一种采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法及应用

1.本发明涉及一种地下空间结构施工，具体地说是一种采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法及应用，特别是涉及一种管幕预筑隧道衬砌结构采用“钢板—素混凝土—钢板”结构的地下空间结构施工方法及应用。


背景技术：

2.随着社会、经济的发展，城市地下空间的开发与利用进入快速发展时期。针对城市中密集的的建筑物、路面交通和各类地下管网，如何合理开发利用地下空间和妥善保护周边环境，对地下工程施工技术提出了更高的要求。以往的明挖法需要部分或全部中断地面交通，施工对周边环境的影响大，逐渐被人摒弃。一些暗挖施工方法日益受人推崇，尽可能减少对周边环境的影响已经成为业内共识。
3.文献1：论文《管幕预筑隧道衬砌结构现场监测分析》（《岩土工程学报》2012年第8期 p.1541-1547页）公开了一种管幕预筑法（简称ppm），其地下结构是利用超大直径顶管群相互贯通形成管廊，在管廊内逆作的，然后，在逆作地下永久结构的支护下再进行土方的大开挖（p.1541-1542页）。同时，考察了管幕预筑隧道衬砌结构在土方大开挖过程中的力学响应，对中国首个采用管幕预筑法的工程进行了现场试验，得到了其动态变化规律，积累了现场实测数据，为判断隧道安全稳定提供了参考数据，确保了管幕预筑法的成功应用。现场监测试验表明，管幕预筑隧道衬砌结构的应力和变形均很小，最大应力监测值仅为强度设计值的30﹪，管幕预筑隧道衬砌结构的承载能力没有得到充分应用。
4.从文中描述可知，管幕预筑隧道衬砌结构实际由钢管廊道两侧的钢板和钢管廊道内部的钢筋混凝土组成的“钢板—钢筋混凝土—钢板”结构。该结构主要存在以下缺点：一是没有考虑钢管两侧钢板的承载作用，而是将其仅仅作为内部钢筋混凝土结构施工的前期措施和模板；二是在钢管内的钢筋混凝土施工过程中，钢筋绑扎空间小，难度大，施工环境差。
5.文献2：论文《管幕预筑浅埋隧道稳定性分析》（《中南大学学报》2012年第43卷（第9期） p.3646-3651页）对ppm建造的浅埋大断面隧道施工引起的地表沉降和衬砌结构的环向应力进行监测，监测应力仅为设计强度的31.4﹪-42.9﹪，表明采用较常规设计方法小的衬砌厚度即可维持隧道的稳定性，预筑衬砌结构的厚度可进一步减小。
6.文献2所公开的管幕预筑隧道衬砌结构也是由钢管廊道两侧的钢板和钢管廊道内部的钢筋混凝土组成的“钢板—钢筋混凝土—钢板”结构。也存在与文献1同样的问题。
7.文献3：中国专利cn107060845b中公开了一种用地下空间结构建造施工方法，该方法首先按地下空间结构横向剖面的轮廓形状开挖导洞，导洞之间间隔3～8米，然后沿导洞的轴向每间隔2～8米，开挖各导洞径向方向之间的连接洞，再在连接洞内绑扎钢筋并注满自密实混凝土，然后在导洞内分段浇筑绑扎钢筋并浇筑混凝土，与连接洞内的混凝土形成地下空间结构的上部混凝土支撑结构，然后对上部混凝土支撑结构内的土方进行开挖，再施作仰拱，直至完成整个地下空间结构的施工。
8.文献4：中国专利cn106930768b中公开了一种隧洞施工方法，该方法是先开挖纵向施工洞，每间隔2～8米在纵向施工洞的侧面开口挖出侧洞，在侧洞内开挖与相邻侧洞连通的横向施工洞，然后往横向施工洞内注满自密实混凝土，形成隧洞的钢筋混凝土初期支撑结构，对钢筋混凝土初期支撑结构内的土方进行开挖，并对横向施工洞之间的隧洞洞壁土体挂钢筋网和喷射混凝土，形成护壁，然后分段绑扎钢筋和浇筑混凝土形成隧洞的底板，直至完成整个隧洞的施工。
9.文献3、4中的管幕预筑隧道衬砌结构均为“钢板—钢筋混凝土—钢板”结构，同样也存在文献1、2中存在的两个缺点。


技术实现要素：

10.本发明的目的是提供一种采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法及应用，其管幕预筑隧道衬砌结构采用“钢板—素混凝土—钢板”结构，在保证管幕预筑隧道衬砌结构满足施工要求及安全的前提下，避免材料浪费，从而节约成本。
11.文献1与文献2均没有给出将“钢板—钢筋混凝土—钢板”结构优化为“钢板—素混凝土—钢板”结构的启示，监测应力占强度设计值的比重存在差距，是因为施工过程中应力有重分布过程，但比重仍然小于42.9%，优化空间很大。
12.本发明是采用如下技术方案实现其发明目的的，一种采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法，它包括以下步骤：
⑴
采用顶管法施工，沿地下空间结构横向剖面的轮廓线依次顶进钢管，挖除钢管内土方；本发明在步骤
⑴
中，钢管间间距为200毫米～500毫米，所述钢管的直径为1500毫米～2000毫米、管壁厚度10毫米～20毫米。
13.⑵
在各施工段依次去除钢管间土方，在钢管间焊接钢板，使各钢管之间连接并贯通形成管廊空间；本发明在步骤
⑵
中，第一步，在相邻钢管内侧的对应位置分别跳格切除钢板，挖除钢管间对应的土方，形成管间侧洞，使相邻钢管之间通过管间侧洞连通，管间侧洞之间的间距为1000毫米～1500毫米；第二步，将封闭钢板焊接在钢管上，封闭管间侧洞两端，形成相邻钢管间的管间支撑柱，同时，在管间侧洞纵向两侧分别焊接与钢管连接的支撑钢板；第三步，重复第一步、第二步，直至完成施工段；第四步，在相邻钢管内侧相邻管间支撑柱之间对应位置分别切除钢板，挖除钢管间对应的土方，在钢管上焊接连接钢板与第二步中的支撑钢板连接成整体，使各钢管之间连接并贯通形成管廊空间。
14.⑶
往管廊空间内浇筑混凝土，形成“钢板—素混凝土—钢板”的管幕预筑隧道衬砌结构；
⑷
在管幕预筑隧道衬砌结构支撑下，开挖地下空间内土方，施工地下结构底板，直至完成整个地下空间结构的施工。
15.为提高管间支撑柱的强度，本发明第二步是：将封闭钢板焊接在钢管上，封闭管间侧洞两端，同时，在管间侧洞纵向两侧分别焊接与钢管连接的支撑钢板，用混凝土充填管间侧洞，形成相邻钢管间的管间支撑柱。
16.一种如上所述的采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法在地下工程施工领域
应用，即应用于大跨度的隧洞或地下厂房或地铁车站或地下通道或人防工程的施工。
17.一种采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法，它包括以下步骤：
⑴
采用顶管法施工，沿地下空间结构横向剖面的轮廓线依次顶进钢管，挖除钢管内土方；本发明在步骤
⑴
中，钢管间间距为200毫米～500毫米，所述钢管的直径为1500毫米～2000毫米、管壁厚度10毫米～20毫米。
18.⑵
第一步，在相邻钢管内侧的对应位置分别跳格切除钢板，挖除钢管间对应的土方，形成管间侧洞，使相邻钢管之间通过管间侧洞连通，管间侧洞之间的间距为1000毫米～1500毫米；第二步，将封闭钢板焊接在钢管上，封闭管间侧洞两端，形成相邻钢管间的管间支撑柱，同时，在管间侧洞纵向两侧分别焊接与钢管连接的支撑钢板；第三步，重复第一步、第二步，直至完成施工段，使各钢管之间连接并贯通形成管廊空间；
⑶
往管廊空间内浇筑混凝土，形成“钢板—素混凝土—钢板”的管幕预筑隧道衬砌结构；
⑷
在管幕预筑隧道衬砌结构支撑下，开挖地下空间内土方后，在管幕预筑隧道衬砌结构内侧土方露出部位的钢管间焊接连接钢板，与支撑钢板连接，使管幕预筑隧道衬砌结构内侧形成封闭空间，再施工地下结构底板，直至完成整个地下空间结构的施工。
19.为进一步提高管幕预筑隧道衬砌结构的强度，本发明步骤
⑷
为在管幕预筑隧道衬砌结构支撑下，开挖地下空间内土方后，在管幕预筑隧道衬砌结构内侧土方露出部位的钢管间焊接钢筋网与支撑钢板连接，并喷射混凝土，使管幕预筑隧道衬砌结构内侧形成封闭空间，再施工地下结构底板，直至完成整个地下空间结构的施工。
20.一种如上所述的采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法在地下工程施工领域应用，即应用于大跨度的隧洞或地下厂房或地铁车站或地下通道或人防工程的施工。
21.由于采用上述技术方案，本发明较好的实现了发明目的，管幕预筑隧道衬砌结构采用“钢板—素混凝土—钢板”结构，充分利用了该结构两侧钢板的承载能力，钢管内无需绑扎钢筋，避免了钢材材料的浪费，也简化了施工工序，施工安全，具有很好的经济效益、环境效益和社会效益。
附图说明
22.图1是本发明实施例1步骤
⑴
的示意图；图2是本发明实施例1步骤
⑵
的示意图；图3是本发明实施例1步骤
⑶
的示意图；图4是本发明实施例1步骤
⑷
的示意图；图5是本发明实施例1步骤
⑵
中第一步的示意图；图6是本发明实施例1步骤
⑵
中第二步的示意图；图7是本发明实施例1步骤
⑵
中第四步的示意图；图8是本发明实施例2步骤
⑵
中第二步的示意图；图9是本发明实施例2步骤
⑵
中第四步的示意图；图10是本发明实施例3步骤
⑵
中第三步的示意图。
23.1-钢管、2－管间侧洞、3－封闭钢板、4－支撑钢板、5－管间支撑柱、6－连接钢板、
7－地下空间、8-管幕预筑隧道衬砌结构、9-底板。
具体实施方式
24.下面结合附图及实施例对本发明作进一步说明。
25.实施例1：由图1、图2、图3、图4可知，一种采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法，它包括以下步骤：
⑴
采用顶管法施工，沿地下空间结构横向剖面的轮廓线依次顶进钢管1，挖除钢管1内土方，如图1所示；本发明在步骤
⑴
中，钢管1间间距为200毫米～500毫米（本实施例为200毫米），所述钢管1的直径为1500毫米～2000毫米（本实施例为2000毫米）、管壁厚度10毫米～20毫米（本实施例为20毫米）。
26.⑵
在各施工段依次去除钢管1间土方，在钢管1间焊接钢板，使各钢管1之间连接并贯通形成管廊空间，如图2所示；作为该步骤的具体实施方式之一，由图5、图6、图7可知，本发明在步骤
⑵
中，第一步，在相邻钢管1内侧的对应位置分别跳格切除钢板，挖除钢管1间对应的土方，形成管间侧洞2，使相邻钢管1之间通过管间侧洞2连通，管间侧洞2之间的间距为1000毫米～1500毫米（本实施例为1000毫米），如图5所示；第二步，将封闭钢板3焊接在钢管1上，封闭管间侧洞2两端，形成相邻钢管1间的管间支撑柱5，同时，在管间侧洞2纵向两侧分别焊接与钢管1连接的支撑钢板4，如图6所示；第三步，重复第一步、第二步，直至完成施工段；第四步，在相邻钢管1内侧相邻管间支撑柱5之间对应位置分别切除钢板，挖除钢管1间对应的土方，在钢管1上焊接连接钢板6与第二步中的支撑钢板4连接成整体，使各钢管1之间连接并贯通形成管廊空间，如图7所示。
27.⑶
往管廊空间内浇筑混凝土，形成“钢板—素混凝土—钢板”的管幕预筑隧道衬砌结构8，如图3所示；
⑷
在管幕预筑隧道衬砌结构8支撑下，开挖地下空间7内土方，施工地下结构底板9，直至完成整个地下空间结构的施工，如图4所示。
28.取消管幕预筑隧道衬砌结构8内部的钢筋，地质条件等其它计算参数与文献1、文献2相同，采用数值分析进行仿真试验，管幕预筑隧道衬砌结构8的最大计算应力值占设计值强度值的比重均小于51.3%，表明“钢板—素混凝土—钢板”结构的可靠、可行和优越。
29.一种如上所述的采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法在地下工程施工领域应用，即应用于大跨度的隧洞或地下厂房或地铁车站或地下通道或人防工程的施工。
30.由于本发明的管幕预筑隧道衬砌结构采用“钢板—素混凝土—钢板”结构，充分利用了该结构两侧钢板的承载能力，钢管内无需绑扎钢筋，避免了钢材材料的浪费，也简化了施工工序，施工安全，具有很好的经济效益、环境效益和社会效益。
31.实施例2：由图8、图9可知，为提高管间支撑柱的强度，本发明第二步是：将封闭钢板3焊接在钢管1上，封闭管间侧洞2两端，同时，在管间侧洞2纵向两侧分别焊接与钢管1连接的支撑钢板4，用混凝土充填管间侧洞2，形成相邻钢管1间的管间支撑柱5。
32.余同实施例1。
33.实施例3：一种采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法，它包括以下步骤：
⑴
采用顶管法施工，沿地下空间结构横向剖面的轮廓线依次顶进钢管1，挖除钢管1内土方；本发明在步骤
⑴
中，钢管1间间距为200毫米～500毫米（本实施例为200毫米），所述钢管1的直径为1500毫米～2000毫米（本实施例为2000毫米）、管壁厚度10毫米～20毫米（本实施例为20毫米）。
34.⑵
第一步，在相邻钢管1内侧的对应位置分别跳格切除钢板，挖除钢管1间对应的土方，形成管间侧洞2，使相邻钢管1之间通过管间侧洞2连通，管间侧洞2之间的间距为1000毫米～1500毫米（本实施例为1500毫米）；第二步，将封闭钢板3焊接在钢管1上，封闭管间侧洞2两端，形成相邻钢管1间的管间支撑柱5，同时，在管间侧洞2纵向两侧分别焊接与钢管1连接的支撑钢板4；第三步，重复第一步、第二步，直至完成施工段，使各钢管1之间连接并贯通形成管廊空间；如图10所示。
35.⑶
往管廊空间内浇筑混凝土，形成“钢板—素混凝土—钢板”的管幕预筑隧道衬砌结构8；
⑷
在管幕预筑隧道衬砌结构支撑下，开挖地下空间内土方后，在管幕预筑隧道衬砌结构内侧土方露出部位的钢管间焊接连接钢板，与支撑钢板连接，使管幕预筑隧道衬砌结构内侧形成封闭空间，再施工地下结构底板，直至完成整个地下空间结构的施工。
36.取消管幕预筑隧道衬砌结构内部的钢筋，其它计算参数与文献1、文献2相同，采用数值分析进行仿真试验，管幕预筑隧道衬砌结构8的最大计算应力值占设计值强度值的比重均小于64.6%，表明“钢板—素混凝土—钢板”结构的可靠、可行和优越。
37.一种如上所述的采用管幕预筑法的地下空间结构施工方法在地下工程施工领域应用，即应用于大跨度的隧洞或地下厂房或地铁车站或地下通道或人防工程的施工。
38.实施例4：为进一步提高管幕预筑隧道衬砌结构8的强度，本发明步骤
⑷
为在管幕预筑隧道衬砌结构8支撑下，开挖地下空间内土方后，在管幕预筑隧道衬砌结构内侧土方露出部位的钢管1间焊接钢筋网与支撑钢板连接，并喷射混凝土，使管幕预筑隧道衬砌结构8内侧形成封闭空间，再施工地下结构底板，直至完成整个地下空间结构的施工。
39.余同实施例3。