杭州地區(qū)明挖電力隧道基坑圍護結構選型研究

韓春龍,章 顏

(上海電力設計院有限公司,上海 200025)

近幾年杭州地區(qū)的用電負荷增長很快,原有輸電系統(tǒng)供電已不能滿足日益增長的電力需求,又由于城市規(guī)劃要求,城區(qū)內新建電力通道一般不得采用架空線路,均須按地下電纜考慮,由此需新建大量電力隧道。

電力隧道可以采用明挖法、頂管法、盾構法、淺埋暗挖法等方式修建,考慮到大部分電力隧道均位于杭州主城區(qū),周邊建(構)筑物、管線較多且環(huán)境復雜,若采用明挖法施工,一般不考慮采用大開挖方式修建,均須采用相應的基坑圍護結構型式,因此本文對杭州地區(qū)明挖法電力隧道的基坑擋墻結構與內支撐系統(tǒng)選型進行了研究。

1 地質條件

杭州城區(qū)位于錢塘江兩岸廣闊的堆積平原,地面海拔3～6 m,所處為亞熱帶季風氣候區(qū),東邊是杭州灣,歷年降雨量較多,年均降雨量約1 400 mm；杭州市區(qū)的東側有錢塘江,其水位受潮汐影響較大,最高水位為8～9 m,最低水位為3.59～5.35 m(杭州市城區(qū)海拔一般為3～6 m),杭州城區(qū)的工程建設一般均按地下水位位于地面以下0.5～1.5 m考慮。

由于受海侵、海退的影響,以及地質沉積物受侵蝕、堆積作用的交替影響,杭州地區(qū)分布有較為廣泛的軟弱土層。大量的勘測資料證實,以六和塔附近的將臺山沿紫陽山—吳山—中山中路—過眾安橋漸向北東向—市體育館—艮山門—杭氧廠東—省農科院—筧橋機場為界,將整個杭州分成兩塊,形成兩種截然不同的地貌：城東區(qū)域基本是以粉土、粉砂土為主的軟土層,性質良好,透水性強,壓縮性低。城西區(qū)域則是以黏土、淤泥質黏土和淤泥質粉質黏土為主的軟土層,其透水性差,屬于高壓縮性、低強度的軟土[1]。

總之,杭州城區(qū)地層特點為：高水位、軟土。

2 電力隧道結構型式

電力隧道一般分為現澆鋼筋混凝土和預制拼裝鋼筋混凝土兩種型式,結構安全等級為一級,設計使用年限100年。目前杭州市明挖電力隧道主要采用現場整體澆筑混凝土結構,一般有單艙或雙艙結構,未見三艙結構,結構斷面為矩形,根據電纜工藝、敷設、運維要求,其中單孔斷面內凈寬一般不宜大于3.5 m,內凈高不宜大于4.0 m。

電力隧道線位一般位于非機動車道、人行道或綠化帶下方,考慮道路下方各種其他市政管線以及綠化帶內林木種植要求,電力隧道頂板覆土一般不宜小于3.0 m。

考慮到電力隧道主體結構厚度、施工空間,單艙結構電力隧道基坑開挖寬度一般不大于6.0 m,開挖深度一般不大于8.5 m；雙艙結構電力隧道基坑開挖寬度一般不大于10.5 m,開挖深度一般不大于8.5 m。加之考慮到電網規(guī)劃要求,常需在電力隧道主線路徑上預留其他主線或支線通道,如此會出現平面交叉結構或上下錯層結構,對于上下錯層交叉結構,基坑開挖深度一般不大于12.5 m。

因此,一般情況下,明挖電力隧道基坑單艙結構開挖寬度不大于6.0 m,雙艙結構開挖寬度不大于10.5 m,單層結構開挖深度不大于8.5 m,雙層結構開挖深度不大于12.5 m。

3 基坑擋墻結構選型

3.1 選型原則

圍護結構的選型應結合周邊環(huán)境的控制條件與場地的可行性等,并綜合考慮工程的安全、工期、經濟、環(huán)保等重要因素[2-3]。在保證基坑工程安全的前提下,應優(yōu)先選用較為經濟、環(huán)保的圍護類型。一般可從場地條件、基坑開挖深度及范圍、地質條件三方面進行綜合考慮。

1)從周邊環(huán)境控制條件考慮：對于基坑四周有較為寬敞的地方,一般可選用上部放坡結合下部重力式擋墻的支護型式,或采用錨索結合排樁,或采用懸臂式支護結構；對于基坑四周場地比較狹小或有重要需要保護的建構筑物時,一般應采用剛度較大的支護結構,且應做好基坑止水措施。

2)從基坑挖深、寬度角度考慮：挖深較小時一般可采用懸臂式支護結構,較大時一般可采用鉆孔灌注樁、地下連續(xù)墻等支護結構型式；開挖寬度較大時,可采用地下連續(xù)墻結合鋼筋混凝土桁架內支撐的方案,或單、多層錨桿支護結構；開挖寬度較小時,可采用錨撐結構。

3)從土質條件考慮：土質條件較差時,可考慮選用鋼板樁、工法樁、重力壩、地墻、鉆孔灌注樁等支護結構方案；土質較好的情況下,則考慮選用錨桿或排樁支護結構方案。

在類似杭州城區(qū)的軟土地層開挖基坑,需采用擋墻結構進行擋土、擋水。對于明挖電力隧道基坑工程,一般可考慮采用板樁、SMW工法樁、鉆孔灌注樁或其他新型基坑圍護型式。

3.2 板樁

板樁是利用打樁機械按照設計位置打設,并根據實際情況設置內支撐(混凝土或鋼支撐),開挖土體并及時支撐,施工完成后可以回收再次利用。工程中常用的板樁有鋼板樁和混凝土板樁,其中,常用的鋼板樁主要分為拉森鋼板樁、槽鋼鋼板樁兩種。槽鋼樁剛度相對較小、變形較大且容易滲水,采用此種支護型式往往需要另外增設止水帷幕；拉森鋼板樁彼此之間通過鎖口環(huán)環(huán)相扣,剛度較槽鋼樁大且抗?jié)B能力強,可直接適用于水位較高的土層中。鋼筋混凝土板樁具有較大的剛度及抗?jié)B能力,但由于回收利用率不高,施工不方便,目前已較少使用[2]。見圖1。

由于鋼板樁打入時會對周圍的土體產生擠壓,拔出時又會帶出大量的泥土,容易導致周圍的地層變形。因此,在周圍建筑物比較密集的軟土地區(qū)不適宜采用鋼板樁支護。

鋼板樁相對于其他的圍護形式,剛度較低,變形較大。在杭州等高水位軟土地區(qū),一般適用于對環(huán)境要求不高的7～8 m深的小型淺基坑。在地下水位較低、地層較好、環(huán)境要求不高的地區(qū),可適用于12 m以內較深的基坑。

注：t、s為厚度，b為寬度，h為高度。圖1 常用鋼板樁截面形式

3.3 SMW工法樁

SMW工法樁一般是利用多軸攪拌機,將水泥與地基土進行強制攪拌,待水泥與地基土固化后形成具有一定強度的樁墻,以達到擋土、止水的效果。這種圍護結構施工速度較快,單臺工法樁機平均每天可施工15～20 m圍護結構體,可大幅縮短工期。施工相對簡易,廢土外運量遠比其他工法少,環(huán)境污染小。占用場地小,需利用的圍護寬度小,并可在建筑紅線近距離施工。所用型鋼可以回收,可減少材料浪費,在租賃工期較短的情況下,有明顯的經濟優(yōu)勢。擋水性強,有利于采用坑內降水坑外不降水的情況。SMW工法樁圍護結構,隧道結構、圍護結構往往采用的是分離式,隧道結構邊墻可以施作外防水,相較于地下連續(xù)墻圍護結構型式而言,結構整體性、防水性能較好,還能降低后期運維成本。見圖2。

圖2 SMW工法樁

SMW工法圍護結構剛度相對略小,在軟土地區(qū)適用于開挖深度12 m以內的基坑。同時,其適用深度還受限于攪拌樁施工的最大深度及地質條件,SMW工法樁一般施工速度快，造價相對不高,但此工法在飽和粉土、粉砂層中的成樁效果較差,且從目前國內現有的施工設備能力來看,能施工的有效樁長為30 m,因此,其使用范圍受到一定限制。與灌注樁相比,其綜合造價一般更便宜,但卻受基坑施工工期的影響較大。如果基坑施工工期不能得到有效控制,則隨著型鋼租賃期的增長,SMW工法的圍護費用將顯著上升[2-3]。

3.4 鉆孔灌注樁

鉆孔灌注樁是指在地基土中通過機械鉆孔,并在孔內放置鋼筋籠、灌注混凝土而做成的樁。鉆孔灌注樁擋土結構是一種非連續(xù)的排樁結構。因此,在地下水位較高的地層中,各樁間一般應采用止水帷幕來進行防滲處理,見圖3；同時,需使用圈梁或和圍檁將每一個樁連接成一體以提高基坑圍護結構的整體剛度,從而形成支護結構。鉆孔灌注樁施工時振動和噪音比較小,無擠土現象,對周圍環(huán)境影響?。汇@孔灌注樁樁身剛度較大,強度高,穩(wěn)定性好,樁體變形??；如果工程樁也采用灌注樁,圍護樁可以與主體結構工程樁同步施工,利于施工組織安排,縮短工程工期。在進行鉆孔灌注樁成孔施工時,需注意成孔的質量、鋼筋籠安裝質量以及水下混凝土灌注等問題。

圖3 鉆孔灌注樁止水措施

鉆孔灌注樁造價經濟、施工速度快。其適用深度取決于樁間止水的有效性和樁間土的穩(wěn)定性。在軟土地區(qū),適用于深度15 m以內，環(huán)境要求不高的一般性基坑工程。在地下水位較高的地方,需要單獨設置止水帷幕,所以鉆孔灌注樁較地下連續(xù)墻、SMW工法的圍護墻厚度要大,適用的場地條件受限。在砂礫層和卵石中,鉆孔灌注樁施工困難,應該慎用；在重要地區(qū),特殊工程及開挖深度很大的基坑中使用時還應進行專項設計[2-4]。

3.5 WSP工法鋼管樁

WSP工法鋼管樁[5]是近幾年采用的一種新型的圍護結構型式,此種圍護型式一般主要使用型鋼、拉森鋼板樁、鋼管等材料,并進行任意組合,形成圍護結構,實際工程中可以根據場地情況及基坑開挖深度、寬度選擇相應的組合形式。組合形式分為鋼管+拉森鋼板樁、型鋼+拉森鋼板樁等。此種圍護結構型式的優(yōu)點：施工速度快，現場無泥漿作業(yè)，止水效果較好，圍護結構剛度大，圍護結構體可全部回收等。

WSP工法鋼管樁作為一種可全部回收的新型深基坑圍護結構,關鍵的核心技術在于：“以水堵漏”來解決樁間接縫止水問題；用“土塞補償”來實現鋼管樁連續(xù)墻微擾動全回收。

WSP工法是利用大直徑鋼管樁承擔水土壓力,鋼管樁之間相互套接進行阻擋樁間土體,樁體接縫處設置止水腔壁,通過在止水腔壁內安裝彈性袋并充水密封接縫,實現“以水堵漏”目的,形成連續(xù)的圍護結構體。原理圖見圖4。

圖4 WSP工法鋼管樁止水擋土原理

3.6 H+Hat、HU組合型鋼拉森鋼板樁

H+Hat、HU組合型鋼拉森鋼板樁[6]是一種能取代拉森鋼板樁(尤其是深水基坑使用的6號拉森樁18～30 m的長樁)、SMW工法樁、灌注樁等基坑圍護的新工藝。見圖5。

圖5 H+Hat、HU組合型鋼拉森鋼板樁

H+Hat、HU組合型鋼拉森鋼板樁是一種采用帶止口的H型鋼和帶止口的U型拉森鋼板樁通過定位架施打并連成一體的鋼板樁連續(xù)墻。其具有止水效果極好、強度大、施工進度快、環(huán)保、高效、節(jié)能、取材方便等優(yōu)越性，深受廣大業(yè)主、總包及施工單位的青睞。

目前,H+Hat、HU工法已經應用于各種基坑圍護中，見圖6。組合型鋼板樁相比于傳統(tǒng)的組合鋼板樁型式有較多優(yōu)點：支護結構抗彎剛度大，鋼材重復利用率高，造價相對比較經濟，圍護結構構造簡單等。

圖6 H+Hat、HU組合型鋼拉森鋼板樁現場施工圖

4 支撐選型

支撐選型應在保證基坑工程安全的前提下,從有利于基坑工程土方開挖，加快工程施工速度，縮短工程工期與降低造價的角度考慮。

4.1 支撐材料

基坑工程中水平內支撐體系分為鋼支撐、鋼筋混凝土支撐及兩者結合的混合支撐體系[2，7]。

4.1.1 鋼支撐

優(yōu)點：自重輕,安裝速度快,拆除方便,可重復利用,可施加預應力,能有效減小由于時間效應而增加的基坑位移。作為對撐傳力路線明確,效果好。

缺點：剛度比混凝土支撐小,變形相對較大。節(jié)點構造和安裝相對復雜,處理不當將引起過大位移。作為角撐等斜向受力桿件時,效果較差。

一般適用于對撐、角撐,形狀規(guī)則、跨度不宜過大的基坑,長度不宜超過70 m。有條件時應優(yōu)先選用[2，8]。

4.1.2 混凝土支撐

優(yōu)點：剛度大,變形小,能有效減小圍護結構水平位移?？筛鶕泳唧w形狀,合理選擇布置形式和截面,調整支撐剛度?？深A留較大出土空間,方便土方開挖,同時與棧橋相結合,有利于加快土方開挖速度,縮短工期。

缺點：養(yǎng)護時間較長,支撐拆除較復雜,無法重復利用。可考慮在混凝土中摻入早強劑或者選用高標號水泥。

一般適用面較廣,尤其對于變形控制要求高、周邊環(huán)境復雜、大面積、形狀不規(guī)則、超深基坑具有極大優(yōu)勢。

4.2 支撐布置原則

4.2.1 平面間距

結構受力要求：支撐平面間距的設計應考慮支撐系統(tǒng)中受壓彎構件的跨度及其受力要求。支撐間距決定了支撐及圍檁的寬度,合理的跨度才能保證達到支撐斷面尺寸的合理設計[9]。

施工運輸要求：支撐的平面布置決定了支撐之間的空間大小,該空間對基坑施工的垂直運輸影響較大,應滿足建筑材料(支撐、鋼筋)最大橫向尺寸或設備的吊裝要求,以保證其順利通過支撐之間的間隙。

其他施工作業(yè)要求：由于支撐的設置在換撐前不能影響到主體結構豎向承載構件的澆注施工,因此其間距還應考慮主體結構的布置[10]。

在滿足承載和不影響主體結構施工的前提下,支撐間距越大對施工越有利。一般認為支撐凈間距為6～8 m時對施工是有利的,最小不得小于3 m。

4.2.2 豎向間距

結構受力要求：支撐豎向間距決定了擋土結構的豎向跨度,因此應根據擋土結構的承載和變形要求通過計算綜合決定[11]。

土方開挖要求：支撐豎向間距限制了土方開挖機械的作業(yè)高度,因此為保證高效和安全作業(yè),支撐豎向間距須滿足開挖設備的最小作業(yè)高度的要求。在密集支撐之間進行挖土作業(yè),一般采用小型挖掘機,其作業(yè)高度不應小于3 m,如淺層(1～2層)土采用大型挖掘機,則該高度需達5 m。

其他施工作業(yè)要求：主體結構樓板澆注時,須保證支撐與樓板間的鋼筋綁扎、混凝土澆搗等作業(yè)空間要求。該作業(yè)空間的最小距離為800～1 000 mm。

因此,一般條件下,首層支撐與第二道支撐的間距范圍在3～5 m,其他除最底層支撐豎向間距可能小于3 m之外,其他豎向支撐間距一般在3 m左右。

5 圍護結構選型分析

5.1 擋墻結構

不同擋墻結構的特點與造價對比見表1。

軟土路基處理技術在我國公路工程建設中發(fā)揮了重要作用。公路軟土路基處理技術發(fā)展歷史較長，經多年的發(fā)展積累了豐富的經驗。路基處理技術的發(fā)展可分為兩個時期，建國初期應用路基處理技術主要為擠密土樁，砂石墊層等。80年代后期，隨著改革開放的發(fā)展，建筑工程建設不斷進步。在公路工程建設中引進了大量的國外先進技術，促進了我國建筑事業(yè)建設發(fā)展。

表1 不同擋墻結構的特點與造價情況

5.2 支撐結構

不同支撐結構的特點與造價情況對比見表2。

表2 不同支撐型式的特點與造價情

6 結 語

本文結合杭州地區(qū)地層與電力隧道結構特點,分析了幾種適合杭州地區(qū)的基坑擋墻結構與內支撐結構,并總結了各自的優(yōu)缺點與造價情況,主要結論如下：

1)在環(huán)境要求不高的情況,可優(yōu)先考慮采用拉森鋼板樁作為擋墻結構,鋼支撐作為內支撐結構。

2)在環(huán)境要求較嚴的地方,可考慮采用SMW工法樁或鉆孔灌注樁作為擋墻結構；若選用SMW工法樁應考慮場地是否具備大型機械施工條件?？煽紤]首道采用混凝土支撐,其余采用鋼支撐結構。

3)支撐結構可考慮采用混凝土支撐或鋼支撐,支撐平面與豎向間距不僅要滿足受力要求,還應滿足施工機械要求。

4)在條件允許的地方,可以考慮推廣采用WSP工法鋼管樁、H+Hat、HU組合型鋼拉森鋼板樁等新型節(jié)能環(huán)保型擋墻結構。