一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法
【专利摘要】本发明涉及隧道沉降控制技术领域，具体地指一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法。沿隧道规划线路在隧道的两侧插打两排围护桩，在两排围护桩之间施工基础桩，修建降水井将两排围护桩之间的地下水水位降到基坑开挖面以下，开挖基坑，浇筑隧道，待隧道结构稳定后，封闭降水井恢复地下水水位，再在隧道的上方填筑回填土层。本发明通过提前恢复水浮力影响和考虑到围护桩的影响两方面作用，极大程度的降低了基础桩的数量，缩小了基础桩的沉降量，从而降低了整个隧道的沉降，节省成本，降低了施工难度，提高了施工进程，具有极大的推广价值。
【专利说明】
-种软弱地层大覆±明挖隧道沉降控制方法
技术领域
[0001] 本发明设及隧道沉降控制技术领域，具体地指一种软弱地层大覆±明挖隧道沉降 控制方法。
【背景技术】
[0002] 在软弱地层大覆±地带进行明挖隧道，由于该地带结构稳定性差，地下水位较高， 在现有隧道6开挖诱筑前需要在隧道延伸方向的两侧施工钻孔灌注粧或者是地下连续墙等 现有围护粧7结构。当基坑内地下水位降至开挖面W下一定深度，然后开始开挖诱筑现有隧 道6,现有隧道6结构完成后，开始回填现有回填±层9,隧道完成W后拆除降水井，地下水位 恢复至自然状态，围护结构为隧道横向两侧保护结构，与隧道之间没有连接关系。
[0003] 现有明挖隧道的沉降控制方法是基于隧道基底最不利的情况，即地下水位恢复W 前，隧道的顶部全部是现有回填±层9,运部分±层的重量加上隧道本身的自重，运两部分 作用力作用于隧道底部的地基上，基于运一前提条件下，然后按类似天然地基进行沉降分 析，并根据沉降控制标准选择基底现有基础粧8的数量和大小。依照计算得出的参数进行施 工。
[0004] 实际应用时，在地下水位还没有恢复时，直接在隧道的上部填充回填±层，±层回 填完成后而地下水水位却没有恢复完成，此时的隧道受到的压力最大，隧道底部受到回填 ±层和隧道自重的双重压力，考虑到运一情况，隧道底部的基础粧必须能够克服运一共同 压力的作用才能完成隧道的修建而不至于发生大幅度的沉降。而实际上，当地下水位恢复 W后，隧道相当于处于水和±的混合结构中，隧道会受到竖直向上的水浮力作用，此时隧道 底部受到的力反而小于基础粧的设计值。但是由于实际施工过程中，会出现隧道完成、回填 ±层填筑完成但地下水位没有恢复的极限情况，因此实际上现有技术在厚弱软层施工时， 为了保证工程的安全进行，只能选取该极限情况进行隧道施工。
[0005] 在运种情况下，基础粧的数量大于实际需要的数量，造成了基础粧的浪费，无形中 大幅度的增加了施工的成本，耗时耗力，拖慢了施工进度，影响整个施工进程。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的就是要解决上述【背景技术】的中提到的现有技术在弱软层大覆±地 带的隧道施工工序容易造成隧道沉降的问题，提供一种软弱地层大覆±明挖隧道沉降控制 方法。
[0007] 本发明的技术方案为:一种软弱地层大覆±明挖隧道沉降控制方法，其特征在于： 沿隧道规划线路在隧道的两侧插打两排围护粧，在两排围护粧之间施工基础粧，修建降水 井将两排围护粧之间的地下水水位降到基坑开挖面W下，开挖基坑，诱筑隧道，待隧道结构 稳定后，封闭降水井恢复地下水水位，再在隧道的上方填筑回填±层。
[000引所述的回填±层包括填筑在隧道上方的第一层回填±层和覆盖在第一层回填± 层上方的第二层回填上层。
[0009] 进一步的包括W下步骤：
[0010] 1)、在隧道规划路线的两侧施工两排围护粧，在两排围护粧之间施工基础粧；
[0011] 2)、施工围护粧外侧的止水帷幕，修建降水井，将两排围护粧之间的地下水水位降 低到基坑开挖面W下；
[0012] 3)、开挖基坑至明挖隧道的底端位置，修建隧道垫层和防水层，施工诱筑隧道结 构；
[0013] 4)、隧道结构稳定后，在隧道上方填筑第一层回填±层，封闭降水井，开始恢复两 排围护粧之间的地下水水位；
[0014] 5)、待地下水水位恢复后，在第一层回填±层上回填第二层回填±层至设计标高。
[0015] 进一步的所述的步骤1中，根据围护粧的长度、回填±层的厚度和隧道侧部的高度 计算出围护粧对回填±层和隧道侧部的摩阻力影响，再根据回填±层的重量、隧道重量和 围护粧对回填±层、隧道的摩阻力计算出基础粧需要承载的应力大小，得出基础粧的数量， 依照该数量的基础粧进行施工。
[0016] 进一步的基础粧的数量计算方法包括W下步骤：
[0017] 1)、根据围护粧竖直长度和回填±层的厚度计算出围护粧与回填±层之间的摩阻 力 Fbi;
[0018] 2)、根据围护粧竖直长度与隧道外部高度计算出围护粧与隧道之间的摩阻力机2;
[0019] 3)、根据围护粧与回填±层之间的摩阻力机1、围护粧与隧道之间的摩阻力机2、回 填±层的重量和隧道自身重量计算出隧道底部下方的基础粧受到附加应力Po;
[0020] 4)、根据选择的基础粧材质和结构W及隧道底部下方受到的附加应力Po计算出需 要安装的基础粧数量N。
[0021] 进一步的计算围护粧与回填±层之间的摩阻力Fbi的公式为：
[0022]
[0023] 其中:Fbi-一单位长度上围护粧与回填±的侧向摩阻力，kN;
[0024] 化1一一回填±层的深度，m;
[0025] Ia--围护粧单位长度上的有效摩擦长度，m;
[00%] C--回填±层的黏聚力，kF*a;
[0027] On--围护粧的法向应力，Wa;
[002引 4一一回填上的内摩擦角，°。
[0029] 进一步的计算围护粧与隧道之间的摩阻力机2的公式为：
[0030] Fb2 = Pb2 ? Ia ?化2
[0031] 其中:Fb2--单位长度上围护粧与隧道的侧向摩阻力，kN;
[0032] 化2--隧道外侧的高度，m;
[0033] Ia--围护粧单位长度上的有效摩擦长度，m;
[0034] Pb2--围护粧与隧道的侧阻力，kPa。
[0035] 进一步的计算隧道底部下方的基础粧受到附加应力Po的公式为：
[0036] P日=(Fc+F 广2Fb 广2Fb2)/Ae
[0037] 其中：Fe--回填±层的自重，kN;
[003引Fbi--单位长度上围护粧与回填±的侧向摩阻力，kN;
[0039] Fb2--单位长度上围护粧与隧道的侧向摩阻力，kN;
[0040] Ft--隧道的自重，kN;
[0041] Ae一一单位长度上的隧道底部面积，m2。
[0042] 进一步的计算基础粧数量N的公式为：
[0043] N=PoZf
[0044] 其中:Po-隧道底部下方的基础粧受到附加应力，kN;
[0045] f-单根基础粧的承载力，kN。
[0046] 进一步的所述的第一层回填±层的重量大于地下水水位恢复后隧道受到的水浮 力与隧道自重重力的差值。
[0047] 进一步的所述的降水井位于两排围护粧之间或是两排围护粧外。
[004引本发明的优点有：1、本发明提前恢复地下水的水位，使隧道受到地下水水浮力的 作用，隧道受到向上的作用力影响，降低了隧道的自重对基础粧的影响，本发明的隧道受到 最大的作用力是在回填±层回填完成后即施工完成后的常态，此时隧道底部下方的应力为 回填±层的重量加上隧道重量再减去隧道受到的水浮力，运部分应力远小于回填±层和隧 道重量产生的应力，因此对基础粧产生的压迫相较于现有技术的基础粧更小，隧道的沉降 量大幅度的降低。
[0049] 2、本发明提前恢复地下水水位，基础粧承载的最大压力变小，沉降量由此变小，基 础粧的分布、安装和设计变得更为简便，降低了施工难度，节省了材料。
[0050] 3、本发明通过考虑到围护粧对回填±层和隧道侧部的摩阻力影响，计算出隧道底 部下方基础粧受到的附加应力大小，计算设计更加合理，综合考虑的更加充分，考虑到围护 粧的影响，能够大幅度的降低基础粧设计数量，节省了大量的材料，降低了施工周期，有利 于工程的进行。
[0051] 本发明通过提前恢复水浮力影响和考虑到围护粧的影响两方面作用，极大程度的 降低了基础粧的数量，缩小了基础粧的沉降量，从而降低了整个隧道的沉降，节省成本，降 低了施工难度，提高了施工进程，具有极大的推广价值。
【附图说明】
[0052] 图1:现有技术的结构示意图；
[0053] 图2:本发明的结构示意图；
[0054] 图3:本发明的受力结构示意图；
[0055] 其中：1一隧道;2-围护粧;3-基础粧;4-第一层回填±层;5-第二层回填±层； 6-现有隧道;7-现有围护粧;8-现有基础粧;9 一现有回填±层。
【具体实施方式】
[0056] 下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。
[0057] 如图2~3所示，本实施例的隧道施工结构与现有技术一致，包括隧道1两侧的两排 围护粧2,围护粧2之间插打基础粧3,开挖基坑诱筑隧道1，隧道1上方回填回填±层。围护粧 2与隧道1之间并没有直接连接，为复合结构。如图3所示，基础粧3的下端深入到持力层内， 通过持力层的固定稳固基础粧3。
[0058] 明挖隧道I在软弱地层大覆±条件下，需要使用基础粧3进行加固防止沉降。由于 基础粧3抗压强度远远大于粧间±的抗压强度，且粧顶荷载全部或主要由粧端阻力承受，粧 侧阻力相对粧端阻力而言较小，可忽略不计，故当采用基础粧3(如钻孔灌注粧等)加固地基 时，其明挖隧道1沉降主要取决于端承粧的压缩量。明挖隧道1在软弱地层大覆±条件下主 要依靠基础粧3的支撑。由此计算隧道1底部下方基础粧3受到的附加应力大小，再根据基础 粧3的特性就能够计算出基础粧3的数量。
[0059] 如图3所示，计算隧道底部下方受到的应力大小，需要计算围护粧2对对回填±层 和隧道1侧部的摩阻力影响。本实施例计算对回填±层和隧道1侧部的摩阻力影响的步骤如 下。
[0060] 1、根据围护粧2竖直长度和回填±层的设计深度计算出围护粧2与回填±层之间 的摩阻力Fbi,计算公式如下；
[0061 ]
(1)
[00创其中:Fbi--单位长度上围护粧与回填±的侧向摩阻力，kN;
[0063] Hbi-回填±层的深度，m;
[0064] Ia--围护粧单位长度上的有效摩擦长度，m;
[0065] C一一回填±层的黏聚力，Wa;
[0066] On--围护粧的法向应力，Wa;
[0067] 4)--回填±的内摩擦角，°。
[0068] 2、根据围护粧2竖直长度与隧道1外部高度计算出围护粧2与隧道1之间的摩阻力 Fb2,计算公式如下；
[0069] Fb2 = Pb2*la*Hb2 (2)
[0070] 其中:机2-一单位长度上围护粧与隧道的侧向摩阻力，kN;
[00W 化2--隧道外侧的局度，m;
[0072] Ia--围护粧单位长度上的有效摩擦长度，m;
[0073] Pb2--围护粧与隧道的侧阻力，kPa。
[0074] 再根据围护粧2与回填±层的摩阻力机1、围护粧1与隧道1之间的摩阻力机2、隧道1 的自重和回填±层的重量计算出隧道1底部下方基础粧3受到的附加应力Po,计算公式如 下：
[00 巧]Po = (Fc+Ft-2Fb 广 2Fb2) /Ae (3)
[0076] 其中:Po-隧道底部下方基础粧受到的附加应力，kN;
[0077] Fc-回填±层的自重，kN;
[007引 Fbi--单位长度上围护粧与回填±的侧向摩阻力，kN;
[0079] Fb2--单位长度上围护粧与隧道的侧向摩阻力，kN;
[0080] Ft--隧道的自重，kN;
[0081] Ae--单位长度上的隧道底部面积，m2。
[0082] 参照所选择的基础粧3的特性即可计算出基础粧3的数量N，计算公式如下：
[0083] N=PoZf (4)
[0084] 其中:Po-隧道底部下方的基础粧受到的附加应力，kN;
[0085] f-单根基础粧的承载力，kN。
[0086] 基础粧3的特性是根据基础粧3的材质和管径来确定的，f是每根基础粧3在内部诱 筑钢筋混凝±后能够承担压力的设计值，该设计值比基础粧3能够承担的压力值要小。
[0087] 本实施例的基础粧3从地面插打进入到两排围护粧2之间，位于基坑下端W下的基 础粧3内诱筑钢筋混凝±形成坚实的支撑结构，位于基坑底面W上的部分为素粧，位于基坑 地面W下的部分为钢筋混凝±粧。本实施例的回填±层包括如图2中所示的第一回填±层4 和第二回填±层5。
[0088] 由于考虑到围护粧2对隧道1和回填±层的影响，因此实际计算出来的应力大小应 该小于现有技术的只考虑回填±层和隧道1重量产生的应力大小。实际得出的基础粧3的数 量要少于现有技术的基础粧数量，一方面是节省了材料，另外基础粧的数量减少能够大幅 度的缩短施工时间，降低施工难度，提高施工效率。
[0089] 考虑到现有技术施工时先回填隧道1上方的回填±层容易造成基础粧3和隧道1的 沉降，本实施例将回填过程分为两部分进行，先回填第一回填±层4,然后恢复两排围护粧2 之间的地下水水位，再在第一层回填±层4的上方回填第二层回填±层5直至标高。通过地 下水水浮力的作用，减轻隧道1底部下方受到的附加应力，避免隧道1和基础粧3的沉降。
[0090] 具体施工步骤如下：
[0091] 1、在隧道1规划路线的两侧施工两排围护粧2,在两排围护粧2之间施工基础粧3;
[0092] 2、施工围护粧2外侧的止水帷幕，修建降水井，将两排围护粧2之间的地下水水位 降低到基坑开挖面W下；
[0093] 3、开挖基坑至明挖隧道1的底端位置，修建隧道垫层和防水层，施工诱筑隧道结 构；
[0094] 4、隧道结构稳定后，在隧道上方填筑第一层回填±层4,封闭降水井，开始恢复两 排围护粧之间的地下水水位；
[00M] 5、待地下水水位恢复后，在第一层回填±层4上回填第二层回填±层5至设计标 局。
[0096] 回填第一层回填±层4是为了防止在恢复地下水水位的过程中，隧道1受到水浮力 的作用上浮导致隧道结构的破坏，第一层回填±层4的重量应该大于隧道1自重和水浮力的 差值，运样地下水恢复W后，隧道1不会因为受到水浮力的作用脱离设计位置造成损坏。但 是如果隧道1的自重本来就比水浮力大，也可W直接恢复降水补充地下水，等地下水完全补 充完全后，再开始回填±层。实际操作可根据现场情况进行调整。
[0097] 由于，本实施例隧道1底部下方基础粧3受到的最大应力就是在地下水恢复、第二 层回填±层5回填完成W后，隧道1自重加上回填±层自重再减去隧道1受到的水浮力和围 护粧2对隧道1和回填±层摩阻力，运个受力其实就是隧道1建造完成后正常使用的常用值， 由此可见，本实施例施工工序考虑得更加合理，基础粧3的选择更加合理，不存在浪费的问 题。
[0098] 而且，本实施例基础粧3的选择是基于回填±层的重量加上隧道自重减去围护粧 对隧道和回填±层的摩阻力运一受力基础，基础粧3的选择抛开了水浮力的影响，实际上， 基础粧3的受力支撑能力是大于运一受力基础的，而且由于水浮力是地基情况中不明确的 因素，水浮力可能会出现变化，因此抛开运一因素，基础粧3如此选择更加准确，使隧道1结 构更加稳定，不会受当地地下水情况变化而变化。
[0099] 另外，在恢复地下水的过程中，如果自然恢复比较慢，为了避免延误工期，还可W 直接人工补充地下水，使其快速恢复地下水水位，完成施工工序。降水井的位置不定，可W 是在两排围护粧2之间，也可W是在围护粧的外侧，根据实际使用时的现场情况来确定。降 水井是直接从地面开挖到基坑开挖面W下的深井，降水井与两排围护粧2之内的空间连通， 两排围护粧2之间的地下水进入到降水井内，通过水累等设备将运部分水排出，W便于基坑 的开挖施工。
[0100] W上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术 人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本 发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，运些变 化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其 等同物界定。
【主权项】
1. 一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:沿隧道（I)规划线路在隧 道（1)的两侧插打两排围护粧(2)，在两排围护粧(2)之间施工基础粧(3)，修建降水井将两 排围护粧(2)之间的地下水水位降到基坑开挖面以下，开挖基坑，浇筑隧道（1)，待隧道（1) 结构稳定后，封闭降水井恢复地下水水位，再在隧道(1)的上方填筑回填土层。2. 如权利要求1所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:所述 的回填土层包括填筑在隧道（1)上方的第一层回填土层(4)和覆盖在第一层回填土层(4)上 方的第二层回填土层(5)。3. 如权利要求2所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:所述 的控制方法包括以下步骤： 1) 、在隧道（1)规划路线的两侧施工两排围护粧(2)，在两排围护粧(2)之间施工基础粧 (3)； 2) 、施工围护粧(2)外侧的止水帷幕，修建降水井，将两排围护粧(2)之间的地下水水位 降低到基坑开挖面以下； 3) 、开挖基坑至明挖隧道(1)的底端位置，修建隧道垫层和防水层，施工浇筑隧道结构； 4) 、隧道结构稳定后，在隧道（1)上方填筑第一层回填土层(4)，封闭降水井，开始恢复 两排围护粧(2)之间的地下水水位； 5) 、待地下水水位恢复后，在第一层回填土层(4)上回填第二层回填土层（5)至设计标 尚。4. 如权利要求3所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:所述 的步骤1中，根据围护粧(2)的长度、回填土层的厚度和隧道（1)侧部的高度计算出围护粧 (2) 对回填土层和隧道（1)侧部的摩阻力影响，再根据回填土层的重量、隧道（1)重量和围护 粧(2)对回填土层、隧道（1)的摩阻力计算出基础粧(3)需要承载的应力大小，得出基础粧 (3) 的数量，依照该数量的基础粧(3)进行施工。5. 如权利要求4所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:基础 粧(3)的数量计算方法包括以下步骤： 1) 、根据围护粧(2)竖直长度和回填土层的厚度计算出围护粧(2)与回填土层之间的摩 阻力Fbi; 2) 、根据围护粧(2)竖直长度与隧道（1)外部高度计算出围护粧(2)与隧道（1)之间的摩 阻力Fb2; 3) 、根据围护粧(2)与回填土层之间的摩阻力Fbl、围护粧(2)与隧道（1)之间的摩阻力 Fb2、回填土层的重量和隧道(1)自身重量计算出隧道(1)底部下方基础粧⑶受到的附加应 力Po; 4) 、根据选择的基础粧(3)材质和结构以及隧道（1)底部下方基础粧(3)受到的附加应 力Po计算出需要安装的基础粧(3)数量η。6. 如权利要求5所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:所述 的步骤1中计算围护粧(2)与回填土层之间的摩阻力公式为：兵干：hi--早151长皮上围扩肚与回填土的侧向摩阻力，kN; Hbi 回填土层的深度，m; c 回填土层的黏聚力，kPa; Ia--围护粧单位长度上的有效摩擦长度，m; 〇n--围护粧的法向应力，kPa; Φ--回填土的内摩擦角，°。7. 如权利要求5所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:所述 的步骤2中计算围护粧(2)与隧道(1)之间的摩阻力F b2的公式为： Fb2 = Pb2 · Ia · Hb2 其中:Fb2--单位长度上围护粧与隧道的侧向摩阻力，kN; Hb2一一隧道外侧的高度，m; Ia一一围护粧单位长度上的有效摩擦长度，m; Pb2--围护粧与隧道的侧阻力，kPa。8. 如权利要求5所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:所述 的步骤3中计算隧道(1)底部下方基础粧(3)受到的附加应力Po的公式为： Po=(Fc+Ft-2Fbi-2Fb2)/Ae 其中:Fc 回填土层的自重，kN; Fbi--单位长度上围护粧与回填土的侧向摩阻力，kN; Fb2--单位长度上围护粧与隧道的侧向摩阻力，kN; Ft--隧道的自重，kN; Ae一一单位长度上的隧道底部面积，Hl2。9. 如权利要求5所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:所述 的步骤4中计算基础粧(3)数量N的公式为： N=Po/f 其中:Po-隧道底部下方的基础粧受到附加应力，kN; f 一单根基础粧的承载力，kN。10. 如权利要求2所述的一种软弱地层大覆土明挖隧道沉降控制方法，其特征在于:所 述的第一层回填土层(4)的重量大于地下水水位恢复后隧道(1)受到的水浮力与隧道(1)自 重重力的差值。
【文档编号】E02D17/04GK106013238SQ201610379596
【公开日】2016年10月12日
【申请日】2016年5月31日
【发明人】肖明清, 邓朝辉, 刘浩, 彭长胜, 黄胜, 蔡永昌
【申请人】中铁第四勘察设计院集团有限公司