地下連續(xù)墻開洞及加固的工藝優(yōu)化

葉 平 楊 帆

上海建工集團(tuán)股份有限公司 上海 200080

近年來，隨著節(jié)能環(huán)保理念的深入以及碳達(dá)峰、碳中和理念的提出，伴隨著特大型城市超高層、大型城市綜合體的建設(shè)，采用能源中心集中式供能更能適應(yīng)發(fā)展趨勢(shì)，但對(duì)于已建成圍護(hù)結(jié)構(gòu)，在地下連續(xù)墻上沒有預(yù)留能源管套管，如何在確保安全及使用功能，尤其是防止結(jié)構(gòu)滲漏水的前提下，完成圍護(hù)結(jié)構(gòu)開洞加固并進(jìn)行大管徑能源管的敷設(shè)是一項(xiàng)難題[1-6]。本文結(jié)合上海世博會(huì)地區(qū)A片區(qū)“綠谷一期”地下空間工程項(xiàng)目的實(shí)際案例，對(duì)不同施工方法進(jìn)行總結(jié)分析。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

世博A片區(qū)規(guī)劃范圍總用地面積85.54萬(wàn) m2，規(guī)劃地上總建筑面積112.35萬(wàn) m2，其中規(guī)劃新建地上商辦建筑面積為92.75萬(wàn) m2。為提升區(qū)域的總體能效水平，發(fā)展低碳能源，滿足該區(qū)域內(nèi)商業(yè)、文化娛樂、酒店公寓等建筑、知名企業(yè)總部和國(guó)際一流的商務(wù)街區(qū)的冷、熱負(fù)荷需求，擬在博青路和博展路地下建設(shè)以天然氣為燃料、冷熱電聯(lián)產(chǎn)的分布式能源站。

能源站的冷熱能供能范圍為世博A片區(qū)內(nèi)云臺(tái)路以東的所有公共建筑，供能范圍為圖1中的紅色區(qū)域，此區(qū)域內(nèi)的供能面積約為111.3萬(wàn) m2。

圖1 能源中心供能范圍及地理位置示意

能源中心規(guī)劃的位置在博青路和博展路地下，正位于負(fù)荷中心地帶。為方便敘述及以后運(yùn)行管理，將位于博青路地下的能源站命名為“能源中心東站”；位于博展路地下的能源站命名為“能源中心西站”。能源中心東站和西站，建筑面積各約19 500 m2，其中，機(jī)房建筑面積各約5 000 m2，蓄能水槽建筑面積各約14 500 m2。2個(gè)能源站共同分擔(dān)整個(gè)A片區(qū)內(nèi)規(guī)劃的111.3萬(wàn) m2建筑空調(diào)冷熱負(fù)荷。能源中心東站和能源中心西站的冷熱能供應(yīng)管連通，兩站建成后聯(lián)合運(yùn)行、互為備用，可以增加供能安全；網(wǎng)管連通也有利于分期開發(fā)。

能源東站位于上海市世博會(huì)A片區(qū)綠谷一期項(xiàng)目地下室，博成路以南、白蓮涇路以西、國(guó)展路以北、高科西路以東，基坑用地面積38 000 m2?；痈鲄^(qū)域開挖深度在11.40～18.60 m之間?；?xùn)|、西、北三側(cè)環(huán)境保護(hù)等級(jí)為一級(jí)，南側(cè)為三級(jí)?；訃o(hù)均采用地下連續(xù)墻，其中東、北、西三側(cè)墻厚1 000 mm，南側(cè)和中隔墻厚800 mm。

由于地下空間先行開工建設(shè)，能源中心方案在地下空間完成后才正式確定，導(dǎo)致圍護(hù)地下連續(xù)墻上未預(yù)留套管，根據(jù)片區(qū)的整體供能方案，本工程內(nèi)能源中心東站的出戶管均橫穿周邊市政道路的地下，連通各用戶地塊，從而實(shí)現(xiàn)向用戶地塊的空調(diào)冷熱源供能。因此，用戶管都必須通過在地下連續(xù)墻上開洞實(shí)現(xiàn)出戶，共涉及9組，合計(jì)36個(gè)孔。

1.2 同類型案例

經(jīng)過與上海同類型案例比較，在地下連續(xù)墻上開洞進(jìn)行大直徑出戶管穿管的案例較少，類似案例僅有上海市第一人民醫(yī)院排水改造，在地下連續(xù)墻上進(jìn)行2 000 mm×2 000 mm尺寸的結(jié)構(gòu)開洞，其余大部分案例均為地下空間與地鐵車站以及地下連通道互相連通，對(duì)地下連續(xù)墻進(jìn)行整體開洞和加固，與本項(xiàng)目的工況存在較大的差異，不具備參考價(jià)值。

1.3 工程難點(diǎn)

1.3.1 工況條件復(fù)雜

出戶管點(diǎn)位多，且較為分散、相互獨(dú)立，各點(diǎn)位的埋深及結(jié)構(gòu)開孔尺寸不盡相同，深度1.9～5.2 m不等，功能管水平中心間距從1 400～2 480 mm不等，同時(shí)各組地下連續(xù)墻開洞位置涉及地塊內(nèi)地下連續(xù)墻分幅、構(gòu)造柱位置、地下室結(jié)構(gòu)位置等不同的邊界條件和地塊外市政道路管線影響出戶套管位置等因素，導(dǎo)致各組地下連續(xù)墻開洞加固的工況及條件均不同，且相對(duì)獨(dú)立，需對(duì)每一組結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際情況進(jìn)行深化。

1.3.2 滲漏水風(fēng)險(xiǎn)大

由于各出戶管均位于側(cè)墻，根據(jù)上海地區(qū)區(qū)域地質(zhì)資料，上海地區(qū)第四系松散沉積物厚200～300 m，地下水類型主要為松散巖類孔隙水。潛水一般分布于淺部土層中，淺部土層中的潛水位埋深，一般離地表0.3～1.5 m，年平均地下水水位離地表0.5～0.7 m。

由于潛水與大氣降水和地表水的關(guān)系十分密切，水位呈季節(jié)性波動(dòng)。因此，潛水水位的高低主要取決于降水量的大小和降水持續(xù)時(shí)間。所有出戶管埋深全部位于潛水水位以下，長(zhǎng)期使用會(huì)造成套管與結(jié)構(gòu)接口處的滲漏水風(fēng)險(xiǎn)增大。

1.3.3 工序銜接工期要求高

各出管戶均要橫穿現(xiàn)有市政道路，需整體封閉市政道路。根據(jù)工序條件，待外部基坑完成后，方可進(jìn)行地下連續(xù)墻的開洞及加固。

因此，選擇的施工工藝需要盡可能地縮短施工周期，確保后續(xù)能源管施工的條件，減少基坑暴露以及道路封閉的影響。

2 方案比較

原設(shè)計(jì)方案以4個(gè)洞為一組整體開洞后進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固，在洞口上方增加1 000 mm×600 mm結(jié)構(gòu)暗梁和450 mm×800 mm結(jié)構(gòu)明梁。洞口下方同上方做法，增加1 000 mm×600 mm結(jié)構(gòu)暗梁和450 mm×800 mm結(jié)構(gòu)明梁，洞口兩側(cè)增加1 000 mm×500 mm結(jié)構(gòu)暗柱和700 mm×600 mm結(jié)構(gòu)明柱。

地下連續(xù)墻整體矩形開洞尺寸平均達(dá)到7 000 mm×2 200 mm，對(duì)原有的圍護(hù)和結(jié)構(gòu)受力會(huì)產(chǎn)生較大的影響，因此還需要考慮整體結(jié)構(gòu)受力，通過新增結(jié)構(gòu)柱向下傳力至B2層結(jié)構(gòu)板。這意味著在洞口結(jié)構(gòu)加固時(shí)，還需對(duì)原結(jié)構(gòu)進(jìn)行加固以滿足結(jié)構(gòu)受力的要求。同時(shí)穿墻套管采用可調(diào)式熱力套管，鋼管直徑與套管直徑具體如表1所示。

表1 鋼管直徑與套管直徑對(duì)照

3 風(fēng)險(xiǎn)分析

經(jīng)過對(duì)設(shè)計(jì)方案以及施工工況的分析，并核對(duì)現(xiàn)場(chǎng)情況后，以典型的開洞尺寸較大的6#口為例，原方案實(shí)施過程中主要存在以下幾方面風(fēng)險(xiǎn)。

3.1 安全風(fēng)險(xiǎn)

4根出墻管從左到右排列分別為2根DN350供水管和2根DN250回水管，根據(jù)05R410圖集以及表1所列，對(duì)應(yīng)的套管直徑分別為DN760和DN682，管中心間距依次為1 700、2 350、1 550 mm。

考慮洞口兩側(cè)各有1根寬500 mm的結(jié)構(gòu)暗柱，開洞橫向尺寸將達(dá)到7 321 mm，已超過單幅地下連續(xù)墻6 000 mm的寬度，造成上端地下連續(xù)墻整體懸空，對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性會(huì)造成不可控的影響。

3.2 滲漏水風(fēng)險(xiǎn)

受制于施工工藝以及現(xiàn)場(chǎng)施工工作面的影響，若根據(jù)原設(shè)計(jì)方案進(jìn)行施工，將會(huì)存在3處滲漏水隱患。

3.2.1 新舊混凝土交界面處滲漏水隱患

首先，原方案設(shè)計(jì)時(shí)僅考慮通過在新舊混凝土交界面處增加遇水膨脹止水帶作為防滲漏措施，以過往大量的施工經(jīng)驗(yàn)可知，遇水膨脹止水帶并不是一種十分保險(xiǎn)的止水措施，尤其是在潛水水位以下作為新舊混凝土間僅有的止水措施，后期風(fēng)險(xiǎn)相當(dāng)大。

其次，由于在洞口需要增加暗梁和明梁，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)梁斷面尺寸達(dá)到1 300 mm×450 mm和1 300 mm×800 mm的變截面梁，且受制于洞口上方原地下連續(xù)墻和側(cè)模影響，不同于地下連通道，洞口墻體及新增結(jié)構(gòu)梁需同時(shí)澆筑。同時(shí)，為了保證混凝土的整體性宜進(jìn)行整體澆筑，澆筑高度約為2 000 mm，新澆結(jié)構(gòu)混凝土在澆筑時(shí)無振搗操作空間，僅能通過自密實(shí)混凝土自下而上的澆筑來保證新舊混凝土交界面處的密實(shí)。

3.2.2 預(yù)埋套管與新澆混凝土交界面處滲漏水隱患

不同于地下連通道，能源套管預(yù)埋定位完成后，原鑿除地下連續(xù)墻均需兩側(cè)支模重新澆筑新墻，套管與新澆混凝土墻間僅通過止水套環(huán)進(jìn)行防水，同時(shí)由于套管直徑較大，相互間距最小處僅為300 mm，易產(chǎn)生蜂窩麻面。

3.2.3 能源管與預(yù)埋套管間滲漏水隱患

能源管外包橡塑保溫材料，與套管壁之間為柔性連接，容易由于兩側(cè)不均勻沉降導(dǎo)致能源管與預(yù)埋套管間產(chǎn)生滲漏水通道。

3.3 工期風(fēng)險(xiǎn)

為了減少市政道路基坑的暴露風(fēng)險(xiǎn)，結(jié)構(gòu)開洞與加固時(shí)間務(wù)必越短越好。根據(jù)原方案，大部分工期為新增結(jié)構(gòu)梁、柱、墻鋼筋綁扎及混凝土養(yǎng)護(hù)，僅結(jié)構(gòu)開洞和加固的施工絕對(duì)工期預(yù)計(jì)需要至少50 d，基坑暴露風(fēng)險(xiǎn)以及道路占路影響較大。

4 方案優(yōu)化

綜合分析上述存在的相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)，在考慮施工成本等各方面因素并復(fù)核結(jié)構(gòu)受力后，以加快施工、減少濕作業(yè)和養(yǎng)護(hù)、降低滲漏水風(fēng)險(xiǎn)為主要思路，對(duì)原方案整體進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，創(chuàng)新提出以整體鋼套筒結(jié)合雙側(cè)粘鋼加固的施工工藝。

鋼套管及粘鋼鋼板均采用厚20 mm的Q345B鋼，鋼套管與鋼板滿焊。為防止?jié)B漏水，鋼套管增加2道50 mm×5 mm止水環(huán)和2道四周兜通的遇水膨脹止水條，鋼套管與原地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)間內(nèi)灌A級(jí)結(jié)構(gòu)膠，粘鋼采用M16化學(xué)螺栓20 mm×20 mm布置。該施工工藝相較于原工藝的最大優(yōu)勢(shì)在于大大減少了地下連續(xù)墻的開洞量，僅需根據(jù)套管尺寸進(jìn)行圓形開洞。

4.1 工藝流程

室外基坑開挖至工作面→地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)開洞→鋼套管安裝→粘鋼螺栓孔定位→鋼板安裝→化學(xué)螺栓安裝→鋼板封口→注膠→鋼板打磨除銹→刷環(huán)氧富鋅底漆→刷環(huán)氧云鐵中間漆→表面刷超薄型防火涂料→鋼絲網(wǎng)＋水泥砂漿防護(hù)

4.2 施工方案

4.2.1 地下連續(xù)墻開洞

1）定位放線，水鉆切割地下連續(xù)墻，鉆孔前在原墻體內(nèi)側(cè)設(shè)置高200 mm擋墻。

2）在內(nèi)墻上安裝鉆孔用型鋼（采用HW200 mm×200 mm×8 mm×12 mm型鋼），型鋼根據(jù)鉆孔直徑加工。

3）安裝鉆孔機(jī)，接水電排孔施工，加工鉆孔前每塊混凝土塊上安裝φ20 mm的U形圓鋼吊環(huán)。

4）控制混凝土分塊質(zhì)量最大不超過1 t，利用汽車吊吊運(yùn)至地面。洞口內(nèi)壁采用空壓機(jī)鑿除平整并清理干凈。

4.2.2 鋼套管安裝

利用手拉葫蘆自樓板面提升鋼套管，將套管提升至洞口上方，人工將套管平移至洞內(nèi)。根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)高調(diào)整套筒位置，上下左右均采用200 mm×200 mm×10 mm鋼楔固定牢固。

4.2.3 粘鋼螺栓孔定位

在混凝土墻上定出螺栓孔位置進(jìn)行鉆孔，根據(jù)實(shí)際鉆孔位置放出鋼板上螺栓孔位，再進(jìn)行鉆孔并清理干凈。

4.2.4 鋼板、化學(xué)螺栓安裝

鋼板吊裝參照套管施工方法，鋼板采用膨脹螺栓臨時(shí)固定，調(diào)整好后采用化學(xué)螺栓固定。按新縱向鋼筋位置定位后用電錘鉆孔，清孔處理后注入植筋膠插入鋼筋。

4.2.5 鋼板封口

鋼板與套筒焊接牢固（鋼板安裝前，開設(shè)45°坡口），鋼板四周采用封口膠或水泥砂漿進(jìn)行密封。

4.2.6 注膠和刷漆

1）封閉后應(yīng)進(jìn)行壓氣試漏，檢查密閉效果，試漏需待封縫膠泥或砂漿有一定強(qiáng)度時(shí)進(jìn)行，試漏前沿四周涂1層肥皂水，從灌漿嘴通入壓縮空氣。凡漏氣處，應(yīng)予修補(bǔ)密封至不漏為止。

2）灌漿前用壓縮空氣將縫隙吹干凈，采用單孔灌漿，注膠孔預(yù)留鋼板下端（上端預(yù)留排氣孔），自下往上注膠，灌漿時(shí)待排氣嘴出漿時(shí)立即關(guān)閉轉(zhuǎn)心閥，按此順序進(jìn)行，化學(xué)漿液的灌漿壓力為0.2 MPa。壓力應(yīng)逐漸升高，防止驟然加壓，達(dá)到規(guī)定壓力后，應(yīng)保持壓力穩(wěn)定，以滿足灌漿要求。

3）當(dāng)吸漿率小于0.1 L/min時(shí)，再繼續(xù)壓注幾分鐘即可關(guān)掉進(jìn)漿嘴上的轉(zhuǎn)芯閥門停止灌漿。

4）將混凝土表面清理干凈，保持混凝土表面光潔、平整。在粘貼鋼板部位用脫脂棉蘸丙酮擦拭干凈，待粘貼面完全干燥后備用。

5）鋼板打磨清除，刷防銹漆和防火涂料。

5 方案對(duì)比

在傳統(tǒng)的地下連續(xù)墻開洞及結(jié)構(gòu)加固工藝中，不必要的結(jié)構(gòu)鑿除和新澆筑混凝土工作量巨大，同時(shí)二次混凝土澆筑對(duì)滲漏水的預(yù)防也極為不利。通過整體鋼套筒結(jié)合雙側(cè)粘鋼加固的施工工藝，從工程量、安全、工期、質(zhì)量、經(jīng)濟(jì)性等各方面的實(shí)際施工效果，對(duì)比原工藝進(jìn)行分析，可得出以下結(jié)論。

5.1 工程量

根據(jù)原工藝施工單組洞口地下連續(xù)墻開洞工程量約為21 m3，而能源管套管所需開洞工程量?jī)H為8.5 m3，實(shí)際有效的開洞施工僅占約40%，剩余地下連續(xù)墻開洞工程量大部分為新增結(jié)構(gòu)暗柱及暗梁，均為無效施工。而新工藝僅對(duì)套管所需的預(yù)留位置進(jìn)行開洞，相較原工藝開洞體積減小約60%，避免了原工藝的無效施工。同時(shí)，由于新工藝不存在新澆混凝土結(jié)構(gòu)和新增結(jié)構(gòu)柱等混凝土結(jié)構(gòu)加固措施，單組洞口節(jié)約混凝土約28.1 m3。

5.2 安全性

由于原施工工藝矩形開洞體積大，同時(shí)改變了原有的受力結(jié)構(gòu)，需先進(jìn)行結(jié)構(gòu)加固后，方可開洞。此外，由于水平尺寸超過單幅地下連續(xù)墻寬度，導(dǎo)致部分地下連續(xù)墻整體懸空，為確保上部地下連續(xù)墻的穩(wěn)定性，施工期間必須采取臨時(shí)支撐措施，施工安全風(fēng)險(xiǎn)較大。

新工藝為地下連續(xù)墻開洞，為較為常規(guī)的做法，且由于開洞尺寸較小，圓形洞口受力較矩形洞口更優(yōu)。經(jīng)過復(fù)核計(jì)算，施工期間僅需避開地下連續(xù)墻接縫位置，即可滿足結(jié)構(gòu)受力需求，無需進(jìn)行臨時(shí)支撐，安全風(fēng)險(xiǎn)較原工藝大大降低。

5.3 工期

原工藝由于施工工作量大，并要現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行暗柱、暗梁鋼筋綁扎和混凝土澆筑，從單組洞口結(jié)構(gòu)加固施工養(yǎng)護(hù)完成，到具備移交后續(xù)能源管穿管條件至少需要50 d，工期延長(zhǎng)勢(shì)必影響基坑安全。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際施工統(tǒng)計(jì)，新工藝的鋼套管及粘鋼鋼板均提前在外場(chǎng)進(jìn)行成品加工，單組洞口從地下連續(xù)墻開洞至粘鋼結(jié)束并完成防銹漆及防腐漆涂刷共需10 d，僅為原工藝的1/5，極大地縮短了工期，減少了基坑暴露的時(shí)間，降低了安全風(fēng)險(xiǎn)。

5.4 質(zhì)量

質(zhì)量的對(duì)比主要體現(xiàn)在滲漏水防治方面。

原工藝存在大量的新舊混凝土接縫，單個(gè)洞口總長(zhǎng)約為19 m，且防水措施僅為2道遇水膨脹止水條。同時(shí)，原工藝的開洞范圍過大，易產(chǎn)生不均勻沉降，導(dǎo)致套管與接口處滲漏水。

新工藝避免了混凝土接縫的問題，并在原有的2道遇水膨脹止水條的基礎(chǔ)上，增加了2道環(huán)形止水鋼板。同時(shí)，A級(jí)結(jié)構(gòu)膠在小范圍的縫隙空間內(nèi)抗沖、抗壓、抗剪切強(qiáng)度和黏結(jié)性、延展性等各方面指標(biāo)均優(yōu)于混凝土，注膠施工不會(huì)造成混凝土施工中常見的由于混凝土自身特性或振搗不到位所導(dǎo)致的空鼓，有效避免了抗?jié)B漏性能的降低。經(jīng)過至今1年多的長(zhǎng)期觀察，僅在能源管和鋼套管間由于內(nèi)外的不均勻沉降有部分滲漏現(xiàn)象，鋼套管與地下連續(xù)墻結(jié)構(gòu)間未發(fā)生漏水現(xiàn)象，對(duì)于整體結(jié)構(gòu)滲漏的防治效果還是較好的。

5.5 經(jīng)濟(jì)性

經(jīng)過核算，整體9組洞口在經(jīng)濟(jì)性方面均為200萬(wàn)元左右，原工藝受制于工況條件和施工工序，人工費(fèi)及措施費(fèi)相對(duì)較高，而對(duì)比新工藝主要為A級(jí)結(jié)構(gòu)膠的組成，材料費(fèi)占比較高。

6 結(jié)語(yǔ)

綜上所述，針對(duì)原有常規(guī)的結(jié)構(gòu)開洞混凝土結(jié)構(gòu)加固施工工藝與整體鋼套筒結(jié)合雙側(cè)粘鋼加固的施工工藝，從各方面對(duì)比后可得出，2個(gè)方案在費(fèi)用大致等同的情況下，新工藝在各方面均遠(yuǎn)優(yōu)于原工藝，尤其是在工期及防滲漏水方面，其大大簡(jiǎn)化了施工流程并縮短了基坑暴露時(shí)間，可有效規(guī)避施工安全風(fēng)險(xiǎn)和結(jié)構(gòu)滲漏水的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)。

隨著上海目前城市更新的加速和節(jié)能環(huán)保理念的深入，能源中心集中供能也將更為普遍，但受制于開發(fā)時(shí)序，不可避免地會(huì)發(fā)生地下連續(xù)墻后開洞的問題。以綠谷一期項(xiàng)目為例，初次嘗試采用整體鋼套筒結(jié)合雙側(cè)粘鋼加固的施工工藝，取得的效果還是很好的。同時(shí)，越來越多的建筑將會(huì)進(jìn)行功能性的改造，尤其是地下室市政管線改造，也可推廣嘗試使用類似的施工工藝，以達(dá)到安全、可靠、經(jīng)濟(jì)的目的。