明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置和明暗连拱偏压隧道的制作方法

1.本实用新型涉及明暗连拱偏压隧道施工技术领域，特别地，涉及一种明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置和采用所述明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置的明暗连拱偏压隧道。


背景技术：

2.随着我国隧道建造技术的逐步提高，穿越山涧区谷的连拱隧道日益增多，同时也带来了新的挑战和问题，例如：在偏压严重的地形环境中如何有效缓解偏压力；浅埋隧道在开挖过程中如何防止塌方；在地形偏压严重的洞口段，如何保证设计和施工方面的合理性，使得隧道洞口段不会因松散破碎且风化程度高的围岩，而发生坍塌冒顶、边坡滑移等安全事故等等，这些问题也成为相关工程设计和施工中急需解决的重点和难点。
3.具体地，针对明暗连拱偏压隧道的施工作业，由于明挖段对山体扰动效应明显，明挖段隧道相比于暗挖段隧道的支护强度较弱，并且地形产生的侧向力偏向山脚，很容易造成隧道侧向边坡产生滑移。对于作业场地受限且地形严重偏载的连拱隧道洞口段而言，采用传统的重力式抗偏压挡墙对明挖段隧道进行支靠，会受墙身截面大、圬工数量也大，场地受限等因素的影响导致较难施工，其次，若在软弱地基上修建传统重力式偏压挡墙，往往受到承载力的限制，墙高不宜过高，存在倾覆失效的工程灾害风险。因此，如何在山区有限的建造空间环境约束下，在满足安全性和稳定性的前提下进行明暗连拱偏压隧道结构体系的创新，以及提出合理有序的施工方法成为制约山区隧道工程乃至交通工程发展的瓶颈问题。


技术实现要素：

4.本实用新型首要提供一种明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置，以解决现有明暗连拱偏压隧道的施工难度大且支护强度不足的技术问题。
5.本实用新型还提供一种明暗连拱偏压隧道，采用上述明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置。
6.作为第一方面，本实用新型提供一种明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置，用于支靠明暗连拱偏压隧道，所述明暗连拱偏压隧道包括沿山体偏压方向并排设置的暗洞段和明洞段，所述明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置包括l型挡墙、承压桩和锚拔桩；
7.所述l型挡墙包括锚定板、衬挡墙身和衬挡边墙，所述锚定板包括用于压设在所述明洞段下方的抗拔节段和沿所述山体偏压方向延伸突出于所述明洞段的承压节段，所述衬挡墙身沿竖向设于所述承压节段上并用于支靠所述明洞段的侧壁，所述衬挡边墙设于所述衬挡墙身的顶端并与所述明洞段的套拱共同围合成填土空间，所述填土空间用于设置反向填土；
8.所述承压桩设有多根并布设于所述承压节段的底面；
9.所述锚拔桩设有多根并布设于所述抗拔节段的底面。
10.优选地，所述l型挡墙的内部布设有第一组钢筋，所述承压桩的内部布设有与所述
第一组钢筋相互搭接的第二组钢筋，所述锚拔桩的内部布设有与所述第一组钢筋相互搭接的第三组钢筋。
11.更优地，所述第一组钢筋布设于所述锚定板中并延伸至所述衬挡墙身和所述衬挡边墙中。
12.更优地，所述第一组钢筋用于与所述明洞段的套拱中的内钢筋相互搭接。
13.进一步地，所述衬挡墙身朝向所述明洞段的一面设为与所述明洞段的侧壁相匹配的圆弧形结构。
14.进一步地，所述衬挡墙身的高度为所述明洞段的高度的0.6～0.8倍。
15.进一步地，所述衬挡边墙的高度为所述明洞段的高度的0.25～0.3倍，并且所述衬挡边墙的高度大于或等于1米。
16.进一步地，所述衬挡边墙的厚度为所述锚定板的厚度的0.5～0.7倍，并且所述衬挡边墙的厚度大于或等于0.4米。
17.进一步地，所述承压桩的长度大于所述锚拔桩的长度和/或所述承压桩的直径大于所述锚拔桩的直径。
18.进一步地，所述明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置还包括用于设置在所述暗洞段和所述明洞段之间的曲中隔墙。
19.作为第二方面，本实用新型还提供一种明暗连拱偏压隧道，包括沿山体偏压方向并排设置的暗洞段和明洞段，以及上述明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置。
20.本实用新型具有以下有益效果：
21.本实用新型提供的明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置中，通过在l型挡墙的不同位置分别布设承压桩和锚拔桩，并使l型挡墙的锚定板压设在明洞段的底部，l型挡墙的衬挡墙身支靠于明洞段的侧边，能够保证l型挡墙的水平承载力，有效避免l型挡墙发生偏移和不均匀沉降，从而实现稳定支靠明洞段，有利于改善力学性能，使得围岩受力趋于均衡，能够削减因地形因素所产生的侧向压力，优化传统偏压挡墙的尺寸。其次，还能利用衬挡边墙围成的填土空间设置反向填土来平衡部分侧向荷载，进而构成协调受力结构，整体结构紧凑合理，高效可靠，有效提升明暗连拱偏压隧道的稳定性。
22.除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本实用新型还有其它的目的、特征和优点。下面将参照图，对本实用新型作进一步详细的说明。
附图说明
23.构成本技术的一部分的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
24.图1为本实用新型实施例提供的明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置的使用状态参考图；
25.图2为图1所示的抗偏压装置的侧视图；
26.图3为图1所示的抗偏压装置中的桩群结构的平面坐标图；
27.图4为图1所述的抗偏压装置中的桩群结构的立体坐标图。
28.图例说明：
29.1、抗偏压装置；11、l型挡墙；111、锚定板；112、衬挡墙身；113、衬挡边墙；12、承压桩；13、锚拔桩；14、反向填土；15、曲中隔墙；2、暗洞段；3、明洞段；31、套拱。
具体实施方式
30.以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由下述所限定和覆盖的多种不同方式实施。
31.图1至图4共同示出了本实用新型实施例提供的明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置，其用于支靠明暗连拱偏压隧道，能够应用于偏压地形中消减明暗连拱偏压隧道受到的侧向偏压力，使得山体围岩受力趋于均衡，提升隧道的稳定性和安全性。
32.如图1所示，所述明暗连拱偏压隧道包括沿山体偏压方向依次并排设置的暗洞段2和明洞段3，所述暗洞段2直接采用台阶法、crd法等方式在山体中开挖形成，所述明洞段3位于山脚位置，通常先放坡开挖，明做隧道衬砌之后，再回填土形成。
33.所述明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置1(以下简称抗偏压装置)包括l型挡墙11、承压桩12和锚拔桩13，所述l型挡墙11包括锚定板111、衬挡墙身112和衬挡边墙113，所述锚定板111包括用于压设于所述明洞段3下方的抗拔节段和沿所述山体偏压方向延伸突出于所述明洞段3的承压节段，所述抗拔节段和所述承压节段一体成型，所述衬挡墙身112沿竖向设于所述承压节段上并用于支靠所述明洞段3的侧壁，所述衬挡边墙113设于所述衬挡墙身112的顶端并与所述明洞段3的套拱31共同围合成填土空间，所述填土空间用于设置反向填土14。
34.请结合图2，所述承压桩12设有多根，多根承压桩12布设于所述承压节段的底面以共同支撑所述承压节段，所述锚拔桩13设有多根，多根锚拔桩13布设于所述抗拔节段的底面以共同锚固所述抗拔节段，从而通过所述承压桩12和锚拔桩13实现所述锚定板111的定位固定。
35.所述抗偏压装置1通过在所述l型挡墙11的底面不同位置分别布设所述承压桩12和所述锚拔桩13，并使所述l型挡墙11的部分结构压设在所述明洞段3的下方，使所述l型挡墙11的另一部分结构支靠于所述明洞段3的侧边，能够保证所述l型挡墙11的水平承载力，有效避免所述l型挡墙11发生偏移和不均匀沉降，从而实现稳定支靠所述明洞段3，有利于改善所述明暗连拱偏压隧道的力学性能，使得周边围岩受力趋于均衡，能够削减因地形因素所产生的侧向压力，优化传统偏压挡墙的尺寸。其次，还能利用填土空间设置所述反向填土14来平衡部分侧向荷载，进而构成协调受力结构，整体结构紧凑合理，高效可靠，有效提升明暗连拱偏压隧道的稳定性。
36.进一步地，所述承压桩12和所述锚拔桩13均为灌注桩，通过搭设钢筋并灌注混凝土之后形成，结构简单且强度高，方便在施工现场建造成型。
37.优选地，所述l型挡墙11的内部布设有第一组钢筋(图未示，下同)，所述承压桩12的内部布设有第二组钢筋(图未示，下同)，所述锚拔桩13的内部布设有第三组钢筋(图未示，下同)，所述第二组钢筋和所述第三组钢筋均与所述第一组钢筋进行搭接，以使所述承压桩12、锚拔桩13和所述l型挡墙11相互搭接形成一体结构，提升相邻两个构件之间的连接强度和稳定性。
38.更优地，所述第一组钢筋布设于所述锚定板111中并延伸至所述衬挡墙身112和所
述衬挡边墙113中，通过所述第一组钢筋将所述锚定板111、衬挡墙身112和所述衬挡边墙113相互搭接形成一体结构，能够提升所述l型挡墙11的整体结构强度和韧性，使所述l型挡墙11的支靠强度和稳定性更好，不易发生崩塌倾覆。
39.更优地，所述第一组钢筋用于与所述明洞段3的套拱31中的内钢筋相互搭接，通过所述第一组钢筋将所述l型挡墙11和所述明洞段3的套拱31相互搭接形成一体结构，有效提升所述l型挡墙11相对所述明洞段3的连接紧密性，提升支靠效果。
40.在图1中示出，所述衬挡墙身112朝向所述明洞段3的一面设为与所述明洞段3的侧壁相匹配的圆弧形结构，以使所述衬挡墙身112能够完全贴合所述明洞段3的侧壁设置，进一步提升所述l型挡墙11对所述明洞段3的支靠效果。
41.优选地，所述衬挡墙身112的高度为所述明洞段3的高度的0.6～0.8倍，以保证所述衬挡墙身112能够稳定支靠所述明洞段3，并避免所述衬挡墙身112过高而导致提高所述l型挡墙11的重心，保证所述l型挡墙11的稳定性，避免倾覆。具体而言，当所述衬挡墙身112的高度小于所述明洞段3的高度的0.6倍时，所述衬挡墙身112将无法支靠所述明洞段3的重心位置，支护强度不足；当所述衬挡墙身112的高度大于所述明洞段3的高度的0.8倍时，便会导致所述l型挡墙11的重心过高，从而导致所述l型挡墙11的稳定性不足，容易在山体偏压力的作用下发生倾覆。
42.进一步地，所述衬挡边墙113的高度为所述明洞段3的高度的0.25～0.3倍，并且所述衬挡边墙113的高度大于或等于1米，以使所述衬挡边墙113围合成的填土空间能够设置足量的反向填土14，并避免所述衬挡边墙113的高度过高而导致提高所述l型挡墙11的重心。同理，当所述衬挡边墙113的高度大于所述明洞段3的高度的0.3倍时，便会导致所述l型挡墙11的重心过高，从而导致所述l型挡墙11容易在山体偏压力的作用下发生倾覆；而当所述衬挡边墙113的高度小于所述明洞段3的高度的0.25倍时，所述衬挡边墙113将难以抵挡所述反向填土14，导致所述反向填土14的质量无法达到预设需求，降低抗偏压能力。
43.进一步地，所述衬挡边墙112的厚度为所述锚定板111的厚度的0.5～0.7倍，并且所述衬挡边墙112的最小厚度大于或等于0.4米，以将所述衬挡边墙112和所述锚定板111的强度比例限定在一定范围内，同时保证所述锚定板111的支撑强度和所述衬挡边墙112的支靠效果。
44.进一步地，所述承压桩12的长度大于所述锚拔桩13的长度和/或所述承压桩12的直径大于所述锚拔桩13的直径，以提升所述锚定板111的承压节段的支撑强度，保证支靠效果，并且由于所述锚定板111的抗拔节段用于压设在所述明洞段3的下方，通过所述明洞段3的自重下压能够减小所述抗拔节段的拔力，因此所述锚拔桩13可采用长度更短和/或直径更小的结构，方便施工建造，减少对山体围岩的扰乱，保证山体稳定性。
45.在图1中示出，所述抗偏压装置1还包括曲中隔墙15，所述曲中隔墙15用于设置在所述暗洞段2和所述明洞段3之间，通过所述曲中隔墙15对所述暗洞段2和所述明洞段3的开挖作业起衬砌、支护、防火等作用，进一步提升所述明暗连拱偏压隧道的稳定性。
46.作为第二方面，本实用新型还提供一种明暗连拱偏压隧道，包括沿山体偏压方向并排设置的暗洞段2和明洞段3，以及上述明暗连拱偏压隧道的抗偏压装置1，所述明暗连拱偏压隧道通过所述抗偏压装置1进行支靠稳固，有效提升稳定性和安全性。
47.作为第三方面，本实用新型实施例还提供一种明暗连拱偏压隧道的施工方法，用
于施工明暗连拱偏压隧道，所述明暗连拱偏压隧道包括沿山体偏压方向依次并排设置的暗洞段2和明洞段3，所述明暗连拱偏压隧道的施工方法包括以下步骤：
48.步骤s100：在所述明洞段3的待施工位置设置抗偏压装置1:，所述抗偏压装置1包括l型挡墙11、承压桩12和锚拔桩13，所述l型挡墙11包括锚定板111、衬挡墙身112和衬挡边墙113，所述锚定板111包括沿所述山体偏压方向依次设置的抗拔节段和承压节段，所述衬挡墙身112沿竖向设于所述承压节段上，所述衬挡边墙113设于所述衬挡墙身112的顶端，所述承压桩12设有多根并布设于所述承压节段的底面，所述锚拔桩13设有多根并布设于所述抗拔节段的底面。
49.步骤s200：在所述锚定板111的承压节段上进行所述明洞段3的施工，使所述明洞段3朝向所述衬挡墙身112一侧的侧壁支靠于所述衬挡墙身112上，并使所述明洞段3的套拱31与所述衬挡边墙113共同围合成填土空间，所述填土空间用于设置反向填土14。
50.步骤s300：在所述明洞段3背离所述山体偏压方向的一侧进行所述暗洞段2的施工。
51.在所述明暗连拱偏压隧道的施工方法中，通过在所述l型挡墙11的不同位置分别布设所述承压桩12和锚拔桩13，能够保证所述l型挡墙11的水平承载力，有效避免所述l型挡墙11发生偏移和不均匀沉降，从而实现稳定支靠所述明洞段3，有利于改善力学性能，使得围岩受力趋于均衡，能够削减因地形因素所产生的侧向压力，优化传统偏压挡墙的尺寸。其次，还能利用填土空间设置所述反向填土14来平衡部分侧向荷载，进而构成协调受力结构，整体结构紧凑合理，高效可靠，有效提升明暗连拱偏压隧道的稳定性。
52.优选地，所述承压桩12的设计强度根据其竖向力的受力需求进行设置，所述承压桩12所承载的竖向力采用以下公式计算：
[0053][0054]
其中，n
ik
表示第i根承压桩12在偏心荷载作用下的竖向力；n表示所述承压桩12的总数；fk表示所述l型挡墙11的质量；g
填土
表示设置在所述填土空间中的反向填土14的质量；f
竖
表示偏压山体重心处的竖向合力；f
水平
表示偏压山体重心处的水平方向合力。
[0055]
请结合图3和图4，以所述承压桩12和所述锚拔桩13共同组成的桩群形心o点作为坐标原点建立空间直角坐标系，xi表示第i根承压桩相对至x轴的距离，yi表示第i根承压桩相对至y轴的距离，xj表示第j根承压桩相对至x轴的距离，yj表示第j根承压桩相对至y轴的距离；a表示为偏压山体的重心至xoy平面的距离，b表示为偏压山体的重心至yoz平面的距离，c表示为偏压山体的重心至xoz平面的距离。
[0056]
所述承压桩12所承载的竖向力采用特定公式进行计算，能够精确算出每根承压桩12的受力情况，从而方便对每根承压桩12进行结构强度设计，使每根承压桩12都能满足其所处位置的受力需求，进而使整体结构在尺寸和支撑强度之间找到平衡点，利用最合理紧凑的尺寸稳定支靠所述明洞段3，更有利于在山区有限的建造空间环境约束下满足明暗连拱偏压隧道的安全性和稳定性。
[0057]
优选地，所述承压桩12所承载的竖向力满足以下关系式：
[0058]
k1n
ik
≤r
[0059]
其中，k1表示所述承压桩12的承载力安全系数，r表所述承压桩12的承载力特征值。当所述承压桩12设于承载力较好的地基区带时，所述承压桩12的承载力安全系数k1大于或等于1.2，当所述承压桩12设于软弱地基区带时，所述承压桩12的承载力安全系数k1大于或等于1.4，以保证所述承压桩12的稳定性。
[0060]
进一步地，所述承压桩12设为灌注桩，通过搭设钢筋并灌注混凝土之后形成，所述承压桩12的承载力特征值r采用以下公式计算：
[0061][0062]
其中，d表示所述承压桩12的直径；fc表示所述承压桩12的混凝土轴心抗压强度设计值(kpa)；表示工作条件系数，灌注桩一般取0.6～0.8；μ表示安全系数。
[0063]
更进一步地，当所述承压桩12所承载的竖向力n
ik
大于0时，所述承压桩12的设计强度根据其竖向力的受力需求进行设置，而当所述承压桩所承载的竖向力n
ik
小于或等于0时，则表示所述承压桩12受到的拔力比压力更大，此时对相应的承压桩12采用以下公式进行抗拔承载力验算：
[0064]
k2nk≤0.75πd∑q
sik
li[0065]
其中，nk表示所述承压桩12的拔力；k2表示所述承压桩12的抗拔承载力安全系数；d表示所述承压桩12的直径；q
sik
表示桩侧表面第i层土的抗压极限侧阻力标准值；li表示所述承压桩12处于第i层土中的桩长。
[0066]
结合每层土的抗压极限侧阻力标准值精准计算出所述承压桩12所受到的拔力，以使所述承压桩12的设计强度根据其受拔力的具体大小进行设置，灵活调整所述承压桩12的设计参数，使其更好地适配所述明暗连拱偏压隧道。
[0067]
优选地，所述承压桩12的设计强度根据其水平力的受力需求进行设置，所述承压桩12所承载的水平力采用以下公式计算：
[0068][0069]
其中，h
ik
表示每根承压桩12所受的水平力；rh表示所述承压桩12的水平承载力特征值，通过分别计算出所述承压桩12所承载的竖向力和水平力，能够更加精准得出所述承压桩12的受力需求，使所述承压桩12的设计参数满足要求。
[0070]
优选地，所述抗偏压装置1的施工步骤包括：
[0071]
步骤s101：按照所述l型挡墙11的设计位置放线，并标记所述承压桩12和所述锚拔桩13的待施工孔位，然后根据灌注桩的施工方法对所述承压桩12和所述锚拔桩13的进行施工。
[0072]
其中，所述承压桩12的直径取0.4～1米，相邻两根所述承压桩12之间的间距取0.5～0.8米，并且需要严格保证所述承压桩12的长度，使所述承压桩12的端部完全坐落于良好的持力层上。所述锚拔桩13的直径取0.15～0.45米，相邻两根所述锚拔桩13之间的间距取0.5～0.8米，并且所述锚拔桩13锚固长度不小于2米，使所述锚拔桩13的端部坐落于良好持力层上。
[0073]
步骤s102：待所述承压桩12和所述锚拔桩13的桩身强度达到设计强度要求后，在所述承压桩12和所述锚拔桩13上依次设置所述锚定板111、衬挡墙身112和衬挡边墙113。
[0074]
具体地，所述l型挡墙11的内部布设有第一组钢筋，所述承压桩12的内部布设有第二组钢筋，所述锚拔桩13的内部布设有第三组钢筋。在施工所述锚定板111的过程中将所述第一组钢筋分别搭接于所述第二组钢筋和所述第三组钢筋上，使所述锚定板111和所述承压桩12、锚拔桩13搭接成一体结构，提升相邻两个构件之间的连接强度和稳定性。
[0075]
进一步地，将所述第一组钢筋分别搭接于所述第二组钢筋和所述第三组钢筋上之后，需对所述锚拔桩13进行预应力施加，以增加所述锚拔桩13和所述锚定板111的连接强度。
[0076]
进一步地，待所述锚定板111的混凝土强度达到设计强度的85％时，便可进行所述衬挡墙身111和所述衬挡边墙112的支模作业，以进行所述衬挡墙身111和所述衬挡边墙112的浇筑施工。
[0077]
进一步，待分别完成所述锚定板111、衬挡墙身112和衬挡边墙113的浇筑施工之后，再对所述锚定板111、衬挡墙身112和衬挡边墙113两两之间的缝隙进行接缝处理，以使三者形成一体结构，提升结构强度和密度性能。
[0078]
进一步地，在设置所述抗偏压装置1之前，还包括：
[0079]
在所述暗洞段2的待施工位置和所述明洞段3的待施工位置之间设置曲中隔墙15。
[0080]
沿所述明暗连拱偏压隧道的纵向进行中导洞开挖施工，再明挖暗做段中墙安装预埋钢板，使左右侧洞初期支护格栅与所述曲中隔墙15进行连接。所述曲中隔墙15在混凝土浇筑时需检查均匀性和塌落度，混凝土分层浇筑的厚度不超过30cm，并用插入式振动器振捣密实。
[0081]
进一步地，在所述明洞段的一侧进行暗洞段的施工之后，还包括：
[0082]
对所述抗偏压装置1进行养护，并在养护完成后，在所述抗偏压装置1的偏压前侧按照后期偏压连供隧道偏压荷载值进行堆载试验，以检测测定所述承压桩12的受压承载力和所述锚拔桩13的锚拔承载力，保证所述承压桩12和所述锚拔桩13均满足受力需求，从而确保所述明暗连拱偏压隧道的稳定性和安全性。
[0083]
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。