裝配式鋼棧橋體系綠色施工技術(shù)在深基坑中的應(yīng)用*

趙元梓，鮑 旺，續(xù)文昊，巴 喬，李 翔

(1.中國(guó)建筑股份有限公司，北京 100029； 2.中國(guó)建筑第八工程局有限公司，上海 200122； 3.同濟(jì)大學(xué)基建處，上海 200092)

0 引言

隨著我國(guó)城市建設(shè)的飛速發(fā)展，城市可利用土地資源日益緊張，城市建設(shè)向高層結(jié)構(gòu)和地下空間方向發(fā)展，這導(dǎo)致城市較多建設(shè)項(xiàng)目的基坑工程形狀復(fù)雜、開(kāi)挖深度較深。為充分利用用地紅線內(nèi)面積，地下室范圍往往貼近紅線布置，導(dǎo)致紅線內(nèi)可作為材料堆場(chǎng)和施工通道的場(chǎng)地越來(lái)越少，給基坑土方挖運(yùn)和地下結(jié)構(gòu)施工帶來(lái)較大困難。同時(shí)，城市中心區(qū)域環(huán)境復(fù)雜，基坑場(chǎng)地四周常密布道路市政管線，鄰近眾多建(構(gòu))筑物，環(huán)境保護(hù)要求嚴(yán)苛[1-3]。因此，建設(shè)項(xiàng)目基坑工程的圍護(hù)結(jié)構(gòu)一般會(huì)設(shè)置相應(yīng)的棧橋體系。通過(guò)設(shè)置棧橋體系，可增加材料堆場(chǎng)空間，改善土方運(yùn)輸條件，提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)可靠性，提高施工效率，縮短工期，節(jié)約工程造價(jià)[4]。

基坑工程棧橋體系一般僅用于地下結(jié)構(gòu)施工階段，后期需拆除，相關(guān)工程費(fèi)用較高且易造成材料浪費(fèi)[5]。因此，在保證項(xiàng)目施工安全性的基礎(chǔ)上，控制棧橋體系施工成本，減少資源浪費(fèi)，提升工程環(huán)保性和施工便利性具有重要意義。隨著我國(guó)建筑工業(yè)化水平的發(fā)展，建筑構(gòu)件預(yù)制化程度逐漸提升，目前已有部分深基坑項(xiàng)目采用了預(yù)制裝配式鋼棧橋體系，但現(xiàn)階段基坑工程中采用的棧橋體系依然多為現(xiàn)澆鋼筋混凝土構(gòu)件，存在工期長(zhǎng)、造價(jià)高、易造成環(huán)境污染和材料浪費(fèi)等問(wèn)題[6]。

1 裝配式鋼棧橋體系設(shè)計(jì)與應(yīng)用

1.1 工程概況

本工程位于上海市楊浦區(qū)，擬建建筑為2棟塔樓、配套裙樓及地下停車(chē)庫(kù)等，建筑高度為99.9m?；涌偯娣e約17 740m2，分為A，B，C區(qū)施工，最大開(kāi)挖深度為18.9m。本工程基坑?xùn)|、北、南三側(cè)緊鄰既有建筑，西側(cè)為市政道路，路下有地鐵區(qū)間隧道，該區(qū)域隧道為雙圓盾構(gòu)，整體性較差，隧道結(jié)構(gòu)邊緣距基坑邊緣最近約28.5m。項(xiàng)目周邊環(huán)境如圖1所示。

圖1 項(xiàng)目周邊環(huán)境

1.2 體系組成

裝配式鋼棧橋體系由棧橋板系統(tǒng)和支撐次梁系統(tǒng)構(gòu)成。其中，棧橋板主要由H型鋼梁及成品花紋鋼板等構(gòu)件組成，鋼材等級(jí)均為Q345B。棧橋板采用固定模數(shù)，為6 000mm× 1 524mm×244mm，單塊重2.7t，標(biāo)準(zhǔn)承載力50kN/m2，表面板材為凹凸紋路。棧橋板上、下底面中間間隔布置多道H型鋼，同時(shí)，每根H型鋼兩側(cè)間隔1.5m設(shè)置加肋板，上、下底面鋼板均預(yù)設(shè)護(hù)欄孔和吊裝孔。典型棧橋板結(jié)構(gòu)組成如圖2所示。

圖2 鋼棧橋系統(tǒng)典型棧橋板結(jié)構(gòu)組成

1.3 設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1.3.1棧橋布置方案

裝配式鋼棧橋替換面積約為2 000m2，主要替換部分為圖3中矩形實(shí)線標(biāo)識(shí)區(qū)域，未被替換的混凝土棧橋部分為圖3中矩形虛線標(biāo)識(shí)區(qū)域。為保證東西向形成對(duì)撐，需在3個(gè)位置設(shè)混凝土板撐，相應(yīng)支撐梁配筋需進(jìn)行調(diào)整，混凝土板撐位置為圖3中圓實(shí)線標(biāo)識(shí)區(qū)域。整個(gè)鋼棧橋體系用鋼量約為583.22t。

圖3 本項(xiàng)目棧橋布置方案

施工中，棧橋板搭接在支撐次梁上，按照單向板和簡(jiǎn)支條件，分別計(jì)算均布荷載和集中荷載下的力學(xué)特性。在均布荷載35kPa作用下，棧橋板最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為71.92，14.64MPa，最大變形為9.002mm，滿(mǎn)足GB 50009—2012《建筑結(jié)構(gòu)荷載規(guī)范》、GB 50017—2017《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)》對(duì)承載力和變形的要求。施工過(guò)程中可能岀現(xiàn)的車(chē)輛類(lèi)型和滿(mǎn)載質(zhì)量如表1所示，滿(mǎn)載不超過(guò)70t，根據(jù)JTG D60—2015《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》的規(guī)定進(jìn)行計(jì)算，最大正應(yīng)力和剪應(yīng)力分別為112.03，16.59MPa，最大撓度為14.096mm，符合規(guī)范要求。

表1 施工車(chē)輛類(lèi)型和滿(mǎn)載質(zhì)量

1.3.2節(jié)點(diǎn)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

1)兩側(cè)擋墻節(jié)點(diǎn) 裝配式鋼棧橋在安裝時(shí)需對(duì)其進(jìn)行限位處理，常見(jiàn)的限位方式包括連接件限位和側(cè)邊擋墻限位等。本項(xiàng)目的限位方式為側(cè)邊擋墻限位。

裝配式鋼棧橋兩側(cè)擋墻施工方案如圖4所示，擋墻配筋如圖5所示。擋墻與混凝土棧橋支撐梁一同澆筑，首次澆筑12cm，剩余3cm待裝配式鋼棧橋安裝完成后進(jìn)行素混凝土填縫。

圖4 鋼棧橋兩側(cè)擋墻施工方案

圖5 鋼棧橋兩側(cè)擋墻配筋

2)裝配式鋼棧橋與鋼筋混凝土棧橋交叉處連接節(jié)點(diǎn) 鋼棧橋標(biāo)高高于混凝土棧橋標(biāo)高，因此，需提高混凝土棧橋局部標(biāo)高，從而使混凝土棧橋板與鋼棧橋板齊平，方便行車(chē)。混凝土棧橋標(biāo)高提高區(qū)域與未提高區(qū)域形成高低差，高差為250mm，通過(guò)設(shè)置斜坡的方式連接存在高低差的混凝土棧橋板。裝配式鋼棧橋與混凝土棧橋交叉處位置如圖6所示方框處，交叉處接坡構(gòu)造措施如圖7所示。

圖6 鋼棧橋與混凝土棧橋交叉處位置示意

圖7 交叉處接坡構(gòu)造措施

1.4 施工方案

1.4.1施工平面布置

1)交通運(yùn)輸組織 設(shè)置2個(gè)出入口，空載車(chē)輛由1號(hào)門(mén)進(jìn)出，滿(mǎn)載車(chē)輛由2號(hào)門(mén)進(jìn)出?，F(xiàn)場(chǎng)內(nèi)部臨時(shí)道路為環(huán)形，方便車(chē)輛進(jìn)出，如圖8所示。

圖8 施工平面布置

2)構(gòu)件堆放和拼裝 根據(jù)工程特點(diǎn)，現(xiàn)場(chǎng)設(shè)置鋼棧橋及配件臨時(shí)堆場(chǎng)，因?yàn)榈叵率沂┕?，鋼棧橋等主要?gòu)件堆場(chǎng)布置在安裝位置附近的棧橋上或基坑外部。

1.4.2鋼棧橋安拆方案

1.4.2.1安拆順序

當(dāng)基坑首道支撐達(dá)到設(shè)計(jì)強(qiáng)度80%后，才能安裝裝配式鋼棧橋板，按基坑移交順序，由近及遠(yuǎn)安裝。鋼棧橋拆除順序與安裝順序相反。

1.4.2.2吊裝流程

1)在已完成的棧橋梁上測(cè)量放線，保證棧橋梁平面在同一個(gè)標(biāo)高上，確定每塊棧橋板鋪設(shè)位置。

2)采用汽車(chē)式起重機(jī)，從近向遠(yuǎn)依次吊裝。通過(guò)卸扣與棧橋板吊裝孔固定，四點(diǎn)起吊。

3)針對(duì)局部不平整部位，采用橡膠墊進(jìn)行平整度找平。

4)鋼棧橋和控位混凝土牙中間縫隙使用素混凝土填實(shí)定位，填充的素混凝土略低于鋼棧橋表面。

5)對(duì)鋼棧橋進(jìn)行整體驗(yàn)收。

1.4.2.3拆除流程

1)鑿除定位混凝土，保證鋼棧橋靈活移動(dòng)。

2)使用汽車(chē)式起重機(jī)，從遠(yuǎn)向近依次吊裝、裝車(chē)，拆除按①→②→③的順序進(jìn)行(見(jiàn)圖9)。

圖9 鋼棧橋板拆除順序示意

3)整理場(chǎng)地，運(yùn)輸出場(chǎng)。

2 裝配式鋼棧橋體系使用效果分析

2.1 環(huán)保性分析

對(duì)于環(huán)保性能，可選用碳排放量指標(biāo)進(jìn)行定量評(píng)估。對(duì)于工程領(lǐng)域碳排放量的計(jì)算，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多評(píng)估方法，主要包括輸入-輸出分析方法(input-output analysis, IOA)和基于過(guò)程的評(píng)估方法(process-based assessment)[7]。輸入-輸出分析方法是一種偏向宏觀的分析方法，適用于建筑業(yè)整體在一段時(shí)期內(nèi)的碳排放量評(píng)估。而基于過(guò)程的評(píng)估方法聚焦于單位工程量的碳排放量，此方法可提高對(duì)單個(gè)建筑碳排放量的計(jì)算精度[8]。因此，本文采用基于過(guò)程的評(píng)估方法，通過(guò)對(duì)比本項(xiàng)目鋼棧橋方案和原計(jì)劃采用的混凝土棧橋方案的碳排放量指標(biāo)，定量分析鋼棧橋體系的環(huán)保特性。

基于過(guò)程的評(píng)估方法基本概念為CE=EQ·EF[9]，其中CE為碳排放量，EQ和EF分別為工程量和對(duì)應(yīng)的單位碳排放量。該方法將工程項(xiàng)目的碳排放量分為3個(gè)階段進(jìn)行計(jì)算[10]：材料生產(chǎn)、運(yùn)輸、建造，3個(gè)階段碳排放量的計(jì)算公式分別如式(1)～(3)所示。

(1)

(2)

(3)

式中：CEmat為材料生產(chǎn)階段的碳排放量；mi和EFmat,i分別為材料的數(shù)量及對(duì)應(yīng)的單位碳排放量；CEtran為材料運(yùn)輸階段的碳排放量；si和EFtran,i分別為材料運(yùn)輸距離及單位周轉(zhuǎn)量對(duì)應(yīng)的碳排放量；CEact為建造階段的碳排放量；Tmac,i為機(jī)械使用時(shí)間；EUmac,ij和EFe,j分別為機(jī)械單位時(shí)間能源消耗量和對(duì)應(yīng)的單位碳排放量。

考慮到工程項(xiàng)目絕大部分的碳排放量為材料生產(chǎn)階段產(chǎn)生[11]，使用材料生產(chǎn)階段的碳排放量來(lái)評(píng)估工程項(xiàng)目整體的碳排放量和環(huán)保性能簡(jiǎn)便且合理。碳排放量對(duì)比如表2所示。

表2 2種棧橋生產(chǎn)階段碳排放量 tCO2

由表2的碳排放量分析數(shù)據(jù)可知，鋼棧橋碳排放量顯著低于現(xiàn)澆混凝土棧橋，僅為其碳排放量的49.19%，下降50.81%。同時(shí)，由于鋼棧橋構(gòu)件可循環(huán)使用，碳排放量會(huì)進(jìn)一步降低。當(dāng)鋼棧橋構(gòu)件周轉(zhuǎn)3次時(shí)，單次使用碳排放量?jī)H為相應(yīng)現(xiàn)澆混凝土棧橋碳排放量的16.40%。因此，鋼棧橋環(huán)保性相較于混凝土棧橋更優(yōu)越。同時(shí)，相較于現(xiàn)澆混凝土棧橋，裝配式鋼棧橋可減少水泥和鋼筋等材料的使用。鋼棧橋構(gòu)件能循環(huán)使用，可進(jìn)一步提升構(gòu)件和材料利用率。在裝配式鋼棧橋施工過(guò)程中，現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)少，可降低工程用水量，減少現(xiàn)場(chǎng)廢棄物和粉塵排放，提升項(xiàng)目整體環(huán)境整潔程度，減少大氣污染。考慮到城市市區(qū)項(xiàng)目周邊往往有大量居民區(qū)，裝配式鋼棧橋施工可縮減混凝土鑿除等工序，從而降低環(huán)境噪聲，減少對(duì)鄰近居民區(qū)的影響，踐行“綠色施工”的理念[5]。

2.2 經(jīng)濟(jì)性分析

以本項(xiàng)目為例，混凝土棧橋體系和優(yōu)化后的鋼棧橋體系成本構(gòu)成如表3所示。

表3 不同棧橋方案成本構(gòu)成 萬(wàn)元

由表3可知，裝配式鋼棧橋體系在棧橋板周轉(zhuǎn)1次的情況下，成本相較于混凝土棧橋體系大幅降低了53.86%，即使不進(jìn)行周轉(zhuǎn)，成本也可降低7.7%，可為施工企業(yè)節(jié)省大量資金。同時(shí)，鋼棧橋板質(zhì)量約為291.61kg/m2，僅為同等條件下的現(xiàn)澆混凝土棧橋板質(zhì)量的36.45%，由此可減小棧橋板下支撐柱尺寸，從而間接降低工程材料成本。

2.3 施工便利性分析

與現(xiàn)澆混凝土棧橋體系相比，裝配式鋼棧橋體系具有良好的施工便利性，主要體現(xiàn)在：①鋼棧橋構(gòu)件由專(zhuān)業(yè)工廠預(yù)制，構(gòu)件質(zhì)量可靠性高，棧橋板承載力標(biāo)準(zhǔn)化程度高，可有效降低施工安全隱患；②鋼棧橋構(gòu)件可提前預(yù)制，運(yùn)輸至項(xiàng)目后進(jìn)行拼接安裝，無(wú)需焊接切割，省略支模拆模、鋼筋綁扎、混凝土養(yǎng)護(hù)和鑿除等工序，可減少現(xiàn)場(chǎng)濕作業(yè)，大幅縮短施工工期，提升施工便利性；③對(duì)于軟土地區(qū)的深基坑工程，縮短了施工工期，可減少基坑暴露時(shí)間，進(jìn)而降低基坑隆起、突涌等穩(wěn)定性風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)也可減小對(duì)基坑周邊建(構(gòu))筑物的影響[4]。

2.4 局限性分析

裝配式鋼棧橋具有良好的環(huán)保性、經(jīng)濟(jì)性和施工便利性，但也存在一定的局限性，主要包括3方面：①裝配式鋼棧橋體系的配套鋼管樁穿樓板區(qū)域需特殊處理，增加了施工難度[6]；②棧橋板周轉(zhuǎn)效率對(duì)成本影響較大，若周轉(zhuǎn)效率較低，則經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)不明顯，因此，對(duì)項(xiàng)目施工管理水平有較高要求；③裝配式鋼棧橋體系較適用于深基坑項(xiàng)目，對(duì)于普通淺大基坑項(xiàng)目，鋼棧橋?qū)て诘目s短和經(jīng)濟(jì)性不明顯。

3 結(jié)語(yǔ)

裝配式鋼棧橋體系可滿(mǎn)足相關(guān)規(guī)范對(duì)承載力和變形的要求，安全可靠。同時(shí)鋼棧橋構(gòu)件在工廠預(yù)制、現(xiàn)場(chǎng)拼裝，有利于保證質(zhì)量，提升施工便利性，縮短工期，從而降低基坑開(kāi)挖風(fēng)險(xiǎn)；裝配式鋼棧橋構(gòu)件可循環(huán)使用，經(jīng)合理優(yōu)化后可在較大程度上降低施工成本，同時(shí)可大幅降低碳排放量、粉塵污染和施工噪聲，極大地提升了施工項(xiàng)目的環(huán)保效益。