阅读说明：本技术 一种用于盾构隧道基础上的扩挖结构及其施工方法 (Expanding excavation structure for shield tunnel foundation and construction method thereof ) 是由 安建永 金昕 雷海波 管晓明 李研科 尹鸿威 赵文科 杨晓东 刘旭 王岗 于 2020-03-04 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于盾构隧道基础上的扩挖结构及其施工方法,扩挖结构包含隧道扩挖轮廓线处的拱架、连接于拱架内部管片中的支撑结构、连接于拱架与支撑结构间的支撑件；支撑结构包含位于隧道开挖轮廓横断面中心处的田字架、连接于田字架外周交点处的伸长杆、加强件和附加件。本发明通过在盾构施工的基础上进行扩挖施工,利于节省工时且便于前期支撑结构的安装,保证扩挖时的施工质量；通过支撑结构的设置,利于扩挖时提供支撑基础,且支撑结构上田字架可使得构件整体均匀受力和适应不同形式的设计断面；通过支撑件的设置,利于在分区扩挖的同时进行同步支撑；通过分区开挖和自上而下的开挖方式,保证了扩挖的有序性,利于保证扩挖质量。(The invention discloses an expanding excavation structure used on a shield tunnel foundation and a construction method thereof, wherein the expanding excavation structure comprises an arch center at an expanding excavation contour line of a tunnel, a supporting structure connected in a segment inside the arch center and a supporting piece connected between the arch center and the supporting structure; the support structure comprises a frame located at the center of the cross section of the tunnel excavation profile, an extension rod connected to the outer peripheral intersection of the frame, a reinforcement member and an attachment member. According to the invention, the expanding excavation construction is carried out on the basis of the shield construction, so that the working time is saved, the installation of a supporting structure at the early stage is facilitated, and the construction quality during expanding excavation is ensured; the support structure is favorable for providing a support foundation during expanding excavation, and the support structure can be put on the Chinese character tian-shaped frame to ensure that the whole member is uniformly stressed and can adapt to design sections in different forms; the supporting piece is arranged, so that synchronous supporting is facilitated while the partition is expanded and dug; through the partition excavation and the top-down excavation mode, the orderliness of expanding excavation is guaranteed, and the expanding excavation quality is guaranteed.)

一种用于盾构隧道基础上的扩挖结构及其施工方法

技术领域

本发明属于轨道交通施工技术领域，特别涉及一种用于盾构隧道基础上的扩挖结构及其施工方法。

背景技术

在城市轨道建设过程中，盾构地铁隧道穿越市区越发常见，“盾构法”具有施工安全性高、施工速度快、对周围环境影响较小等特点，因此在地铁建设中得到越来越广泛的应用。然而，在大断面或不同形式的断面隧道施工中盾构法往往不能一步到位，需要进一步扩挖。

如今，在国内的大断面或不同形式隧道扩挖方法主要有CD法、CRD法和台阶法等，施工过程中易造成开挖洞口周边变形和沉降，且以上方法多为独立应用缺少和盾构法联用的设计不能很好地节约施工工时。此外，在土质特殊地区开挖或扩挖时均需前期对土体进行加固处理以满足施工需求。

发明内容

本发明提供了一种用于盾构隧道基础上的扩挖结构及其施工方法，用以解决在盾构法施工的基础上进行扩挖施工，扩挖施工的支撑安全、扩挖施工的开挖和连接顺序以及特殊土体的加固施工等技术问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种用于盾构隧道基础上的扩挖结构，包含隧道扩挖轮廓线处的拱架、连接于拱架内部管片中的支撑结构、连接于拱架与支撑结构间的支撑件；

在隧道开挖的纵向相邻支撑结构间连接有纵向支撑件，所述纵向支撑件为直杆件且对称连接于支撑结构上；支撑结构包含位于隧道开挖轮廓横断面中心处的田字架、连接于田字架外周交点处的伸长杆、连接于相邻伸长杆间的加强件、以及至少连接于田字架一侧边并与田字架并列连接的附加件；所述伸长杆与支撑件对应连接且均可拆卸拼装连接；

所述支撑件为杆件并间隔可拆卸连接于隧道开挖轮廓线的拱架上，支撑件对应扩挖区分阶段连接。

进一步的，所述伸长杆在田字架外侧关于田字架竖向中心线对称设置；伸长杆为工字形杆或H形杆，伸长杆最外端部连接有方形板；方形板可拆卸连接盾构隧道后的管片或开挖后的支撑件。

进一步的，所述附加件为直杆件，附加件的两端部可拆卸连接于盾构隧道后的管片上或开挖后的支撑件上。

进一步的，所述加强杆关于田字架竖向中心线和/或横向中心线对称设置，加强杆在两伸长杆间且加密布置。

进一步的，所述支撑件包含连接于伸长杆外侧的左上斜支杆、左上支杆、左中支杆、左下斜支杆、上中支杆、右上支杆、右上斜支杆、右中支杆、右下斜支杆和下中支杆，所述左上支杆、左中支杆、右上支杆和右中支杆为水平直杆，所述下中支杆和上中支杆为竖向支杆，所述左上斜支杆、左下斜支杆、右上斜支杆和右下斜支杆为斜向直杆。

进一步的，扩挖区包含左上扩挖区、右上扩挖区、左下扩挖区、右下扩挖区和下扩挖区，所述左上扩挖区对应左上斜支杆、左上支杆和左中支杆支撑连接，右上扩挖区对应上中支杆、右上支杆、右上斜支杆和右中支杆支撑连接，左下扩挖区和右下扩挖区分别对应左下斜支杆和右下斜支杆支撑连接，下扩挖区对应下中支杆支撑连接。

进一步的，所述左上扩挖区、右上扩挖区、左下扩挖区、右下扩挖区和下扩挖区依次开挖，其中，左下扩挖区和右下扩挖区对称开挖；各扩挖区施工断面呈台阶状。

进一步的，用于盾构隧道基础上的扩挖结构的施工方法，具体步骤如下：

步骤一、在盾构机开挖隧道后并完成管片安装，而后根据管片尺寸预制安装支撑结构；其中，支撑结构中加强件和附加件依据设计支撑受力间隔或加密设置；支撑结构安装后，在相邻的支撑结构间连接纵向支撑件；

步骤二、待隧道外侧土体符合扩挖要求后，进行左上扩挖区的开挖作业，拆除盾构隧道中左上部管片，其中左上部管片拆除范围对应支撑结构中田字架左侧的中部和上部伸长杆的位置，且随着开挖进行同步安装左上斜支杆、左上支杆和左中支杆；对开挖面土体及周边土体进行初喷加固，并安装拱架；

步骤三、开挖右上扩挖区，拆除盾构隧道中右上部管片，右上部管片对应拆除范围为田字架上中部、右侧的中部和上部伸长杆的位置，且随着开挖进行同步安装上中支杆、右上支杆、右上斜支杆和右中支杆；对开挖面土体及周边土体进行初喷加固，并安装拱架；新安装拱架与左上部已安装拱架可拆卸连接；

步骤四、开挖左下扩挖区和右下扩挖区，两个开挖区对称开挖，对应拆除盾构隧道中左下部和右下部管片，且随着开挖进行同步安装左下斜支杆和右下斜支杆；对开挖面土体及周边土体进行初喷加固，并安装拱架；新安装拱架分别与左上部和右上部已安装拱架可拆卸连接；

步骤五、继续开挖下扩挖区，对应拆除盾构隧道中下部管片，且随着开挖进行同步安装下中支杆；对开挖面土体及周边土体进行初喷加固，并安装拱架；新安装拱架分别与左下部和右下部已安装拱架可拆卸连接；由此完成扩挖结构的施工安装。

进一步的，对于步骤一中开挖土体和步骤二中将设计扩挖区土体存在含水量高，土体颗粒松散且低于施工设计强度，通过土体冻结法和/或注浆加固法进行强度的提高。

进一步的，对于步骤三、步骤四和步骤五中左上扩挖区、右上扩挖区、左下扩挖区、右下扩挖区和下扩挖区中各自拱架安装完成后均与同一位置的前一榀拱架连接，首榀拱架安装时连接有侧向临时支撑。

本发明的有益效果体现在：

1）本发明通过在盾构施工的基础上进行扩挖施工，利于节省工时且便于前期支撑结构的安装，保证扩挖时的施工质量，避免扩挖易引起的洞口变形和沉降；

2）本发明通过支撑结构的设置，利于扩挖时提供支撑基础，且支撑结构上田字架可使得构件整体均匀受力；支撑结构上的伸长件利于适应不同形式的隧道设计断面，支撑结构上的加强件和附加件均可有效提升整体或局部结构的支承和受力；

3）本发明通过支撑件的设置，利于在分区扩挖的同时进行同步支撑，保证扩挖的安全性和与伸长件连接受力的一体性；

4）本发明通过分区开挖和自上而下的开挖方式，保证了扩挖的有序性，利于保证扩挖质量；其中扩挖过程中对于分区分部安装的拱架，起到了定型和支护的作用，纵向相邻的拱架间的纵向支撑件的连接，保证了隧道施工的整体性；

5）本发明在扩挖或开挖施工前对土体进行冻结或注浆等加固方法的处理，利于提高隧道成型质量，保证施工顺利进行；

此外，本发明支撑结构间、支撑件以及纵向支撑件间均可拆卸连接，便于大批量预制和适应现场施工条件，极大的节省施工成本和时间；本发明的其它特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解；本发明的主要目的和其它优点可通过在说明书中所特别指出的方案来实现和获得。

附图说明

图1是盾构机开挖隧道施工示意图；

图2是支撑结构连接结构示意图；

图3是支撑结构示意图；

图4是相邻支撑结构连接示意图；

图5是左上扩挖区中拱架与支撑结构连接示意图；

图6是右上扩挖区中拱架与支撑结构连接示意图；

图7是左下扩挖区和右下扩挖区中拱架与支撑结构连接示意图；

图8是下扩挖区与支撑结果连接示意图；

图9是伸长杆端部示意图；

图10是伸长杆连接示意图；

图11是支撑件与拱架连接示意图。

附图标记：1-拱架、2-管片、3-支撑结构、31-田字架、32-伸长杆、33-加强件、34-附加件、4-左上扩挖区、5-左中支杆、6-左上斜支杆、7-左上支杆、8-右上扩挖区、9-上中支杆、10-右上斜支杆、11-右上支杆、12-右中支杆、13-左下扩挖区、14-右下扩挖区、15-左下斜支杆、16-右下斜支杆、17-下扩挖区、18-下中支杆、19-反力架、20-盾构机、21-土体、22-纵向支撑件。

具体实施方式

以某车站暗挖隧道为例，暗挖隧道里程范围约为18m，拱顶距地面高度约为16m，全段为直线，无上下坡。暗挖隧道开挖尺寸10m（宽）×9m（高）。暗挖隧道施工方法采用先盾构后扩挖施工，隧道结构采用复合式衬砌，初期支护采用C25喷射混凝土、钢格栅、钢筋网和锚杆。初支厚度为300mm，隧道周围设置厚度不小于3m的冻结壁，隧道端头与盾构交接处设置厚度不小于4m的冻结壁。初期支护与二衬之间设置防水层。二衬采用C35（p10）防水钢筋混凝土，二衬厚度为500mm。

如图1所示，在通过盾构机20在冻结后的土体21上进行掘进施工，盾构机20尾部通过反力架19提供推进时的动力，在盾构机20施工过程中对形成的开挖洞口同时铺设管片2，管片2通过混凝土浇筑而成并提前预制。如图2所示，盾构施工完成后，在管片2内部安装支撑结构3。

如图3和图4所示，支撑结构3包含位于隧道开挖轮廓横断面中心处的田字架31、连接于田字架31外周交点处的伸长杆32、连接于相邻伸长杆32件的加强件32、以及至少连接于田字架31一侧边并与田字架31并列连接的附加件32；所述伸长杆32与支撑件对应连接且均可拆卸拼装连接。在隧道开挖的纵向相邻支撑结构3间连接有纵向支撑件22，所述纵向支撑件22为直钢杆件且对称连接于支撑结构3上。

本实施例中，田字架31为钢杆件，田字架31通过螺栓连接、连接板连接或销接等可拆卸连接并进行提前预制。伸长杆32为八根，分别在田字架31的外侧横竖杆件交点处，伸长杆32在田字架31外侧关于田字架31竖向中心线对称设置。

本实施例中，附加件32为直钢杆件，附加件32的两端部通过连接钢板可拆卸连接于盾构隧道后的管片2上或开挖后的支撑件上，附加件32与管片2连接时，连接的角度适应管片2处弧度。加强件32为直线钢杆件，加强件32关于田字架31竖向中心线和/或横向中心线对称设置，加强件32在两伸长杆32间且加密布置。

如图5至图8所示，在分区扩挖时，包含隧道扩挖轮廓线处的拱架1、连接于拱架1内部管片2中的支撑结构3、连接于拱架1与支撑结构3间的支撑件。

本实施例中，支撑件包含连接于伸长杆32外侧的左上斜支杆6、左上支杆7、左中支杆5、左下斜支杆15、上中支杆9、右上支杆11、右上斜支杆10、右中支杆12、右下斜支杆16和下中支杆18，其中，左上支杆7、左中支杆5、右上支杆11和右中支杆12为水平直杆，下中支杆18和上中支杆9为竖向支杆，左上斜支杆6、左下斜支杆15、右上斜支杆10和右下斜支杆16为斜向直杆。

本实施例中，扩挖区包含左上扩挖区4、右上扩挖区8、左下扩挖区13、右下扩挖区14和下扩挖区17，所述左上扩挖区4、右上扩挖区8、左下扩挖区13、右下扩挖区14和下扩挖区17依次开挖，其中，左下扩挖区13和右下扩挖区14对称开挖；各扩挖区施工断面呈台阶状。

本实施例中，左上扩挖区4对应左上斜支杆6、左上支杆7和左中支杆5支撑连接，右上扩挖区8对应上中支杆9、右上支杆11、右上斜支杆10和右中支杆12支撑连接，左下扩挖区13和右下扩挖区14分别对应左下斜支杆15和右下斜支杆16支撑连接，下扩挖区17对应下中支杆18支撑连接。

如图9和图10所示，伸长杆32为工字形杆或H形杆，伸长杆32最外端部焊接有方形板；方形板螺栓连接盾构隧道后的管片2或开挖后的支撑件，且方形板与管片2连接时，连接的角度适应管片2处弧度。如图11所示，支撑件为钢杆件并间隔设置，通过连接钢板连接于隧道开挖轮廓线的拱架1上，支撑件对应扩挖区分阶段连接

本实施例中，在土方开挖至设计位置后对周边土体21进行混凝土初喷加固，初喷完成后安装拱架1并将拱架1与隧道内已有固定结构相连，进入隧道的第一榀拱架1密排两榀并与地连墙主筋焊接，拱架1安装完成后使用喷射混凝土对其喷锚加固。

结合图1至图11，进一步说明用于盾构隧道基础上的扩挖结构的施工方法，具体步骤如下：

步骤一、由于施工区域土体21颗粒松散且含水量高，为达到盾构及扩挖施工的强度需求。在盾构机20开挖时对开挖的土体21进行冻结法施工，隧道上、下方和右侧冻结壁设计有效厚度不小于3.0m，隧道左侧冻结壁有效厚度为初衬外侧至连续墙内沿，端部冻结壁设计有效厚度不小于4.0m。平均温度不大于-12℃。施工过程中应以实测的冻结壁平均温度和实际厚度确定。由于开挖面较大，在隧道顶部布置了一排防片孔，防止开挖工作面前方土体21发生滑移。

冻结法施工时，根据冻结帷幕设计及暗挖车站隧道的结构，冻结孔在盾构隧道内、车站主体结构上布置在暗挖隧道的四周，要求能达到冻土帷幕设计厚度；盾构隧道内冻结孔开孔位置误差不宜大于100mm，应避开管片2的主筋、接缝、螺栓和肋板；底部用“V”字形布孔方式，开挖时外围冻结管不割除；沿冻土帷幕与开挖侧隧道管片2交接面敷设冷冻排管；施工冻结孔时土体21流失量不得大于冻结孔体积，否则应及时进行注浆控制地层沉降。

在盾构机20开挖隧道后并完成管片2安装，而后根据管片2尺寸预制安装支撑结构3；其中，支撑结构3中加强件32和附加件32依据设计支撑受力间隔或加密设置；支撑结构3安装后，在相邻的支撑结构3间连接纵向支撑件22。

步骤二、待隧道外侧土体21符合扩挖要求后，进行左上扩挖区4的开挖作业，拆除盾构隧道中左上部管片2，其中左上部管片2拆除范围对应支撑结构3中田字架31左侧的中部和上部伸长杆32的位置，且随着开挖进行同步安装左上斜支杆6、左上支杆7和左中支杆5；对开挖面土体21及周边土体21进行初喷加固，并安装拱架1；其中若对于首环安装的拱架1则进行侧向临时支撑，若是首环后的施工则与前一相同位置的拱架1通过纵向支撑件22连接。初步扩挖的左上扩挖区4两侧夹角小于90º，其中下部将左中支杆5处开挖是为了更好的进行支护，左上扩挖区4是为了初步试验扩挖时各构件受力是否满足施工要求，已到达及时验证和调整施工方案的目的。

步骤三、开挖右上扩挖区8，拆除盾构隧道中右上部管片2，右上部管片2对应拆除范围为田字架31上中部、右侧的中部和上部伸长杆32的位置，且随着开挖进行同步安装上中支杆9、右上支杆11、右上斜支杆10和右中支杆12；对开挖面土体21及周边土体21进行初喷加固，并安装拱架1；新安装拱架1与左上部已安装拱架1可拆卸连接。

若对于首环安装的拱架1则进行侧向临时支撑，若是首环后的施工则与前一相同位置的拱架1通过纵向支撑件22连接。右上扩挖区8和左上扩挖区4将隧道的上半部分进行贯通，此时若上半部分与下半部分不再同一断面施工，还可施工临时仰拱以保证结构的整体性。

步骤四、开挖左下扩挖区13和右下扩挖区14，两个开挖区对称开挖，对应拆除盾构隧道中左下部和右下部管片2，且随着开挖进行同步安装左下斜支杆15和右下斜支杆16；对开挖面土体21及周边土体21进行初喷加固，并安装拱架1；新安装拱架1分别与左上部和右上部已安装拱架1可拆卸连接；其中，若对于首环安装的拱架1则进行侧向临时支撑，若是首环后的施工则与前一相同位置的拱架1通过纵向支撑件22连接。

步骤五、继续开挖下扩挖区17，对应拆除盾构隧道中下部管片2，且随着开挖进行同步安装下中支杆18；对开挖面土体21及周边土体21进行初喷加固，并安装拱架1；新安装拱架1分别与左下部和右下部已安装拱架1可拆卸连接；其中，若对于首环安装的拱架1则进行侧向临时支撑，若是首环后的施工则与前一相同位置的拱架1通过纵向支撑件22连接，由此完成扩挖结构的施工安装。

以上所述仅为本发明较佳的具体实施方式，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所想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。