一種保護既有地鐵的預應力支護體系及設計和施工方法
【專利摘要】本發明公開了一種保護既有地鐵的預應力支護體系及設計和施工方法，包括底座和支護架，所述下層型鋼上部設置有中層型鋼，所述中層型鋼上部設置有上層型鋼，所述橫向連接型鋼上部設置有鋼索限位鋼片，所述鋼索從鋼索限位鋼片穿過，所述鋼索限位鋼片用于限制鋼索前后移動，所述鋼索的兩端分別通過錨頭固定在冠梁上，通過以下步驟實現：修筑抗拔支護樁、第一次挖土、第一次設置支護架、第二次挖土、第二次設置支護架、施工準備、修建建筑基礎、拆除支護架、完成建筑施工。本發明能夠使裝置充分發揮材料性能，能夠施加預應力，重復利用支護架，可以隨時根據不同的基坑情況進行調節，能夠大大降低施工和材料成本。
【專利說明】
一種保護既有地鐵的預應力支護體系及設計和施工方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及基坑施工的技術領域，特別是一種保護既有地鐵的預應力支護體系及設計和施工方法的技術領域。
【【背景技術】】
[0002]隨著城市建設的迅猛發展，地鐵路線不斷擴張并逐漸輻射整個城市。當前城市建設用地日益緊張，為充分利用土地資源，要求在地鐵上方修筑建筑物。在地鐵上方修建建筑物涉及基坑開挖對既有地鐵的保護問題。基坑開挖是一個以卸載的方式打破原有土層平衡的過程。由于土體具有彈塑性，當既有地鐵隧道上層土方開挖時，豎向土壓力釋放，土體會發生“回彈”現象。此時，地鐵隧道將隨著土體產生向上的位移。當既有地鐵隧道兩側土層開挖時，隧道上方的土體將會因水平土壓力釋放而產生水平變形。此時，隧道因兩側土體開挖而引起水平方向的位移。總體上，基坑開挖卸載了地鐵隧道上部土層豎直方向和水平方向的土壓力，會引起隧道豎直向上的位移和向開挖側的水平位移。當前保護既有地鐵的支護體系通常采用建筑基坑支護體系，例如雙排粧、咬合粧、放坡、地下連續墻等，建筑支護體系主要支護基坑外側土層，起到抵抗坑外土壓力的作用。而地鐵支護體系主要支護地鐵上方土層，要求重點控制上方土層發生變形和位移，防止地鐵破壞。兩者在受力形式上不盡相同。另外，建筑基坑支護體系主要通過豎向支護構件的抗彎剛度控制側向土壓力引起的基坑水平變形與位移，而地鐵支護體系除了要求控制水平方向的變形和位移外，還要求重點控制卸載土壓力引起的豎向位移和變形。兩者在位移和變形控制的要求和側重點上不盡相同。因此，當選用通常的建筑基坑支護體系作為保護既有地鐵的支護體系時，一方面，由于受力形式和傳力路徑的異同導致材料性能未能充分發揮，造成巨大的能耗和浪費。另一方面，受變形控制機制的限制，豎向變形需要結合其他措施如土體加固等進行控制。多數情況下，支護投入大而支護效果不佳。另外，當前既有地鐵支護體系所需的工期較長，土層卸荷暴露后難以及時進行支護，受時空效應的影響較大，對變形控制十分不利。目前，在地鐵上方修筑建筑物時基坑開挖對既有地鐵的保護是工程的重難點。采用當前既有地鐵支護體系控制地鐵的變形往往投入的成本較高。當前既有地鐵支護體系大多采用由鋼筋混凝土支護構件組成的剛性體系，當發生緊急情況時，應急與補救措施難以及時實施和調整，支護風險大。
[0003]市場需要一種地鐵上部基坑施工的保護裝置，需要能夠使裝置充分發揮材料性能，支護架能夠重復利用，從而能夠大大降低材料和施工成本。支護架尺寸可以根據不同的基坑進行調節，搭建和拆除簡單、高效、節能環保且安全可靠。同時能夠通過調整預應力主動控制支護土體和地鐵隧道的位移和變形，從而能夠很好的保護地鐵隧道。
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【發明內容】
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[0004]本發明的目的就是解決現有技術中的問題，提出一種保護既有地鐵的預應力支護體系，能夠使裝置充分發揮材料性能，支護架能夠重復利用，從而能夠大大降低材料和施工成本。預應力可以根據需要調整，同時支護架尺寸可以根據不同的基坑進行調節，搭建和拆除簡單、高效、節能環保且安全可靠。
[0005]為實現上述目的，本發明提出了一種保護既有地鐵的預應力支護體系，包括底座和支護架，所述底座包括抗拔支護粧和冠梁，所述抗拔支護粧設置在地鐵隧道兩側，所述冠梁設置在抗拔支護粧上端，所述底座上部設置有支護架，所述支護架包括支護架、下層型鋼、中層型鋼、上層型鋼、立柱型鋼、橫向連接型鋼、鋼索限位鋼片、鋼索、錨頭、混凝土墊層、拉索和拉環，所述下層型鋼位于地鐵隧道上部，所述下層型鋼上部設置有中層型鋼，所述中層型鋼上部設置有上層型鋼，所述上層型鋼上部設置有立柱型鋼，所述立柱型鋼上部設置有橫向連接型鋼，所述橫向連接型鋼通過螺栓安裝有鋼索限位鋼片，所述鋼索從鋼索限位鋼片穿過，所述鋼索限位鋼片用于限制鋼索前后移動，所述鋼索的兩端分別通過錨頭固定在冠梁上，所述立柱型鋼的數量為2-8個，所述立柱型鋼之間通過交叉的拉索連接，所述下層型鋼下部設置有混凝土墊層。
[0006]作為優選，所述錨頭包括外套和內固定塊，所述內固定塊的個數為2個，兩個內固定塊工作狀態呈錐筒狀，所述外套內設置設置有錐形孔，所述內固定塊設置在錐形孔中，所述鋼索從內固定塊之間穿過。
[0007]作為優選，所述立柱型鋼的數量為4個，所述立柱型鋼上通過螺紋固定安裝有拉環，所述拉索的端部固設在拉環上。
[0008]本發明的目的就是解決現有技術中的問題，提出一種保護既有地鐵的預應力支護體系施工方法，能夠通過調整預應力主動控制支護土體和地鐵隧道的位移和變形，從而能夠很好的保護地鐵隧道。
[0009]為實現上述目的，本發明提出了一種保護既有地鐵的預應力支護體系施工方法，其特征在于:通過以下步驟實現:
[0010]a)修筑抗拔支護粧，在地鐵隧道的兩側利用打孔設備打出柱狀孔，然后安裝鋼筋籠并向粧孔內澆筑水泥，最終造出抗拔支護粧；
[0011]b)第一次挖土，通過挖土設備間隔一定距離將地鐵隧道上部的部分土移除；
[0012]c)第一次設置支護架，在已經移除土的地面安裝支護架；
[0013]d)第二次挖土，將c)步驟中間隔挖土剩余的地段的土挖出；
[0014]e)第二次設置支護架，在d)步驟中挖出土的地面上安裝支護架；
[0015]f)施工準備，準備新建筑的用料和測量工作；
[0016]g)修建建筑基礎，在支護架之間的間隙修建新建筑支撐梁；
[0017]h)拆除支護架，新建筑支撐梁修建好后，支護架可以拆除；
[0018]i)完成建筑施工，最終完成新建筑施工。
[0019]作為優選，所述步驟b)第一次挖土，間隔距離與支護架的長度相同。
[0020]本發明的有益效果:本發明通過將底座和支護架應用在地鐵上部基坑施工保護設備中，通過抗拔支護粧和冠梁固定在地面上，通過支護架、下層型鋼、中層型鋼、上層型鋼、立柱型鋼、橫向連接型鋼、鋼索限位鋼片、鋼索、錨頭、混凝土墊層、拉索和拉環借助抗拔支護粧和冠梁產生向下的壓力，減少地面和隧道因挖土卸載引起的“回彈”，能夠使裝置充分發揮材料性能，支護架能夠重復利用，從而能夠大大降低材料和施工成本。預應力可以根據需要調整，同時支護架尺寸可以根據不同的基坑進行調節，搭建和拆除簡單、高效、節能環保且安全可靠。同時能夠通過調整預應力主動控制支護土體和地鐵隧道的位移和變形，從而能夠很好的保護地鐵隧道。
[0021 ]本發明的特征及優點將通過實施例結合附圖進行詳細說明。
【【附圖說明】】
[0022]圖1是本發明一種保護既有地鐵的預應力支護體系的主視示意圖；
[0023]圖2是本發明一種保護既有地鐵的預應力支護體系的俯視示意圖；
[0024]圖3是本發明一種保護既有地鐵的預應力支護體系的左視示意圖；
[0025]圖4是鋼索限位鋼片的左視圖；
[0026]圖5是拉環的左視圖；
[0027]圖6是冠梁的主視剖視圖；
[0028]圖7是錨頭的主視剖視圖；
[0029]圖8是本發明一種保護既有地鐵的預應力支護體系施工方法的流程圖；
[0030]圖9是本發明一種保護既有地鐵的預應力支護體系設計流程圖。
[0031]圖中:2_底座、21-抗拔支護粧、22-冠梁、3-支護架、31-下層型鋼、32-中層型鋼、33-上層型鋼、34-立柱型鋼、35-橫向連接型鋼、36-鋼索限位鋼片、37-鋼索、38-錨頭、381-外套、382-內固定塊、39-混凝土墊層、40-拉索、41-拉環、5-修筑抗拔支護粧、6-第一次挖土、7-第一次設置支護架、8-第二次挖土、9-第二次設置支護架、10-施工準備、11-修建建筑基礎、12-拆除支護架、13-完成建筑施工。
【【具體實施方式】】
[0032]參閱圖1-圖9，本發明一種保護既有地鐵的預應力支護體系及設計和施工方法，包括底座2和支護架3，所述底座2包括抗拔支護粧21和冠梁22，所述抗拔支護粧21設置在地鐵隧道兩側，所述冠梁22設置在抗拔支護粧21上端，所述底座2上部設置有支護架3，所述支護架3包括支護架3、下層型鋼31、中層型鋼32、上層型鋼33、立柱型鋼34、橫向連接型鋼35、鋼索限位鋼片36、鋼索37、錨頭38、混凝土墊層39、拉索40和拉環41，所述下層型鋼31位于地鐵隧道上部，所述下層型鋼31上部設置有中層型鋼32，所述中層型鋼32上部設置有上層型鋼33，所述上層型鋼33上部設置有立柱型鋼34，所述立柱型鋼34上部設置有橫向連接型鋼35，所述橫向連接型鋼35上部通過螺栓安裝有鋼索限位鋼片36，所述鋼索37從鋼索限位鋼片36穿過，所述鋼索限位鋼片36用于限制鋼索37前后移動，所述鋼索37的兩端分別通過錨頭38固定在冠梁22上，所述立柱型鋼34的數量為2-8個，所述立柱型鋼34之間通過交叉的拉索40連接，所述下層型鋼31下部設置有混凝土墊層39。
[0033]具體的，所述錨頭38包括外套381和內固定塊382，所述內固定塊382的個數為2個，兩個內固定塊382工作狀態呈錐筒狀，所述外套381內設置設置有錐形孔，所述內固定塊382設置在錐形孔中，所述鋼索37從內固定塊382之間穿過。
[0034]具體的，所述立柱型鋼34的數量為4個，所述立柱型鋼34上通過螺紋固定安裝有拉環41，所述拉索40的端部固設在拉環41上。
[0035]一種保護既有地鐵的預應力支護體系施工方法，其特征在于:通過以下步驟實現:
[0036]a)修筑抗拔支護粧5，在地鐵隧道的兩側利用打孔設備打出柱狀孔，然后安裝鋼筋籠并向粧孔內澆筑水泥，最終造出抗拔支護粧；
[0037]b)第一次挖土 6，通過挖土設備間隔一定距離將地鐵隧道上部的部分土移除；
[0038]c)第一次設置支護架7，在已經移除土的地面安裝支護架；
[0039]d)第二次挖土8，將c)步驟中間隔挖土剩余的地段的土挖出；
[0040]e)第二次設置支護架9，在d)步驟中挖出土的地面上安裝支護架；
[0041 ] f)施工準備10，準備新建筑的用料和測量工作；
[0042]g)修建建筑基礎11，在支護架之間的間隙修建新建筑支撐梁；
[0043]h)拆除支護架12，新建筑支撐梁修建好后，支護架可以拆除；
[0044]i)完成建筑施工13，最終完成新建筑施工。
[0045]具體的，所述步驟b)第一次挖土6，間隔距離與支護架的長度相同。
[0046]設計流程說明:第一步:計算開挖卸載的豎向應力值ql，同時確定豎直方向的位移和變形控制值SI。第二步:確定預壓應力值q3(q3 = ql-q2，其中q2由位移和變形控制值SI推求)。第三步:①由預壓應力值q3求鋼索在錨頭處的水平分力Fl和橫向連接型鋼處的豎直方向分力F2;②根據已求的Fl計算抗拔支護粧的粧側土壓力q4。第四步:初步設定抗拔支護粧的設計參數(粧徑、粧長、嵌固深度等)。①根據抗拔支護粧的初設參數和F2，驗算抗拔支護粧的抗拔能力;②根據抗拔支護粧的初設參數和Fl、q4驗算水平方向位移和變形S2，驗算抗拔支護粧的抗傾覆能力和抗拉彎承載能力。若①②均滿足要求，則抗拔支護粧設計完成。若①②不滿足要求，則需調整初設抗拔支護粧設計參數，重復以上步驟，直至驗算滿足要求。第五步:根據F2設計和驗算預壓力支護體系(支護體系中的型鋼組成的鋼架部分)。第六步:同時完成抗拔支護粧設計和預應力支護體系設計后，本專利技術所述的支護體系設計完成。
[0047]本發明一種保護既有地鐵的預應力支護體系及設計和施工方法，通過將底座2和支護架3應用在地鐵上部基坑施工保護設備中，通過抗拔支護粧21和冠梁22固定在地面上，通過支護架3、下層型鋼31、中層型鋼32、上層型鋼33、立柱型鋼34、橫向連接型鋼35、鋼索限位鋼片36、鋼索37、錨頭38、混凝土墊層39、拉索40和拉環41借助抗拔支護粧21和冠梁22產生向下壓的壓力，避免挖土后的地面由于重力減小土壤向上彈，能夠使裝置充分發揮材料性能，支護架能夠重復利用，從而能夠大大降低材料和施工成本。預應力可以根據需要調整，同時支護架尺寸可以根據不同的基坑進行調節，搭建和拆除簡單、高效、節能環保且安全可靠。同時能夠通過調整預應力主動控制支護土體和地鐵隧道的位移和變形，從而能夠很好的保護地鐵隧道。
[0048]上述實施例是對本發明的說明，不是對本發明的限定，任何對本發明簡單變換后的方案均屬于本發明的保護范圍。
【主權項】
1.一種保護既有地鐵的預應力支護體系，其特征在于:包括底座(2)和支護架(3)，所述底座(2)包括抗拔支護粧(21)和冠梁(22)，所述抗拔支護粧(21)設置在地鐵隧道兩側，所述冠梁(22)設置在抗拔支護粧(21)上端，所述底座(2)上部設置有支護架(3)，所述支護架(3)包括支護架(3)、下層型鋼(31)、中層型鋼(32)、上層型鋼(33)、立柱型鋼(34)、橫向連接型鋼(35)、鋼索限位鋼片(36)、鋼索(37)、錨頭(38)、混凝土墊層(39)、拉索(40)和拉環(41)，所述下層型鋼(31)位于地鐵隧道上部，所述下層型鋼(31)上部設置有中層型鋼(32)，所述中層型鋼(32)上部設置有上層型鋼(33)，所述上層型鋼(33)上部設置有立柱型鋼(34)，所述立柱型鋼(34)上部設置有橫向連接型鋼(35)，所述橫向連接型鋼(35)上部通過螺栓安裝有鋼索限位鋼片(36)，所述鋼索(37)從鋼索限位鋼片(36)穿過，所述鋼索限位鋼片(36)用于限制鋼索(37)前后移動，所述鋼索(37)的兩端分別通過錨頭(38)固定在冠梁(22)上，可以通過調節鋼索(37)的拉力，可主動控制地面的位移和變形，所述立柱型鋼(34)的數量為2-8個，所述立柱型鋼(34)之間通過交叉的拉索(40)連接，所述下層型鋼(31)下部設置有混凝土墊層(39)。2.如權利要求1所述的一種保護既有地鐵的預應力支護體系，其特征在于:所述錨頭(38)包括外套(381)和內固定塊(382)，所述內固定塊(382)的個數為2個，兩個內固定塊(382)工作狀態呈錐筒狀，所述外套(381)內設置設置有錐形孔，所述內固定塊(382)設置在錐形孔中，所述鋼索(37)從內固定塊(382)之間穿過。3.如權利要求1所述的一種保護既有地鐵的預應力支護體系，其特征在于:所述立柱型鋼(34)的數量為4個，所述立柱型鋼(34)上通過螺紋固定安裝有拉環(41)，所述拉索(40)的端部固設在拉環(41)上。4.一種保護既有地鐵的預應力支護體系施工方法，其特征在于:通過以下步驟實現: a)修筑抗拔支護粧(5)，在地鐵隧道的兩側利用打孔設備打出柱狀孔，然后安裝鋼筋籠并向粧孔內澆筑水泥，最終造出抗拔支護粧； b)第一次挖土(6)，通過挖土設備間隔一定距離將地鐵隧道上部的部分土移除； c)第一次設置支護架(7)，在已經移除土的地面安裝支護架； d)第二次挖土(8)，將c)步驟中間隔挖土剩余的地段的土挖出； e)第二次設置支護架(9)，在d)步驟中挖出土的地面上安裝支護架； f)施工準備(10)，準備新建筑的用料和測量工作； g)修建建筑基礎(11)，在支護架之間的間隙修建新建筑支撐梁； h)拆除支護架(12)，新建筑支撐梁修建好后，支護架可以拆除； i)完成建筑施工(13)，最終完成新建筑施工。5.如權利要求4所述的一種保護既有地鐵的預應力支護體系施工方法，其特征在于:所述步驟b)第一次挖土(6)，間隔距離與支護架的長度相同。
【文檔編號】E02D17/04GK105926637SQ201610480861
【公開日】2016年9月7日
【申請日】2016年6月28日
【發明人】吳龍梁, 何奇, 許濤, 李文龍, 吳佳曉, 劉歡, 劉曉旭, 段海濤, 陳頂, 李玉國
【申請人】吳龍梁