一种跨越复杂溶洞群多跨预应力弹性地基梁结构及施工方法与流程

1.本发明涉及溶洞群隧道施工技术领域，尤其涉及一种跨越复杂溶洞群多跨预应力弹性地基梁结构及施工方法。


背景技术：

2.现有拱腰以上隧道开挖面外溶洞发育深度大于2.0m，溶洞宽度小于隧道开挖面的情况：主要有以下两种处理情况：
3.(1)溶洞内无填充物有水：采用泵送c30砼浇筑，最薄厚度不小于80cm，要求两侧嵌入岩石内不小于50cm，并施作约1.2*1.2m间距的锚杆，锚杆深入围岩不小于1.5m。以上施工完后再施作原结构的喷射砼和钢筋网初期支护等。对此处隧道进行扩挖，埋设hdpe波纹管连通原溶洞水路，并通过钢筋砼管接入中心排水管沟中。(2)溶洞内无填充物无水：采用泵送c30砼浇筑，最薄厚度不小于80cm，要求两侧嵌入岩石内不小于50cm，并施作约 1.2*1.2m间距的锚杆，锚杆深入围岩不小于1.5m。以上施工完后再施作原结构的喷射砼和钢筋网初期支护等。施工时注意预埋hdpe双壁波纹管。
4.现有拱腰以上隧道开挖面外溶洞发育深度大于2.0m，溶洞宽度小于隧道开挖面的溶洞以及基地溶洞发育深度大于5.0m，溶洞宽度小于隧道开挖面的处理情况。(1)基底大溶洞：采用架设钢筋砼桥板通过，应保证板两端架设与稳固基础上，基地承载力大于1200kpa，否则应进行处治。拱腰溶洞内有填充物：全环改用加强型衬砌。(2)施工时先水平施作超前支护措施，开挖采用预裂爆破，施作钢拱架，注意钢架基脚处适当扩挖，保证基础牢靠；然后施作锁脚锚杆，铺钢筋网，二次衬砌可根据溶洞发育情况，考虑采用钢筋砼结构。施工时注意预埋hdpe透水管并加密此地段环向排水管。
5.现有基础及路面下大型溶洞，需采用跨越处理的情况，主要有以下两种处理情况：(1)溶洞在某一方向宽度较窄：采用钢筋混凝土梁跨越，梁高50～ 100cm。施工时注意预埋hdpe透水管。(2)溶洞发育相对较宽：采用设扩大基础或桩基，并设钢筋混凝土梁跨越。施工时注意预埋hdpe透水管。
6.现有技术主要是针对溶洞在某一方向宽度较窄或基础及路面下大型溶洞发育相对较宽、溶洞侵入隧道轮廓范围较小等情况，采用钢筋混凝土梁跨越、设扩大基础或桩基，并设钢筋混凝土梁跨越或架设钢筋砼桥板通过。当溶洞存在填充物水时，埋设hdpe透水管排水。当前设计并无专门针对隧道跨越大型连通型隐伏溶洞群的处治措施方案，本发明提供一种跨越大型连通型隐伏溶洞群的多跨预应力弹性地基梁结构及其施工方法，解决现有技术的溶洞内钢筋砼梁桩基施工困难、难以承受纵向变形、洞内预应力施加困难等问题，为上部隧道结构穿越复杂溶洞群提供保障，确保隧道结构安全。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种跨越复杂溶洞群多跨预应力弹性地基梁结构及施工方法，解决背景技术中提到的技术问题。
8.一种跨越复杂溶洞群多跨预应力弹性地基梁结构，包括垫台和预应力梁，垫台设置在预应力梁的底部，预应力梁设置在仰拱的底部，探测选取溶洞完整基岩区域作为垫台的基桩，预应力梁沿隧道路线方向设置，采用现场现浇方式施工，垫台包括承台和水平传力构造板，承台设置在基桩上，水平传力构造板设置在承台上，预应力梁设置在水平传力构造板上。
9.进一步地，预应力梁包括第一预应力梁和第二预应力梁，第一预应力梁和第二预应力梁水平平行设置，底部均设置有垫台，第一预应力梁和第二预应力梁均包括厚钢板和钢筋混凝土梁体，厚钢板水平设置在垫台上，钢筋混凝土梁体设置在厚钢板上，厚钢板作为钢筋混凝土梁体浇筑模板，第一预应力梁和第二预应力梁之间的间隙和两侧间隙均注入自膨胀水泥砂浆充填。
10.进一步地，承台包括混凝土垫体和临时支撑底模，混凝土垫体设置在基桩上，且设置为凸型结构，临时支撑底模设置在混凝土垫体顶部两侧，临时支撑底模与混凝土垫体的凸顶相平，预应力梁在预应力筋张拉前先将临时支撑底模拆除。
11.进一步地，水平传力构造板由两块不锈钢板组成，两块不锈钢板相互叠在混凝土垫体的凸顶上，在张拉预应力时，两块不锈钢板之间相互滑动，使预应力梁在纵向方向上实现变形，在梁体上施加上预应力，在张拉完预应力后，临时支撑底模的拆除空隙注入自膨胀水泥砂浆充填密实。
12.进一步地，当探测选取溶洞的基岩区域不符合基桩规格大小时，在基岩区域的周围设置若干根微型桩，微型桩包括石砼、纵向钢筋、箍筋和钢管护壁，箍筋设置在若干根纵向钢筋的外侧，纵向钢筋和箍筋放入钢管护壁内，然后浇筑石砼，微型桩的深度不小于10米。
13.进一步地，还设置有排水结构，排水结构包括引水构造和导水构造，引水构造用于将溶洞内的水引流至导水构造，导水构造用于汇水，同时对于流速较快的水流起缓冲消能作用，避免形成突发高水压，引水构造包括连通上下溶洞的预埋顶端排水管和回填在下方溶洞的回填片石，预埋顶端排水管用于将上方溶洞的水引流到上下溶洞的回填片石缝隙中。
14.进一步地，导水构造包括导流槽和引流管，导流槽设置在仰拱底的底部，导流槽设置为向下开口结构，引流管设置在回填片石之间，引流管将回填片石之间缝隙与导流槽连通，排水结构还包括排水管、轻质泡沫混凝土缓冲层和混凝土层，导流槽设置在预应力梁与回填片石之间，排水管设置在仰拱底的上方，轻质泡沫混凝土缓冲层设置在混凝土层的上方，顶端排水管预埋在轻质泡沫混凝土缓冲层、混凝土层、回填片石内部。
15.一种跨越复杂溶洞群多跨预应力弹性地基梁结构的施工方法，基槽开挖或弱爆破开挖，施作初期支护，形成梁浇筑空间，施工临时支撑，锁脚钢管桩，选取完整基岩区域作为预应力梁垫台，对于面积不符合的垫台区域规格大小的，采用在基岩区域的外侧设置微型桩的方式扩大垫台区域，施作垫台支座，布置全梁通长型钢，回填水泥砂浆找平，其上布置临时支撑底模，临时支撑底模上部设置一块厚不锈钢垫板作为浇筑模板，在预应力梁左右两侧预留空隙，采用钢板和钢筋作为侧模板，绑扎钢筋，预埋预应力孔道，分段浇筑跨越梁，清除梁底临时支撑及浇筑模板，张拉预应力筋，封锚，在原临时支撑底模及侧模板位置处注入自膨胀水泥砂浆充填，浇筑后浇带。
16.进一步地，选取完整基岩区域作为预应力梁垫台的过程为，对梁底岩体向下钻孔探测，排除存在隐伏溶洞的区域，选取完整基岩区域作为预应力梁垫台，微型桩有效桩径不小于20cm，桩顶应嵌入混凝土垫台50cm，微型桩嵌入完整基岩不小于8m，桩长不小于10m，微型桩采用细石混凝土浇筑，桩身强度不小于c50，细石骨料颗粒不大于1.5cm，每根桩内均匀布置4根φ18 的纵向通长钢筋，箍筋采用φ8钢筋，桩两端箍筋间距为10cm，中间间距为 20cm，钢筋笼连接时采用焊接，焊接长度不小于10倍钢筋直径，钻孔过程中采用钢管护壁，施工完成，凿除桩顶50cm的混凝土，露出钢筋，浇筑c30 混凝土垫台，垫台内设有总共三层直径18钢筋网，间距20
×
20cm,净保护层 4cm，在承台凸起支座处增加一层18钢筋网，间距为10
×
10cm。
17.进一步地，隧道底部揭露溶洞段回填片石或混凝土，或者利用临时栈桥，作为支模基础，梁底扩挖，布置全梁通长i20b型钢加强整体性和安全性，i20b 型钢的连接应采用对接焊，并回填m30水泥砂浆找平，梁体预应力筋张拉前，先清除临时支撑底模，消除临时约束变形，提高梁跨结构的纵向变形能力，张拉完成后，在原临时支撑位置处注入自膨胀水泥砂浆充填，待水泥砂浆凝固后，检查是否由收缩缝，若有，则往收缩缝中二次压浆填充密实，使梁体与梁底岩体紧密接触，发挥梁底岩体承载能力，跨越梁靠近钢架的侧面应先留有空隙，在混凝土施加预应力前应抽除，保障纵向变形能力，梁体施加预应力后，设置缝隙封底板，填充两梁之间预留的缝隙，填充采用灌注自膨胀水泥浆，填充料不得填塞导流槽，在垫台区域，第一预应力梁和第二预应力梁在塑料隔离硬板之间设置水平传力构造板，辅助传递水平力，梁端部留有后浇带，施工期间梁沿纵向的自由收缩，并为预应力筋张拉提供工作面，后浇带应在温度较低的夜间施作。
18.本发明采用了上述技术方案，本发明具有以下技术效果：
19.本发明通过在梁底布置临时支撑，为梁体浇筑混凝土提供竖向支撑力。在张拉预应力前，清除梁底临时支撑和四周浇筑模板，为张拉预应力时梁体纵向变形提供空间，在原临时支撑位置处注入自膨胀水泥砂浆充填，使梁体与梁底岩体紧密接触，发挥梁底岩体承载能力，采用“微型桩 承台”的方式提供梁体基础，承台和微型桩可在有限空间内施工，操作方便，对围岩扰动更小，效率快、成效好，原侧模板及梁体中间缝隙位置注入自膨胀水泥砂浆充填，并在垫台位置处在两梁体间设置水平传力构造板，辅助传递水平力，减少围岩在水平方向发生的位移收敛。
附图说明
20.图1为本发明梁体平面布置图。
21.图2为本发明垫台剖面图。
22.图3为本发明微型桩平面布置图。
23.图4为本发明地基梁结构剖面图。
24.图5为本发明微型桩剖面图。
25.图6为本发明溶洞排水结构剖面图。
26.图中标号：1.1-第一预应力梁；1.11-厚钢板；1.2-第二预应力梁；1.3-承台；1.31-混凝土垫体；1.32-临时支撑底模；1.34-微型桩；1.341-石砼；1.342
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纵向钢筋；1.343-箍筋；1.344-钢管护壁；1.4-水平传力构造板；1.41-不锈钢板； 1.5-溶洞包络线；1.6-隐伏溶
洞包络线；2.1-排水管；2.2-导流槽；2.4-引流管； 2.5-回填片石；2.6-预埋顶端排水管；2.7-轻质泡沫混凝土缓冲层；2.8-混凝土层；2.9-溶洞轮廓。
具体实施方式
27.为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
28.一种跨越复杂溶洞群多跨预应力弹性地基梁结构，包括垫台和预应力梁，垫台设置在预应力梁的底部，预应力梁设置在仰拱的底部，探测选取溶洞完整基岩区域作为垫台的基桩，预应力梁沿隧道路线方向设置，采用现场现浇方式施工，垫台包括承台1.3和水平传力构造板1.4，承台1.3设置在基桩上，水平传力构造板1.4设置在承台1.3上，预应力梁设置在水平传力构造板1.4上。应力梁沿隧道路线方向设置，采用现场现浇方式施工，预应力梁底部采用厚钢板作为浇筑模板，在施工完成后厚钢板保留作为永久结构，在厚钢板下部设置临时支撑(砂模)，在预应力梁左右两侧预留空间施作临时浇筑模板，在张拉预应力前清除临时支撑和临时浇筑模板，提高梁体沿纵向变形能力，在预应力施加后，在临时支撑和临时浇筑模板的原位置注入自膨胀水泥砂浆充填密实。
29.本发明实施例中，如图1所示，预应力梁包括第一预应力梁1.1和第二预应力梁1.2，第一预应力梁1.1和第二预应力梁1.2水平平行设置，底部均设置有垫台，第一预应力梁1.1和第二预应力梁1.2均包括厚钢板1.11和钢筋混凝土梁体，厚钢板1.11水平设置在垫台上，钢筋混凝土梁体设置在厚钢板1.11 上，厚钢板1.11作为钢筋混凝土梁体浇筑模板，第一预应力梁1.1和第二预应力梁1.2之间的间隙和两侧间隙均注入自膨胀水泥砂浆充填。隧道底部揭露溶洞段回填片石或混凝土，或者利用临时栈桥，作为支模基础。梁底适当扩挖，布置全梁通长i20b型钢加强整体性和安全性，i20b型钢的连接应采用对接焊，并回填m30水泥砂浆找平。其上布置10cm厚临时支撑底模(砂模)，底模上部设置一块5mm厚不锈钢垫板作为浇筑模板。在预应力梁左右两侧预留空隙，采用钢板、钢筋等作为侧模板。
30.现有技术中溶洞跨越方案采用钢筋混凝土梁板结构，不施加预应力，所能实现跨径相对较小，在大型溶洞中适用性不强。本发明所述的一种跨越大型连通型隐伏溶洞群的多跨预应力弹性地基梁结构，通过在梁底布置临时支撑，为梁体浇筑混凝土提供竖向支撑力。在张拉预应力前，清除梁底临时支撑和四周浇筑模板，为张拉预应力时梁体纵向变形提供空间。本发明提供了跨越溶洞现浇混凝土梁预应力张拉技术，为预应力梁跨越大型溶洞施工提供技术基础。
31.现有技术中未充分考虑梁体与梁底岩体的相互作用，无法利用梁底岩体的承载能力。本发明所述的一种跨越大型连通型隐伏溶洞群的多跨预应力弹性地基梁结构，在原临时支撑位置处注入自膨胀水泥砂浆充填，使梁体与梁底岩体紧密接触，发挥梁底岩体承载能力。
32.现有技术中一般采用大直径桩基础，在隧道中施工空间有限，难以施作大直径桩基础。本发明所述的一种跨越大型连通型隐伏溶洞群的多跨预应力弹性地基梁结构，采用“微型桩 承台”的方式提供梁体基础，承台和微型桩可在有限空间内施工，操作方便，对围
岩扰动更小，效率快、成效好。
33.现有技术未考虑围岩在水平方向发生位移收敛对结构的影响。本发明所述的一种跨越大型连通型隐伏溶洞群的多跨预应力弹性地基梁结构，在侧面模板及梁体中间缝隙位置注入自膨胀水泥砂浆充填，并在垫台位置处在两梁体间设置水平传力构造板，辅助传递水平力，减少围岩在水平方向发生的位移收敛。
34.本发明实施例中，承台1.3包括混凝土垫体1.31和临时支撑底模1.32，混凝土垫体1.31设置在基桩上，且设置为凸型结构，临时支撑底模1.32设置在混凝土垫体1.31顶部两侧，临时支撑底模1.32与混凝土垫体1.31的凸顶相平，预应力梁在预应力筋张拉前先将临时支撑底模1.32拆除。
35.本发明实施例中，如图2所示，水平传力构造板1.4由两块不锈钢板1.41 组成，两块不锈钢板1.41相互叠在混凝土垫体1.31的凸顶上，在张拉预应力时，两块不锈钢板1.41之间相互滑动，使预应力梁在纵向方向上实现变形，在梁体上施加上预应力，在张拉完预应力后，临时支撑底模1.32的拆除空隙注入自膨胀水泥砂浆充填密实。
36.本发明实施例中，如图5所示，当探测选取溶洞的基岩区域不符合基桩规格大小时，在基岩区域的周围设置若干根微型桩1.34，微型桩1.34包括石砼 1.341、纵向钢筋1.342、箍筋1.343和钢管护壁1.344，箍筋1.343设置在若干根纵向钢筋1.342的外侧，纵向钢筋1.342和箍筋1.343放入钢管护壁1.344 内，然后浇筑石砼1.341，微型桩1.34的深度不小于10米。
37.微型桩有效桩径不小于20cm，桩顶应嵌入混凝土垫台50cm。微型桩应嵌入完整基岩不小于8m，桩长不应小于10m。微型桩采用细石混凝土浇筑，桩身强度不小于c50，细石骨料颗粒不大于1.5cm。每根桩内均匀布置4根φ 18的纵向通长钢筋，箍筋采用φ8钢筋，桩两端箍筋间距为10cm,中间间距为 20cm。钢筋笼连接时应采用焊接，焊接长度不小于10倍钢筋直径。钻孔过程中采用钢管护壁。施工完成并达到一定程度后，凿除桩顶50cm的混凝土，露出钢筋，浇筑c30混凝土垫台，垫台内设有总共三层直径18钢筋网，间距 20
×
20cm,净保护层4cm,在承台凸起支座处增加一层18钢筋网，间距为10
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10cm。施工前应进行施工工艺试桩，试桩数量应根据试桩效果增减，施工时应采用隔桩施作等方式减小施工对巳施作微型桩的影响。将钢筋笼或钢管放入桩内时，应采取定位措施，防止发生偏移或弯曲等，确保钢筋笼或者钢管垂直位于桩内中心。
38.本发明实施例中，如图6所示，还设置有排水结构，排水结构包括引水构造和导水构造，引水构造用于将溶洞内的水引流至导水构造，导水构造用于汇水，同时对于流速较快的水流起缓冲消能作用，避免形成突发高水压，引水构造包括连通上下溶洞的预埋顶端排水管2.6和回填在下方溶洞的回填片石2.5，预埋顶端排水管2.6用于将上方溶洞的水引流到上下溶洞的回填片石 2.5缝隙中。导水构造包括导流槽2.2和引流管2.4，导流槽2.2设置在仰拱底的底部，导流槽2.2设置为向下开口结构，引流管2.4设置在回填片石2.5之间，引流管2.4将回填片石2.5之间缝隙与导流槽2.2连通，排水结构还包括排水管2.1、轻质泡沫混凝土缓冲层2.7和混凝土层2.8，导流槽2.2设置在预应力梁与回填片石2.5之间，排水管2.1设置在仰拱底的上方，轻质泡沫混凝土缓冲层2.7设置在混凝土层2.8的上方，顶端排水管2.6预埋在轻质泡沫混凝土缓冲层、混凝土层、回填片石内部。通过引水构造、导水构造，实现溶洞内水接入隧道内部排水系统排出洞外，同时考虑洞底返水涨水时的排水情况，避
免洞底水流无法排泄，形成高水压，危害隧道结构安全。
39.一种跨越复杂溶洞群多跨预应力弹性地基梁结构的施工方法，基槽开挖或弱爆破开挖，施作初期支护，形成梁浇筑空间，施工临时支撑，锁脚钢管桩，选取完整基岩区域作为预应力梁垫台，对于面积不符合的垫台区域规格大小的，采用在基岩区域的外侧设置微型桩的方式扩大垫台区域，施作垫台支座，布置全梁通长型钢，回填水泥砂浆找平，其上布置临时支撑底模，临时支撑底模上部设置一块厚不锈钢垫板作为浇筑模板，在预应力梁左右两侧预留空隙，采用钢板和钢筋作为侧模板，绑扎钢筋，预埋预应力孔道，分段浇筑跨越梁，清除梁底临时支撑及浇筑模板，张拉预应力筋，封锚，在原临时支撑底模及侧模板位置处注入自膨胀水泥砂浆充填，浇筑后浇带。
40.本发明实施例的施工方法中，选取完整基岩区域作为预应力梁垫台的过程为，对梁底岩体向下钻孔探测，排除存在隐伏溶洞的区域，选取完整基岩区域作为预应力梁垫台，微型桩有效桩径不小于20cm，桩顶应嵌入混凝土垫台50cm，微型桩嵌入完整基岩不小于8m，桩长不小于10m，微型桩采用细石混凝土浇筑，桩身强度不小于c50，细石骨料颗粒不大于1.5cm，每根桩内均匀布置4根φ18的纵向通长钢筋，箍筋采用φ8钢筋，桩两端箍筋间距为 10cm，中间间距为20cm，钢筋笼连接时采用焊接，焊接长度不小于10倍钢筋直径，钻孔过程中采用钢管护壁，施工完成，凿除桩顶50cm的混凝土，露出钢筋，浇筑c30混凝土垫台，垫台内设有总共三层直径18钢筋网，间距 20
×
20cm,净保护层4cm，在承台凸起支座处增加一层18钢筋网，间距为10
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10cm。
41.本发明实施例的施工方法中，隧道底部揭露溶洞段回填片石或混凝土，或者利用临时栈桥，作为支模基础，梁底扩挖，布置全梁通长i20b型钢加强整体性和安全性，i20b型钢的连接应采用对接焊，并回填m30水泥砂浆找平，梁体预应力筋张拉前，先清除临时支撑底模，消除临时约束变形，提高梁跨结构的纵向变形能力，张拉完成后，在原临时支撑位置处注入自膨胀水泥砂浆充填，待水泥砂浆凝固后，检查是否由收缩缝，若有，则往收缩缝中二次压浆填充密实，使梁体与梁底岩体紧密接触，发挥梁底岩体承载能力，跨越梁靠近钢架的侧面应先留有空隙，在混凝土施加预应力前应抽除，保障纵向变形能力，梁体施加预应力后，设置缝隙封底板，填充两梁之间预留的缝隙，填充采用灌注自膨胀水泥浆，填充料不得填塞导流槽，在垫台区域，第一预应力梁和第二预应力梁在塑料隔离硬板之间设置水平传力构造板，辅助传递水平力，梁端部留有后浇带，施工期间梁沿纵向的自由收缩，并为预应力筋张拉提供工作面，后浇带应在温度较低的夜间施作。
42.以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。