

（4）隧道监测

对基坑底部隧道进行水平净空收敛自动化监测、拱顶沉降自动化监测，对隧道结构水平/竖向位移、道床水平位移、道床沉降等进行人工监测，以及对施工振速进行自动化监测，同时对隧道结构裂缝进行现场巡视；

（5）桩基作业

根据砂岩地质条件，通过人工采用水钻进行挖孔桩施工，遇到原隧道锚杆时采用水钻进行静力切割，保证不对其隧道结构产生影响；

（6）桩拱转换

（61）采用桩拱转换结构跨过地铁区间，在桩拱转换结构与隧道顶部围岩之间设置缓冲层，以形成桩拱转换结构-缓冲层-围岩-隧道体系；

（62）分别加工拱梁主筋、拱梁底筋和拱梁面筋后通过拱梁箍筋组装成转换拱梁，然后针对拱梁尺寸提前三维放样，对其弧形进行尺寸控制，从而保证拱梁主筋的加工质量；

（63）对转换梁钢筋定位：根据转换梁底部拱形尺寸及钢筋长度，提前放样，并将钢筋接头位置放置在受力较小的1/3跨中位置；

（64）设置转换梁钢筋支架： 转换梁钢筋支架采用槽钢、角钢加工成型，横梁和立柱采用10#槽钢，柱脚板采用1m长14a#槽钢，斜撑采用50*50角钢长度600mm，横梁间距2.5m，立柱间距≤2.8m，立柱高度≤4.5m

（65）进行混凝土浇筑。

进一步，所述的步骤（1）中在基坑开挖过程中在轨道交通区间隧道埋设监测点，对区间隧道结构、拱顶、道床等结构的沉降、水平及竖向位移进行监测，并对开挖振速进行监测，模拟验算控制其振速为2cm/s，监测点按照1.5cm/s作为警戒值进行监测，从而确保基坑土石方开挖对轨道交通区间隧道结构的安全。

进一步，所述的步骤（1）中施工过程中按照分层对其基坑排水进行控制，基坑内采用明排方式，分别在坑定及坑底坡脚修建排水沟及集水井，并在基坑内放坡开挖，保证基坑积水可随时排向坑内集水井然后抽排至坑外，从而保证基坑的稳定及底部轨道交通区间隧道结构的稳定。

本发明的技术效果是：

1，优化基坑开挖方法，实时监测既有隧道变形，实现基坑开挖对既有隧道影响的控制。

2，基于数值模拟、模型试验、现场监测，形成桩拱转换结构—缓冲层—围岩—隧道相互作用体系关键技术。

3，基于三维放样，确保弧形钢筋加工精度；优化大体积混凝土配比，控制其水化热，防止大体积混凝土因温度应力而开裂；研制适用于密集钢筋下的自密实混凝土，最终形成大截面大直径拱梁施工质量控制技术。

本发明的桩拱转换结构体系可代替直梁加桩转换结构体系，其转换结构尺寸变小，转换结构本身荷载变小，从而简化施工，对既有隧道影响变小，而且改进技术采用桩拱转化体系，直梁变拱，充分利用拱型结构的受力优势，减小了截面尺寸，增加了梁与隧道之间的净距；减少了开挖方量及施工中对既有隧道的扰动。

附图说明

图1～图3依次为本发明转换梁切割的示意图；

图4为本发明转换梁拱顶的结构示意图；

图5为本发明转换梁拱顶与转换梁结合后的结构示意图；

图6为本发明桩拱转换结构的结构示意图；

图7～图8为本发明基坑底部隧道沉降监测点的示意图；

图9为本发明转换梁钢筋支架结构图；

图10为本发明转换梁钢筋支架节点结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

一般转换结构为直梁加桩转换体系，面临较大荷载时，直梁方案受力较大，结构设计尺寸较大，施工困难。目前采用桩拱转换结构体系可减小转换结构尺寸，施工简化。本发明为桩拱转换结构体系的施工方法，主要针对桩拱转换结构的基坑土石方开挖及对底部隧道的监测、大截面拱梁的钢筋绑扎及大体积混凝土浇筑。

拟建的重庆北站南站房及城市通廊均位于开通运营的暗挖段隧道轨道交通十号线上方，城市通廊将采用明挖法开挖，使得暗挖区间段由深埋隧道变为浅埋隧道，因此需要研究改造工程对暗挖区间隧道安全的影响。

应用本发明桩拱转换结构形式的施工项目，其桩基为人工挖孔桩，桩径2m、桩长12m，桩底持力层位于轨道交通区间隧道上部，且距离轨道交通十号线区间隧道最小距离只有2m，转换拱梁最大截面尺寸为4.5m，距离轨道交通十号线区间隧道最小距离只有2.5m。

本发明技术方案，主要为拱梁基坑开挖的尺寸及标高控制以及开挖过程中对既有隧道扰动的监测、桩基施工对既有隧道扰动的监测、拱梁大直径钢筋的加工、定位及安装以及大体积混凝土的水化热计算、配比及浇筑养护。

重庆北站地质为砂岩，岩石强度较硬，可达40Mpa左右，根据转换结构方案，其转换拱梁底部距离轨道交通十号线区间隧道最小距离只有2.5m，桩基距离轨道交通十号线区间隧道最小距离只有2m，因此在基坑土石方开挖过程中应采用静力切割方式，从而控制土石方开挖对底部轨道交通十号线区间隧道的影响。

（1）基坑土石方开挖。

为了保证基坑土石方开挖不影响底部轨道交通区间隧道结构，在施工过程中严格按照模拟验算对施工方案进行细化，采用静力切割方式：基坑土石方开挖采用分层全面开挖，从而保证基坑整体性。

转换拱梁及以上2米范围采用金钢石绳锯链条配合水钻进行静力切割，其余上部区域采用大型岩石切割机进行切割竖向分离，使用大型勾机从侧面进行水平分离。土石方切割采用3m岩石切割机进行分层切割，每层切割深度控制在1.5m以内，满足模拟验算的分层开挖3m的要求。

在基坑开挖过程中在轨道交通区间隧道埋设监测点，对区间隧道结构、拱顶、道床等结构的沉降、水平及竖向位移进行监测，并对开挖振速进行监测，模拟验算控制其振速为2cm/s，监测点按照1.5cm/s作为警戒值进行监测，从而确保基坑土石方开挖对轨道交通区间隧道结构的安全。

施工过程中按照分层对其基坑排水进行控制，基坑内采用明排方式，分别在坑定及坑底坡脚修建排水沟及集水井，并在基坑内放坡开挖，保证基坑积水可随时排向坑内集水井然后抽排至坑外，从而保证基坑的稳定及底部轨道交通区间隧道结构的稳定。

（2）拱形转换梁切割方法。

第一步：如图1所示，按照金钢石绳锯切割方法先施工至拱形转换梁底部，切割成斜面；

第二步：如图2所示，采用水钻对拱形转换梁进行局部修理，使其基坑底部成为拱形；

第三步：如图3所示，采用人工修整（人工剔凿并采用C20混凝土抹面），使其基坑底部成为拱形，从而将垫层施工完成。

（3）制作转换梁配筋。

如图4和图5所示，对其拱梁箍筋进行工厂化加工，从而控制箍筋的精度及质量，针对拱梁尺寸提前三维放样，对其弧形进行尺寸控制，从而保证拱梁主筋的加工质量，根据大截面钢筋较密情况，采用自密实混凝土浇筑，大体积防水混凝土施工时，应采取有效措施降低水化热，保证混凝土质量，桩孔施工至设计持力层时，请通知甲方会同勘测设计及有关质检人员共同验槽确认符合设计要求后，进行下道工序的施工。

（4）隧道监测。

如图6和图7所示，对基坑底部隧道进行水平净空收敛自动化监测，拱顶沉降自动化监测，隧道结构水平位移、竖向位移、道床水平位移、道床沉降等进行人工监测，施工振速进行自动化监测，隧道结构裂缝进行现场巡视。

桩基采用人工挖孔桩进行施工，根据砂岩地质条件，采用水钻进行施工，遇到原隧道锚杆采用水钻进行静力切割，保证不对其隧道结构产生影响。

（5）桩基作业。

根据砂岩地质条件，通过人工采用水钻进行挖孔桩施工，遇到原隧道锚杆时采用水钻进行静力切割，保证不对其隧道结构产生影响。

（6）桩拱转换。

转换结构在转换形式上，如果采用直梁加桩的转换方式，其梁底距离区间隧道拱顶最小距离将不足1米（转换荷载设计最大值约48000kN），且需要对区间隧道的支护锚杆进行切除，施工风险较大。

如果采用转换拱加桩跨过地铁区间的方式，转换拱拱底距离地铁区间拱顶最小距离可达2米以上，这将大大减小改造工程对区间隧道的影响。

由上可见该工程具有转换荷载大，采用直梁加桩转换挠度较大，转换体系自身施工风险大，而采用桩拱转换结构体系，提高了既有隧道安全性。因此对桩拱转换结构与地层之间的相互作用机理进行了专题研究，通过数值模拟和模型试验基本明确了桩拱转换结构-缓冲层-围岩-隧道体系相互作用机理，首先通过数值计算，分析了基坑开挖后既有隧道深埋变为浅埋后的影响和后期桩拱转换结构自重和上部荷载对区间隧道的影响，证明桩拱转换结构的可行性。后期施工过程中根据数值计算结果对土石方开挖的深度及开挖方式进行细化，从而控制其对区间隧道的影响。但为了进一步认识施工过程中桩拱转换体系受力机理，通过现场监测施工过程中既有隧道和桩拱转换结构内力、变形，保证既有隧道的安全和控制桩拱转换结构变形，实现动态设计施工。

本课题的转换拱梁分为三种，其中最大截面的转换拱梁尺寸为4.2m×4.5m，根据轨道交通区间隧道其拱形位置的角度分别为94.44°及102.36°，不仅梁截面尺寸较大并且钢筋直径较大，钢筋较密，拱梁面筋为72根直径40mm的HRB400钢筋，底筋为96根直径40mm的HRB400钢筋。其拱梁钢筋的制安及大体积混凝土浇筑为施工质量控制重点。针对本课题的施工难度，对其拱梁箍筋进行工厂化加工，从而控制箍筋的精度及质量，针对拱梁尺寸提前三维放样，对其弧形进行尺寸控制，从而保证拱梁主筋的加工质量，提前对钢筋荷载进行验算，加工钢筋支架保证施工安全。针对钢筋较密的大体积混凝土浇筑，提前与搅拌站对接，对混凝土配合比进行试配，采用自密实混凝土从而控制混凝土浇筑质量。

转换梁钢筋定位：根据转换梁底部拱形尺寸及钢筋长度，提前放样，并将钢筋接头位置放置在受力较小的1/3跨中位置。

转换梁钢筋型钢支撑：如图9和图10所示，转换梁钢筋支架采用槽钢、角钢加工成型，横梁和立柱采用10#槽钢，柱脚板采用1m长14a#槽钢，斜撑采用50*50角钢长度600mm，横梁间距2.5m，立柱间距≤2.8m，立柱高度≤4.5m。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解；其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (3)

1.一种桩拱转换结构体系的施工方法，其特征在于：包括如下步骤

（1）基坑土石方开挖

（11）在转换拱梁上部2米范围采用金钢石绳锯链条配合水钻进行静力切割，转换拱梁上部其余区域采用大型岩石切割机进行竖向切割分离，使用大型勾机从侧面进行水平分离；

（12）采用岩石切割机进行分层切割，每层切割深度控制在1.5m以内；

（2）切割拱形转换梁

（21）开挖边缘线：使用金钢石绳锯将拱形转换梁底部切割成斜面；

（22）进行钻孔施工：使用水钻对拱形转换梁进行局部修理，使其基坑底部成为拱形；

（23）人工边角修整：采用人工剔凿并用C20混凝土抹面，使底部成为拱形；

（3）制作转换梁配筋：

加工拱梁箍筋，针对拱梁尺寸提前三维放样，提前对钢筋荷载进行验算，加工钢筋支架，在桩主筋周围均匀布置桩的配筋，然后浇注抗侵蚀混凝土；

（4）隧道监测

对基坑既有隧道进行水平净空收敛自动化监测、拱顶沉降自动化监测，对隧道结构水平/竖向位移、道床水平位移、道床沉降进行人工监测，以及对施工振速进行自动化监测，同时对隧道结构裂缝进行现场巡视；

（5）桩基作业

根据砂岩地质条件，通过人工采用水钻进行挖孔桩施工，遇到原隧道锚杆时采用水钻进行静力切割；

（6）桩拱转换

（61）采用桩拱转换结构跨过地铁区间，在桩拱转换结构与隧道顶部之间设置缓冲层；

（62）分别加工拱梁主筋、拱梁底筋和拱梁面筋后通过拱梁箍筋组装成转换拱梁，然后对其弧形进行尺寸控制；

（63）对转换梁钢筋定位，设置转换梁钢筋支架，最后进行混凝土浇筑。

2.根据权利要求1所述的一种桩拱转换结构体系的施工方法，其特征在于，所述的步骤（1）中在基坑开挖过程中在轨道交通区间隧道埋设监测点，对区间隧道结构、拱顶、道床等结构的沉降、水平及竖向位移进行监测，并对开挖振速进行监测，模拟验算控制其振速为2cm/s，监测点按照1.5cm/s作为警戒值进行监测，从而确保基坑土石方开挖对轨道交通区间隧道结构的安全。

3.根据权利要求1所述的一种桩拱转换结构体系的施工方法，其特征在于，所述的步骤（1）中施工过程中按照分层对其基坑排水进行控制，基坑内采用明排方式，分别在坑定及坑底坡脚修建排水沟及集水井，并在基坑内放坡开挖，保证基坑积水可随时排向坑内集水井然后抽排至坑外，从而保证基坑的稳定及底部轨道交通区间隧道结构的稳定。

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