一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法

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1.本发明属于土木技术领域，涉及市政工程中的城市轨道施工技术，具体涉及一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法。

背景技术：

2.地铁是现阶段我国城市交通运输的重要组成部分，承载了大量的通勤客流，肩负着城市平稳运行的重要使命。伴随着城市轨道交通快速发展，加之土地资源的极度紧缺，地铁交叉工程日益增多，而其交叉地铁施工方法也多以明挖顺作法、盾构施工为主。众所周知，深基坑明挖施工、盾构施工往往伴随着极强的环境效应，会对地层中原有的应力场和水压场造成扰动，打破原本隧道和土体间静态平衡状态，不可避免地会对既有运营隧道造成不均匀变形。若不对既有运营隧道变形进行严格控制，其运营隧道可能会因局部变形较大而造成结构破裂，影响其正常使用，严重时甚至引发工程事故，所造成的经济损失和社会影响是不可估量的。

技术实现要素：

3.为解决上述问题，本发明设计了一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法，能有效地自动化控制下层隧道施工所引起的上穿运营隧道在竖直方向上的不均匀变形，确保既有运营隧道结构物的安全工作运行。
4.本发明的基础原理为：通过在原有上穿运营隧道上下两侧施工设置反力锚固装置，配合千斤顶装置进行主动施压补偿既有运营隧道在垂直方向上的内力变化，进而控制既有运营隧道在垂直方向的变形，将下层隧道施工对上穿运营隧道的变形减小至安全范围，确保上穿既有运营隧道的安全工作运行。
5.如图2和图3所示，本发明的下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形补偿装置包括反力锚固装置、千斤顶和监测控制系统，其中，所述反力锚固装置包括设于上穿运营隧道两侧的锚桩和连接于锚桩上的锚梁所形成的反力支架，所述上穿运营隧道上下两侧分别设有承力平台，千斤顶安装在承力平台和相应侧的反力支架之间。
6.所述的锚桩由多根钢筋混凝土锚桩沿原有运营隧道两侧对称均匀布置，具体施工根数和施工范围根据数值仿真分析并保证一定的安全富余条件下确定。其中位于下层隧道施工空间正上方处的锚桩施工范围较小，以便不增加下层隧道施工时水平钻孔难度。
7.所述的锚梁为钢锚梁，其截面形状多为钢箱梁截面，也可为多根工字钢或h型钢截面拼装而成的组合截面。作为一种改进，也可以是预应力混凝土现浇或预制梁。布设施工于运营隧道上下两侧并与其正交，两端与锚桩紧密连接形成井字形框架结构，以增加其反力锚固装置整体结构的稳定性。
8.所述的千斤顶多为普通液压大吨位千斤顶，其油泵带有控制器，可通过无线或有线传输信息接入监测控制系统，根据反馈变形信息进行动态控制千斤顶施加作用的顶力，进而控制原有运营隧道的变形。
9.所述的承力平台主要是钢筋混凝土结构，为带有一定厚度的具有调平和应力扩散功能的钢筋混凝土块，可通过特制的矩形或圆形模具进行现浇混凝土施工，保证承力平台底部弯曲面与运营隧道外侧表面相匹配。
10.所述的监测控制系统由应力、变形传感器、信号传输模块、控制系统以及数据存储系统组成，应力、变形传感器布置在运营隧道内壁四周影响范围，较优的，应力传感器沿环形布置在内壁四周，变形传感线沿隧道内壁表面纵轴方向进行布置。信号传输模块可选择有线或者无线模块，较优的，信息传输多选择wifi传输。控制系统多为成熟的pcl控制系统，较优的，控制系统内设置有pid算法(比例积分微分组合控制算法)，可以较好地解决隧道变形与千斤顶反馈力之间因误差干扰所引用的滞后问题。数据存储系统主要是实时记录具体施工情况下，原有运营隧道应力、变形情况及对应千斤顶施加顶力荷载控制情况等数据信息，较优的，数据存储系统可采用云存储。
11.为达到上述目的，本发明采用如下施工技术方案：
12.一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：
13.步骤1、在上穿运营隧道两侧分别施工若干锚桩，其中位于下层隧道正上方锚桩为中间锚桩，中间锚桩的底部高程位于下层隧道顶部和上穿运营隧道之间；
14.步骤2、在上穿运营隧道一侧施工工作井，直达该侧中间锚桩底部高程处；
15.步骤3、从工作井底部横向开挖，分别从上方和下方横向越过上穿运营隧道至另一侧的锚桩处，边开挖边支护，形成工作空间；
16.步骤4、通过工作空间，在上穿运营隧道的上侧和下侧分别施工横跨的锚梁作为反力支架，分别为上反力支架和下反力支架；
17.步骤5、开挖并清理上、下反力支架与上穿运营隧道之间的岩土，并在上穿运营隧道外侧顶部和底部分别设置承力平台，所述承力平台一侧与上穿运营隧道外侧面贴合，另一侧与相应的反力支架平行；
18.步骤6、在承力平台和相应侧反力支架之间设置若干千斤顶，千斤顶以上穿运营隧道轴线对称设置，形成千斤顶补偿加载装置；
19.步骤7、在上穿运营隧道内侧顶部安装监测系统，用于监测在上穿运营隧道的变形情况；
20.步骤8、进行下层隧道开挖施工，通过监测系统实时监测上穿运营隧道的变形和应力效应，当上穿运营隧道的变形和应力效应超过报警阈值时，启动千斤顶补偿加载装置，对上穿运营隧道进行补偿与变形方向相反的荷载，直至在上穿运营隧道的变形和应力效应在安全范围内；
21.步骤9、下层隧道施工完毕后，对工作空间和工作井进行回填，边回填边回收千斤顶，完成下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工。
22.本发明锚桩和上穿运营隧道上下两侧的反力支架分别构成反力锚固装置。
23.进一步地，步骤1中锚桩施工方法如下：
24.步骤1.1、锚桩方案设计：根据地质资料和下层隧道开挖预计尺寸计算或者通过模型试验得出锚桩的施工数量和深度，保证锚桩能产生的锚固力大于对上穿运营隧道所需地应力补偿的最大值，并预留安全余量；
25.步骤1.2、锚桩桩孔施工：在上穿运营隧道两侧，利用工程钻机进行桩孔施工至设计深度并完成清槽工作；
26.步骤1.3、锚桩浇筑施工：绑扎锚桩钢筋笼，下放至桩孔中，然后浇注混凝土至设计高度，养护一段时间，完成单个锚桩施工；
27.步骤1.4、重复步骤1.2至步骤1.3，完成所有锚桩施工。
28.同时，值得说明的有：上述的一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法同样也适用于上层隧道施工的情况。
29.本发明的有益效果：
30.本发明所设计的一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法，具有显著的优势和社会经济效益，尤其适用于交通繁忙的城市道路下交叉地铁网的设计施工。
31.以下列举了五点其主要的有益效果：
32.(1)施工工艺简单，可操作性强，容易组织实施。
33.(2)千斤顶等装置安置过程中，实际开挖土方较小，不污染环境，不影响交通。(其土方和装置运输主要依靠工作井内部进行工作，对地层地面破坏较小。)
34.(3)社会效益与经济效益显著，综合成本较低。(监测设备、千斤顶及锚梁等装置均可在施工结束后进行拆除回收，可继续循环利用，也有效地节约了工程成本。)
35.(4)对上穿原有运营隧道变形控制效果好，变形补偿安全系数高。(利用自动化监测控制系统实时采集分析上穿运营隧道在施工过程中的上下两侧应力、变形情况，高效精确地控制千斤顶油泵加压，整个过程不需要人为亲自参与工程检测控制，安全系数得到保证，也极大降低人工工作强度和工作成本；同时实时动态自动控制油泵加压，使得原有运营隧道一直处于变形安全范围状态，变形补偿效果好。)
36.(5)通过在上穿原有运营隧道上下两侧均布设反力锚固装置和千斤顶补偿加载装置，一方面使得原有运营隧道上下两侧变形均得到控制；另一方面，增加反力锚固系统整体稳定性的，其中上侧千斤顶可作下侧千斤顶的受力补偿，避免上穿原有运营隧道向上产生过大的压力。
37.(6)利用云存储，记录施工过程中既有运营隧道实际所受的变形情况及千斤顶顶力补偿情况，为后期类似工程提供了变形补偿数据资料的参考，同时也为如何合理选择千斤顶量程及锚桩施工深度范围等注意事项提供了实际工程数据借鉴，能够更好提高对原有运营隧道变形补偿的效果。
附图说明
38.图1为新建下层隧道对既有上穿运营隧道变形影响示意图；
39.图2为一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法示意图；
40.图3为图3中侧视图；
41.图4为本发明施工案例步骤1.3中锚桩浇筑施工的示意图；
42.图5为本发明施工案例步骤2中工作井施工的示意图；
43.图6-1为本发明施工案例步骤3中工作空间施工的示意图1；
44.图6-2为本发明施工案例步骤3中工作空间施工的示意图2；
45.图7为本发明施工案例步骤4中锚梁施工的示意图；
46.图8-1为本发明施工案例步骤6中千斤顶安装的整体示意图；
47.图8-2为本发明施工案例步骤6中千斤顶安装的局部放大示意图；
48.图9为本发明施工案例步骤8中下层隧道施工的示意图；
49.图10为本发明施工案例步骤9中设备拆除回收的示意图；
50.图中：1-下层隧道，2-上穿运营隧道，3-锚桩桩孔，4-锚桩，5-锚梁，6-工作井，7-上工作空间，8-承力平台，9-千斤顶，10-土体，11-中间锚桩，12-下工作空间，13-上反力支架，14-下反力支架。
具体实施方式
51.下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
52.为了更好地理解本发明的技术方案，下面将结合附图和具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
53.以在原有运行地铁隧道的下方交叉施工新的下层隧道为例对本发明进行说明。其施工方法的具体步骤如下：
54.如图1至图10所示，一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法，包括以下步骤：
55.步骤1、在上穿运营隧道2两侧分别施工若干锚桩，其中位于下层隧道1正上方锚桩为中间锚桩11，中间锚桩的底部高程位于下层隧道顶部和上穿运营隧道之间；
56.锚桩施工方法如下：
57.步骤1.1、锚桩方案设计：根据地质资料和下层隧道开挖预计尺寸计算或者通过实验模型得出锚桩的施工数量和深度，保证锚桩能产生的锚固力大于对上穿运营隧道所需地应力补偿的最大值，并预留安全余量；
58.步骤1.2、锚桩桩孔施工：在上穿运营隧道两侧，利用工程钻机进行锚桩桩孔3施工至设计深度并完成清槽工作；
59.步骤1.3、锚桩浇筑施工：绑扎锚桩钢筋笼，下放至桩孔中，然后浇注混凝土至设计高度，养护一段时间(一般为48小时)，完成单个锚桩施工，如图4所示；
60.步骤1.4、重复步骤1.2至步骤1.3，完成所有锚桩4施工。
61.步骤2、在上穿运营隧道一侧施工工作井6，直达该侧中间锚桩底部高程处，如图5所示；
62.步骤3、从工作井底部横向开挖，分别从上方和下方横向越过上穿运营隧道至另一侧的锚桩处，边开挖边支护，形成工作空间，分别为上工作空间7和下工作空间12，如图6-1和图6-2所示；
63.步骤4、通过工作空间，在上穿运营隧道的上侧和下侧分别施工横跨的锚梁5作为反力支架，分别为上反力支架13和下反力支架14，如图7所示；
64.步骤5、开挖并清理上、下反力支架与上穿运营隧道之间的岩土，并在上穿运营隧道外顶部和底部分别设置承力平台8，所述承力平台一侧与在上穿运营隧道外侧面贴合，另
一侧与相应的反力支架平行；
65.步骤6、在承力平台和相应侧反力支架之间设置若干千斤顶9，千斤顶以在穿运营隧道轴线对称设置，形成千斤顶补偿加载装置，如图8-1和图8-2所示；
66.步骤7、在上穿运营隧道内侧顶部与底部安装监测系统，用于监测在上穿运营隧道的变形和和应力效应；
67.步骤8、进行下层隧道开挖施工，当通过监测系统监测到在上穿运营隧道的变形和应力效应超过报警阈值时，启动千斤顶补偿加载装置，对在上穿运营隧道顶部施加向上的补偿应力，直至在上穿运营隧道的变形在安全范围内，如图9所示；
68.步骤9、下层隧道施工完毕后，对工作空间和工作井进行回填，边回填边回收千斤顶，如图10所示，完成下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工，施工完毕后如图1所示。
69.需要说明的是，下层隧道的具体施工方式不限，可以采用矿山法，也可以采用盾构法或tbm法，本发明实施例中，可以采用盾构法。
70.需要说明的是，作为本发明领域的基本常识，在进行锚桩和锚梁施工时，都应当为下层隧道预留空间，不会对下层隧道施工造成影响，实际上，下层隧道和上穿隧道需要预留足够安全距离，该距离足以设置锚桩和锚梁，因此并不会造成相互干扰，唯一需要注意的是当锚桩深度大于下层隧道时，应当避开下层隧道(或因隧道施工将切断影响范围锚桩，该部分锚固力不参与内力平衡计算，仅做安全储备)，此时可以考虑在下层隧道两侧增加锚桩数量来克服整体锚桩可能存在锚固力不足的问题。
71.具体的，在下层隧道施工完毕后，先对工作空间进行回填，回填过程中逐步拆除回收千斤顶，并通过监测系统监测保证上穿运营隧道变形处于安全范围，一旦超过安全范围，驱动没有拆除的千斤顶进行超加载，然后夯实已拆除部位，或者将已拆除千斤顶处替换岩石、混凝土块或钢结构件等，保证上穿运营隧道安全，当下层隧道也回填完毕后，上穿运营隧道上方地应力自然恢复，因此，只需要保证最后拆除监测系统即可。
72.需要说明的是，上、下工作空间回填实际上是分别进行的。
73.需要说明的是，本发明也可以拆除锚梁，当锚梁采用可拆卸的钢结构件时，可以拆除锚梁，拆除过程中，先回填工作空间和下层隧道，回填完毕后通过工作井从侧方拔出锚梁，最后回填工作井即可。
74.作为一种优选实施例，步骤1中，浇注锚桩时，在安装锚梁处的锚桩处预留横向连接钢筋(一般为横向突出的钢筋)或者将设置凸台、凹槽形成锚固连接件，能增强反力支架的牢固性和连接便利性，防止形成锚固薄弱点。
75.当设置有连接钢筋时，所述锚梁为箱形的预应力混凝土现浇、预制梁或钢梁中的任意一种。当采用预应力混凝土预制梁时可以采用局部浇注与锚桩连接，当采用钢梁时，可以采用焊接与锚桩相连。较优的，锚梁一般为箱形截面，或整体为工字钢型截面或者h型截面。
76.作为一种优选实施例，步骤2中，所述工作井距离相应侧锚梁端部安全净距离，一般不小于3m，不大于5m。所述工作井采用支护结构采用钢木支撑、喷锚支护及钢板桩支护中的任意一种，边开挖边支护，工作井尺寸一般应该大于所需安装锚梁的尺寸，便于通过工作井将锚梁运输到工作空间内。
77.作为一种优选实施例，所述工作空间的支护采用高强度锚杆主动支护和/或高强度钢梁被动支护，以便能够支撑下层隧道没开挖时，较大的地应力。
78.作为一种优选实施例，步骤5中，两个承力平台为以上穿运营隧道为对称设置，对于上承力平台，其为以上穿运营隧道顶部外侧面为底模板的现浇钢筋混凝土平台，具体的可以以上穿运营隧道顶部外侧面为底模板，在侧面设置木模板，采用现浇的方式形成承力平台，这样承力平台顶部为水平平台，便于与上反力支架之间进行力加载，承力平台底部与上穿运营隧道高度贴合，加载时也不会导致上穿运营隧道上应力集中造成破坏。
79.对于下承力平台，其为以上穿运营隧道底部外侧面为顶模板的现浇钢筋混凝土平台，具体的可以以上穿运营隧道底部外侧面为顶模板，在侧面设置木模板，采用现浇的方式形成承力平台，这样承力平台底部为水平平台，便于与下反力支架之间进行力加载，承力平台顶部与上穿运营隧道高度贴合，加载时也不会导致上穿运营隧道上应力集中造成破坏。
80.作为一种优选实施例，步骤9中，先回填承力平台和锚梁之间的空间，回填过程中逐步拆除千斤顶，并在拆除的千斤顶位置设置岩石、钢梁或者混凝土块，替代千斤顶所施加的载荷，当所有千斤顶拆除后，回填剩余工作空间和工作井。
81.作为一种优选实施例，所述监测系统包括设于上穿运营隧道内部上下两侧的应力传感器和变形传感器。
82.作为一种优选实施例，应力传感器沿环形布置在内壁四周，变形传感线沿隧道内壁顶面与底面纵轴方向进行布置。
83.作为一种优选实施例，对所述千斤顶补偿加载装置设置控制系统，将监测系统监测到在上穿运营隧道的变形信号传输给控制系统，通过控制系统控制千斤顶进行加载，实现自动调整。控制系统可以选择pcl控制系统，较优的，控制系统内设置有pid算法(比例积分微分组合控制)，可以较好地解决隧道变形与千斤顶反馈顶力荷载之间因误差干扰所引用的滞后问题。还可以增加数据存储系统，实时记录具体施工情况下，原有上穿运营隧道应力、变形情况及对应千斤顶施加顶力控制情况等数据信息，较优的，数据存储系统可采用云存储。
84.控制系统和监测系统之间通讯可以采用有线通讯或者无线通讯，由于仅隔隧道厚度，因此，可以采用wifi传输。控制系统和千斤顶之间一般采用有线传输，当然也可以采用无线传输。
85.作为一种优选实施例，步骤8中报警阈值可以通过仿真理论计算，报警阈值一般为理论仿真计算容许值的0.6倍。
86.以上实施方式仅用于说明本发明，而非对本发明的限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行各种组合、修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

技术特征：

1.一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤1、在上穿运营隧道两侧分别施工若干锚桩，其中位于下层隧道正上方锚桩为中间锚桩，中间锚桩的底部高程位于下层隧道顶部和上穿运营隧道之间；步骤2、在上穿运营隧道一侧施工工作井，直达该侧中间锚桩底部高程处；步骤3、从工作井底部横向开挖，分别从上方和下方横向越过上穿运营隧道至另一侧的锚桩处，边开挖边支护，形成工作空间；步骤4、通过工作空间，在上穿运营隧道的上侧和下侧分别施工横跨的锚梁作为反力支架，分别为上反力支架和下反力支架；步骤5、开挖并清理上、下反力支架与上穿运营隧道之间的岩土，并在上穿运营隧道外顶部和底部分别设置承力平台，所述承力平台一侧与在上穿运营隧道外侧面贴合，另一侧与相应的反力支架平行；步骤6、在承力平台和相应侧的反力支架之间设置若干千斤顶，千斤顶以上穿运营隧道轴线对称设置，形成千斤顶补偿加载装置；步骤7、在上穿运营隧道内侧顶部和底部安装监测系统，用于监测在上穿运营隧道的变形情况；步骤8、进行下层隧道开挖施工，通过监测系统实时监测上穿运营隧道的变形和应力效应，当上穿运营隧道的变形和应力效应超过报警阈值时，启动千斤顶补偿加载装置，对上穿运营隧道进行补偿与变形方向相反的荷载，直至在上穿运营隧道的变形和应力效应在安全范围内；步骤9、下层隧道施工完毕后，对工作空间和工作井进行回填，边回填边回收千斤顶，完成下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工。2.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：步骤1中锚桩施工方法如下：步骤1.1、锚桩方案设计：根据地质资料和下层隧道开挖预计尺寸计算或者通过实验模型得出锚桩的施工数量和深度，保证锚桩能产生的锚固力大于对上穿运营隧道所需地应力补偿的最大值，并预留安全余量；步骤1.2、锚桩桩孔施工：在上穿运营隧道两侧，利用工程钻机进行桩孔施工至设计深度并完成清槽工作；步骤1.3、锚桩浇筑施工：绑扎锚桩钢筋笼，下放至桩孔中，然后浇注混凝土至设计高度，养护一段时间，完成单个锚桩施工；步骤1.4、重复步骤1.2至步骤1.3，完成所有锚桩施工。3.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：步骤1中，浇注锚桩时，在安装锚梁处的锚桩上预留连接钢筋或者设置凸台、凹槽结构装置形成锚固连接件。4.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：步骤2中，所述工作井距离相应侧锚梁端部不小于安全净距离，所述工作井采用支护结构采用钢木支撑、喷锚支护及钢板桩支护中的任意一种，所述工作井大小根据所需锚桩数量而定，当所需锚桩数量多时，所述工作井采用两个及以上工作井在底部横向连通的并列方式设置。5.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：所述锚梁为箱形结构梁，为预应力混凝土现浇、预制梁或钢梁中的任意一种。
6.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：所述工作空间的支护采用高强度锚杆主动支护和/或高强度钢梁被动支护。7.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：步骤5中，所述承力平台为以上穿运营隧道顶部外侧面为底模板或者上穿运营隧道底部外侧面为顶模板的现浇钢筋混凝土平台。8.根据权利要求2所述的施工方法，其特征在于：对所述补偿加载装置设置控制系统，将监测系统监测到在上穿运营隧道的变形或应力信号传输给控制系统，通过控制系统控制千斤顶进行加载，实现自动调整，实现补偿功能。9.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：步骤9中，先回填承力平台和锚梁之间的空间，回填过程中逐步拆除千斤顶，并在拆除的千斤顶位置设置岩石、钢梁或者混凝土块，替代千斤顶所施加的荷载，当所有千斤顶拆除后，回填剩余工作空间和工作井。10.根据权利要求1所述的施工方法，其特征在于：所述监测系统包括设于上穿运营隧道内部环绕四周的应力传感器和变形传感器。

技术总结

本发明公开了一种下层隧道施工主动补偿上穿运营隧道变形的施工方法，首先在上穿运营隧道两侧设置锚桩，然后通过工作井在运营隧道上方和下方分别开挖工作空间，之后在运营隧道上下的锚桩之间分别设置锚梁，形成反力支架，在运营隧道外上下分别设置承力平台，然后在承力平台和反力支架之间设置千斤顶，并在运营隧道内顶部设置监测系统监测隧道变形，在下层隧道施工过程中，通过监测到的变形量利用控制系统反馈信号调整千斤顶的加载力，以维持运营隧道的稳定性，下层隧道施工完毕后，进行土方回填，然后逐步拆除千斤顶和监测系统，即完成工作施工。本发明能有效地自动化控制下层隧道施工所引起的上穿运营隧道变形，确保上穿运营隧道的安全工作运行。道的安全工作运行。道的安全工作运行。