地鐵上蓋基坑圍護(hù)設(shè)計及局部調(diào)整的經(jīng)濟(jì)性分析

胡 琦 何品品 方華建 鄧以亮 朱海娣 冉 龍

1.浙江工業(yè)大學(xué) 浙江 杭州 310014；2.東通巖土科技股份有限公司 浙江 杭州 310019；3.杭州市地鐵集團(tuán)有限責(zé)任公司 浙江 杭州 310006

在土地資源日益緊缺的形勢下，地鐵車輛段上蓋開發(fā)利用已成為一種趨勢。在此類型建筑基坑工程中，要選用合理的圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在達(dá)到支護(hù)效果的同時提高施工效率，并防止對下方地鐵軌道造成影響。自21世紀(jì)來，拉森鋼板樁在我國開始興起并在工程建設(shè)領(lǐng)域發(fā)揮重要作用[1]。在周邊環(huán)境保護(hù)要求較高的基坑工程中，灌注排樁、地下連續(xù)墻等傳統(tǒng)基坑支護(hù)施工工藝因為工藝繁瑣、工期較長、成本高、污染嚴(yán)重且更容易受地質(zhì)條件制約等缺陷，已經(jīng)很難滿足目前的建筑項目工程需求[2]。拉森鋼板樁結(jié)合H型鋼兼作支護(hù)樁及止水帷幕，施工效率高，綠色環(huán)保，經(jīng)濟(jì)性好。同時采用預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐作為基坑水平內(nèi)支撐來代替?zhèn)鹘y(tǒng)鋼筋混凝土支撐的方法具有工期短、造價低等優(yōu)點，而且材料可重復(fù)利用、對環(huán)境殘留小[3]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程項目建設(shè)用地面積為13 359 m2，總建筑面積為35 046.2 m2。工程由地面以上4幢5層辦公樓、1幢6層辦公樓和地面以下1層整體地下車庫組成。結(jié)構(gòu)均采用框架結(jié)構(gòu)，樓屋面采用鋼筋混凝土梁板體系。工程樁采用預(yù)制管樁，該工程±0 m＝5.10 m（黃海高程），自然地坪取4.30 m（即－0.80 m）。地下室底板結(jié)構(gòu)標(biāo)高－5.10 m（相對標(biāo)高），設(shè)計坑底－5.50 m，即開挖深度4.70 m。項目基坑下方自西北方至東南方向有一條地鐵線斜穿而過，場地東側(cè)為項目空地及公園，南側(cè)靠近街道，西側(cè)、北側(cè)均鄰河。該基坑開挖深度小于5 m。依據(jù)浙江省地方標(biāo)準(zhǔn)DB33/T 1096—2014《建筑基坑工程技術(shù)規(guī)程》，定義基坑安全等級為三級，側(cè)壁重要性系數(shù)γ0＝0.90。同時該段地鐵規(guī)劃埋深10 m左右，為避免基坑圍護(hù)及工程樁對地鐵隧道后期施工的影響，適宜采用HU復(fù)合型鋼板樁及H型鋼立柱等可拔除回收利用的材料。

1.2 工程水文地質(zhì)條件

根據(jù)工程所在地的地質(zhì)資料，結(jié)合外業(yè)勘探、室內(nèi)土工試驗以及地基土成因，項目涉及土層可分為①1雜填土、②粉質(zhì)黏土、③淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土、④2粉質(zhì)黏土與黏質(zhì)粉土互層等地質(zhì)層，部分土層缺失。

擬建工程場地內(nèi)無地表水發(fā)育，接受大氣降水補(bǔ)給，并以蒸發(fā)和向周邊外側(cè)河道徑流的方式排泄。地表水對工程影響較小。擬建工程場地勘探深度內(nèi)地下水按埋藏和賦存條件可分為第四系松散巖類孔隙潛水、第四系松散巖類孔隙承壓水、基巖裂隙水三大類。

擬建場地地形較平坦，地勢開闊，不良地質(zhì)作用不發(fā)育，場地適宜本工程建設(shè)。

2 工藝介紹

2.1 工藝原理

拉森鋼板樁是一種新型整體性和防水性能優(yōu)異的鋼板樁支護(hù)結(jié)構(gòu)形式，適用于黏性土、粉土等基坑圍護(hù)工程中。它利用打樁機(jī)及振動錘將鋼板樁壓入地下構(gòu)成1道連續(xù)的板墻，作為深基坑開挖的臨時擋土、擋水圍護(hù)結(jié)構(gòu)[4-5]。拉森鋼板樁墻具有較好的隔水效果，但抗彎能力較弱，H型鋼強(qiáng)度高卻難以形成防水的連續(xù)墻，U型拉森鋼板樁結(jié)合H型鋼形成的HU復(fù)合型鋼板樁綜合了兩者優(yōu)點，具有較好的支護(hù)止水效果（圖1）。預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐是利用高強(qiáng)螺栓將多根型鋼組合成1榀支撐并施加預(yù)應(yīng)力來達(dá)到支護(hù)效果的一種支撐形式。

圖1 HU復(fù)合型鋼板樁示意

2.2 施工質(zhì)量控制

2.2.1 HU復(fù)合型鋼板樁

1）施工前應(yīng)進(jìn)行試樁，H500型鋼樁尺寸為500 mm×300 mm×11 mm×18 mm，鋼材為Q235。

2）孔位放樣誤差小于2 cm，樁身垂直度要求不大于1/200。

3）H500型鋼樁必須控制好下沉速度，下沉速度一般為1 m/min。

4）施工流程：場地平整→測量放線→開挖溝槽→安裝定位型鋼→H500型鋼樁施工。

5）H500型鋼宜采用坡口焊接，質(zhì)量要求不低于二級。另外，單根焊接接頭不宜超過2個，焊接位置應(yīng)避開彎矩最大處。

6）H型鋼在地下結(jié)構(gòu)完成后予以回收，故在成樁及澆筑壓頂梁混凝土?xí)r施工單位應(yīng)考慮相應(yīng)的回收措施，如施工前在型鋼表面涂抹型鋼起拔減摩劑。拔除時建議采用跳拔的方式，在拔出H型鋼的同時及時對H型鋼留下的縫隙填灌黃砂或注漿。

7）型鋼樁的回收方法：采用振動錘拔樁，先利用振動錘產(chǎn)生的強(qiáng)迫振動，擾動土質(zhì)，破壞型鋼樁周圍土的黏聚力以克服拔樁阻力，再依靠附加起吊力的作用將樁拔除。

8）U型拉森鋼板樁應(yīng)采用專業(yè)機(jī)械打設(shè)，控制U型拉森鋼板樁的平直度，并采用屏風(fēng)式打入法。

9）打樁前，對U型拉森鋼板樁進(jìn)行逐根檢查，剔除銹蝕、變形嚴(yán)重的U型拉森鋼板樁，不合格者待修整后才可使用。打樁前，在U型拉森鋼板樁的迎土面涂油脂，以方便打入、拔出。在插打的過程中隨時測量監(jiān)控每根樁的斜度不超過2%，當(dāng)偏斜過大不能用拉齊方法調(diào)整時，應(yīng)該拔起重打。

10）遇打樁阻力較大、不易貫入時，應(yīng)及時分析原因，調(diào)整打樁工藝或機(jī)械，不得強(qiáng)行打入。

11）基坑施工結(jié)束且土方回填后，拔出并回收U型拉森鋼板樁，同時對拔出后的孔洞采用灌砂回填。

2.2.2 預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐

1）預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐須由專業(yè)施工單位施工。除注明外，鋼材均采用Q345b，焊條采用E43型；鋼支撐采用H350 mm×350 mm×12 mm×19 mm型鋼；立柱采用H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼；橫梁采用H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼；材料采用無變形、無裂紋的結(jié)構(gòu)專用材料；型鋼支撐構(gòu)件應(yīng)提供產(chǎn)品合格證明及加工制作圖，施工前應(yīng)現(xiàn)場檢驗幾何尺寸和外觀，經(jīng)監(jiān)理單位驗收合格后，方可使用；支撐橫梁在相鄰2根立柱之間不得有焊縫，橫梁兼作支撐間拉梁時接頭處應(yīng)加強(qiáng)。

2）型鋼支撐的安裝應(yīng)該遵循先主要構(gòu)件、后次要構(gòu)件的原則，宜按圍檁、立柱、支撐牛腿、托梁、三角傳力件和型鋼支撐的順序進(jìn)行，盡快形成封閉受力體系并施加預(yù)應(yīng)力。

3）支撐構(gòu)件上嚴(yán)禁堆載。

4）支撐的預(yù)應(yīng)力施加應(yīng)按照設(shè)計要求分級進(jìn)行。施加預(yù)應(yīng)力前，應(yīng)對油壓千斤頂、油表等設(shè)備進(jìn)行標(biāo)定，施加預(yù)應(yīng)力時應(yīng)檢查每個節(jié)點的連接情況，并做好施加預(yù)應(yīng)力的記錄。

5）構(gòu)件間采用10.9級M24高強(qiáng)螺栓連接，螺栓材料為20MnTiB，施加預(yù)拉力為250 kN。高強(qiáng)螺栓使用前應(yīng)全數(shù)目測檢查，并組成連接副。高強(qiáng)螺栓緊固宜分2次進(jìn)行，初擰扭矩值為終擰的50%～70%。鋼支撐預(yù)應(yīng)力施加完畢后，擰緊松弛的螺栓。

6）在圍檁安裝后要對型鋼組合式內(nèi)支撐進(jìn)行變形量監(jiān)測，施加預(yù)應(yīng)力之前、之后都應(yīng)該進(jìn)行監(jiān)測，且保持每周至少一次的監(jiān)測頻率。

7）支撐安裝允許偏差：兩端中心線的偏心誤差控制在20 mm以內(nèi)，兩端安裝就位后的標(biāo)高差取20 mm和整道支撐長度6%中的較小值，整體撓曲度小于0.1%跨度，軸線偏差控制在30 mm以內(nèi)。三角傳力件安裝允許偏差：軸線偏差為－10～10 mm，頂面標(biāo)高偏差為－5～5 mm。

8）基坑施工過程中應(yīng)加強(qiáng)對支撐系統(tǒng)的巡查，對巡查發(fā)現(xiàn)的問題要及時整改。

3 基坑支護(hù)方案

3.1 基坑具體支護(hù)方案設(shè)計

項目1層地下室基坑開挖深度4.4～4.9 m，地下室邊線到用地紅線除了東邊均小于4 m，北面最小距離1.14 m，西邊最小距離1.27 m。樁錨、大放坡、復(fù)合土釘墻等支護(hù)方式均存在超越用地紅線的問題，結(jié)合安全性、經(jīng)濟(jì)性、施工速度及場地條件等多方面因素，適宜采用樁墻＋1道水平內(nèi)支撐的支護(hù)方式。

該項目為1層地下室，預(yù)計施工工期不超過6個月。經(jīng)測算，采用HU復(fù)合型鋼板樁（H500型鋼結(jié)合拉森鋼板樁）兼作支護(hù)樁及止水帷幕的工程造價低于采用SMW工法樁，且施工速度更快，因此本項目適宜采用HU復(fù)合型鋼板樁（H500型鋼結(jié)合拉森鋼板樁）兼作支護(hù)樁及止水帷幕。工程基坑形狀較為規(guī)則，在保證基坑安全的前提下，應(yīng)盡量縮短施工工期，減小基坑開挖對周邊環(huán)境的影響，水平內(nèi)支撐適宜采用預(yù)應(yīng)力組合型鋼支撐。

基坑最終支護(hù)方案：HU復(fù)合型鋼板樁（H500型鋼結(jié)合拉森鋼板樁）兼作支護(hù)樁及止水帷幕結(jié)合1道預(yù)應(yīng)力型鋼組合水平內(nèi)支撐（圖2、圖3）。

圖2 圍護(hù)平面布置

3.2 施工流程

圖3 基坑典型剖面

本工程支護(hù)方案施工流程：施工工程樁、立柱→施工HU復(fù)合型鋼板樁→分塊開挖土體至壓頂梁底標(biāo)高→設(shè)樁頂坡面及地表混凝土面層，并設(shè)好地表排水明溝及集水井→施工壓頂梁和預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐→待壓頂梁強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度，預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐施加預(yù)應(yīng)力后，分層分塊挖土至地下室底板底標(biāo)高→人工邊修土邊設(shè)底板墊層，并設(shè)好坑底集水井→挖地槽至承臺及地梁底標(biāo)高，并立即設(shè)好墊層及磚胎?！O(shè)好二次圍護(hù)措施，挖坑中坑土體至設(shè)計標(biāo)高，并立即設(shè)好墊層→地下室基礎(chǔ)、底板傳力帶施工→待底板、底板傳力帶強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度后，拆除預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐→回填土方至設(shè)計標(biāo)高→回收HU復(fù)合型鋼板樁并注漿→向上作業(yè)。

4 圍護(hù)工程局部調(diào)整及經(jīng)濟(jì)性分析

在現(xiàn)有圍護(hù)設(shè)計方案的基礎(chǔ)上，需要考慮：場地內(nèi)所有型鋼立柱做拔除處理，并提供地下室底板處理節(jié)點做法；地下室北面中間段凹口處圍護(hù)做拉直處理，并進(jìn)行經(jīng)濟(jì)性分析。

4.1 型鋼立柱拔除

原設(shè)計方案中的型鋼立柱，除地鐵范圍內(nèi)以外均按不可回收進(jìn)行報價（共79 t）。由于本項目為1層地下室、型鋼立柱不可回收部分占比較大，如能拔除，應(yīng)具有較好的經(jīng)濟(jì)性。為便于底板以下型鋼立柱的拔除回收，型鋼立柱與地下室底板的節(jié)點，需按圖4進(jìn)行處理（且底板洞口需按結(jié)構(gòu)設(shè)計進(jìn)行處理）。

圖4 型鋼立柱穿底板示意

另外，我們對底板以下型鋼立柱不可回收與可回收這2個方案進(jìn)行了經(jīng)濟(jì)性對比（對比過程略）。從方案對比結(jié)果可知，型鋼立柱全部回收在經(jīng)濟(jì)上是可行的，能節(jié)約18萬元左右的造價。

4.2 地下室北面中間段凹口處圍護(hù)拉直處理

原地下室邊線在北面存在2個凹口，其他部位緊貼基坑邊線，具體見圖2。該部位圍護(hù)拉直將導(dǎo)致HU工法樁和壓頂梁的數(shù)量減少、支撐梁（板）取消，但也會導(dǎo)致土方開挖量和底板素混凝土傳力帶數(shù)量的增加。另外，因底板傳力的要求，該部分土方留置的可能性很小，由此將造成費(fèi)用的增加。經(jīng)計算，北側(cè)圍護(hù)邊線拉直將增加約2.6萬元費(fèi)用，但拉森鋼板樁及型鋼的使用期為4個月，如超期使用一個月的話，拉直的處理是合適的，畢竟縮短了圍護(hù)工程施工周期，減少了打拔及破混凝土工程量。

5 結(jié)語

HU復(fù)合型鋼板樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐作為基坑的圍護(hù)體系，能很好地控制基坑土體及圍護(hù)結(jié)構(gòu)位移，止水性能好，保證干施工作業(yè)環(huán)境。相比較SMW工法樁與鋼筋混凝土支撐，該圍護(hù)體系具有綠色環(huán)保、節(jié)約成本、施工快捷、周期短的特點。本文通過工程實例，介紹了HU復(fù)合型鋼板樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力型鋼組合支撐的支護(hù)形式在地鐵上蓋建筑基坑中的應(yīng)用，結(jié)合實際情況對圍護(hù)工程做了局部調(diào)整并分析其經(jīng)濟(jì)性，為類似鄰地鐵保護(hù)區(qū)域的基坑工程圍護(hù)設(shè)計提供了參考。