杭州地区明挖电力隧道基坑围护结构选型研究

韩春龙,章 颜

(上海电力设计院有限公司,上海 200025)

近几年杭州地区的用电负荷增长很快,原有输电系统供电已不能满足日益增长的电力需求,又由于城市规划要求,城区内新建电力通道一般不得采用架空线路,均须按地下电缆考虑,由此需新建大量电力隧道。

电力隧道可以采用明挖法、顶管法、盾构法、浅埋暗挖法等方式修建,考虑到大部分电力隧道均位于杭州主城区,周边建(构)筑物、管线较多且环境复杂,若采用明挖法施工,一般不考虑采用大开挖方式修建,均须采用相应的基坑围护结构型式,因此本文对杭州地区明挖法电力隧道的基坑挡墙结构与内支撑系统选型进行了研究。

1 地质条件

杭州城区位于钱塘江两岸广阔的堆积平原,地面海拔3～6 m,所处为亚热带季风气候区,东边是杭州湾,历年降雨量较多,年均降雨量约1 400 mm；杭州市区的东侧有钱塘江,其水位受潮汐影响较大,最高水位为8～9 m,最低水位为3.59～5.35 m(杭州市城区海拔一般为3～6 m),杭州城区的工程建设一般均按地下水位位于地面以下0.5～1.5 m考虑。

由于受海侵、海退的影响,以及地质沉积物受侵蚀、堆积作用的交替影响,杭州地区分布有较为广泛的软弱土层。大量的勘测资料证实,以六和塔附近的将台山沿紫阳山—吴山—中山中路—过众安桥渐向北东向—市体育馆—艮山门—杭氧厂东—省农科院—笕桥机场为界,将整个杭州分成两块,形成两种截然不同的地貌：城东区域基本是以粉土、粉砂土为主的软土层,性质良好,透水性强,压缩性低。城西区域则是以黏土、淤泥质黏土和淤泥质粉质黏土为主的软土层,其透水性差,属于高压缩性、低强度的软土[1]。

总之,杭州城区地层特点为：高水位、软土。

2 电力隧道结构型式

电力隧道一般分为现浇钢筋混凝土和预制拼装钢筋混凝土两种型式,结构安全等级为一级,设计使用年限100年。目前杭州市明挖电力隧道主要采用现场整体浇筑混凝土结构,一般有单舱或双舱结构,未见三舱结构,结构断面为矩形,根据电缆工艺、敷设、运维要求,其中单孔断面内净宽一般不宜大于3.5 m,内净高不宜大于4.0 m。

电力隧道线位一般位于非机动车道、人行道或绿化带下方,考虑道路下方各种其他市政管线以及绿化带内林木种植要求,电力隧道顶板覆土一般不宜小于3.0 m。

考虑到电力隧道主体结构厚度、施工空间,单舱结构电力隧道基坑开挖宽度一般不大于6.0 m,开挖深度一般不大于8.5 m；双舱结构电力隧道基坑开挖宽度一般不大于10.5 m,开挖深度一般不大于8.5 m。加之考虑到电网规划要求,常需在电力隧道主线路径上预留其他主线或支线通道,如此会出现平面交叉结构或上下错层结构,对于上下错层交叉结构,基坑开挖深度一般不大于12.5 m。

因此,一般情况下,明挖电力隧道基坑单舱结构开挖宽度不大于6.0 m,双舱结构开挖宽度不大于10.5 m,单层结构开挖深度不大于8.5 m,双层结构开挖深度不大于12.5 m。

3 基坑挡墙结构选型

3.1 选型原则

围护结构的选型应结合周边环境的控制条件与场地的可行性等,并综合考虑工程的安全、工期、经济、环保等重要因素[2-3]。在保证基坑工程安全的前提下,应优先选用较为经济、环保的围护类型。一般可从场地条件、基坑开挖深度及范围、地质条件三方面进行综合考虑。

1)从周边环境控制条件考虑：对于基坑四周有较为宽敞的地方,一般可选用上部放坡结合下部重力式挡墙的支护型式,或采用锚索结合排桩,或采用悬臂式支护结构；对于基坑四周场地比较狭小或有重要需要保护的建构筑物时,一般应采用刚度较大的支护结构,且应做好基坑止水措施。

2)从基坑挖深、宽度角度考虑：挖深较小时一般可采用悬臂式支护结构,较大时一般可采用钻孔灌注桩、地下连续墙等支护结构型式；开挖宽度较大时,可采用地下连续墙结合钢筋混凝土桁架内支撑的方案,或单、多层锚杆支护结构；开挖宽度较小时,可采用锚撑结构。

3)从土质条件考虑：土质条件较差时,可考虑选用钢板桩、工法桩、重力坝、地墙、钻孔灌注桩等支护结构方案；土质较好的情况下,则考虑选用锚杆或排桩支护结构方案。

在类似杭州城区的软土地层开挖基坑,需采用挡墙结构进行挡土、挡水。对于明挖电力隧道基坑工程,一般可考虑采用板桩、SMW工法桩、钻孔灌注桩或其他新型基坑围护型式。

3.2 板桩

板桩是利用打桩机械按照设计位置打设,并根据实际情况设置内支撑(混凝土或钢支撑),开挖土体并及时支撑,施工完成后可以回收再次利用。工程中常用的板桩有钢板桩和混凝土板桩,其中,常用的钢板桩主要分为拉森钢板桩、槽钢钢板桩两种。槽钢桩刚度相对较小、变形较大且容易渗水,采用此种支护型式往往需要另外增设止水帷幕；拉森钢板桩彼此之间通过锁口环环相扣,刚度较槽钢桩大且抗渗能力强,可直接适用于水位较高的土层中。钢筋混凝土板桩具有较大的刚度及抗渗能力,但由于回收利用率不高,施工不方便,目前已较少使用[2]。见图1。

由于钢板桩打入时会对周围的土体产生挤压,拔出时又会带出大量的泥土,容易导致周围的地层变形。因此,在周围建筑物比较密集的软土地区不适宜采用钢板桩支护。

钢板桩相对于其他的围护形式,刚度较低,变形较大。在杭州等高水位软土地区,一般适用于对环境要求不高的7～8 m深的小型浅基坑。在地下水位较低、地层较好、环境要求不高的地区,可适用于12 m以内较深的基坑。

注：t、s为厚度，b为宽度，h为高度。图1 常用钢板桩截面形式

3.3 SMW工法桩

SMW工法桩一般是利用多轴搅拌机,将水泥与地基土进行强制搅拌,待水泥与地基土固化后形成具有一定强度的桩墙,以达到挡土、止水的效果。这种围护结构施工速度较快,单台工法桩机平均每天可施工15～20 m围护结构体,可大幅缩短工期。施工相对简易,废土外运量远比其他工法少,环境污染小。占用场地小,需利用的围护宽度小,并可在建筑红线近距离施工。所用型钢可以回收,可减少材料浪费,在租赁工期较短的情况下,有明显的经济优势。挡水性强,有利于采用坑内降水坑外不降水的情况。SMW工法桩围护结构,隧道结构、围护结构往往采用的是分离式,隧道结构边墙可以施作外防水,相较于地下连续墙围护结构型式而言,结构整体性、防水性能较好,还能降低后期运维成本。见图2。

图2 SMW工法桩

SMW工法围护结构刚度相对略小,在软土地区适用于开挖深度12 m以内的基坑。同时,其适用深度还受限于搅拌桩施工的最大深度及地质条件,SMW工法桩一般施工速度快，造价相对不高,但此工法在饱和粉土、粉砂层中的成桩效果较差,且从目前国内现有的施工设备能力来看,能施工的有效桩长为30 m,因此,其使用范围受到一定限制。与灌注桩相比,其综合造价一般更便宜,但却受基坑施工工期的影响较大。如果基坑施工工期不能得到有效控制,则随着型钢租赁期的增长,SMW工法的围护费用将显著上升[2-3]。

3.4 钻孔灌注桩

钻孔灌注桩是指在地基土中通过机械钻孔,并在孔内放置钢筋笼、灌注混凝土而做成的桩。钻孔灌注桩挡土结构是一种非连续的排桩结构。因此,在地下水位较高的地层中,各桩间一般应采用止水帷幕来进行防渗处理,见图3；同时,需使用圈梁或和围檩将每一个桩连接成一体以提高基坑围护结构的整体刚度,从而形成支护结构。钻孔灌注桩施工时振动和噪音比较小,无挤土现象,对周围环境影响小；钻孔灌注桩桩身刚度较大,强度高,稳定性好,桩体变形小；如果工程桩也采用灌注桩,围护桩可以与主体结构工程桩同步施工,利于施工组织安排,缩短工程工期。在进行钻孔灌注桩成孔施工时,需注意成孔的质量、钢筋笼安装质量以及水下混凝土灌注等问题。

图3 钻孔灌注桩止水措施

钻孔灌注桩造价经济、施工速度快。其适用深度取决于桩间止水的有效性和桩间土的稳定性。在软土地区,适用于深度15 m以内，环境要求不高的一般性基坑工程。在地下水位较高的地方,需要单独设置止水帷幕,所以钻孔灌注桩较地下连续墙、SMW工法的围护墙厚度要大,适用的场地条件受限。在砂砾层和卵石中,钻孔灌注桩施工困难,应该慎用；在重要地区,特殊工程及开挖深度很大的基坑中使用时还应进行专项设计[2-4]。

3.5 WSP工法钢管桩

WSP工法钢管桩[5]是近几年采用的一种新型的围护结构型式,此种围护型式一般主要使用型钢、拉森钢板桩、钢管等材料,并进行任意组合,形成围护结构,实际工程中可以根据场地情况及基坑开挖深度、宽度选择相应的组合形式。组合形式分为钢管+拉森钢板桩、型钢+拉森钢板桩等。此种围护结构型式的优点：施工速度快，现场无泥浆作业，止水效果较好，围护结构刚度大，围护结构体可全部回收等。

WSP工法钢管桩作为一种可全部回收的新型深基坑围护结构,关键的核心技术在于：“以水堵漏”来解决桩间接缝止水问题；用“土塞补偿”来实现钢管桩连续墙微扰动全回收。

WSP工法是利用大直径钢管桩承担水土压力,钢管桩之间相互套接进行阻挡桩间土体,桩体接缝处设置止水腔壁,通过在止水腔壁内安装弹性袋并充水密封接缝,实现“以水堵漏”目的,形成连续的围护结构体。原理图见图4。

图4 WSP工法钢管桩止水挡土原理

3.6 H+Hat、HU组合型钢拉森钢板桩

H+Hat、HU组合型钢拉森钢板桩[6]是一种能取代拉森钢板桩(尤其是深水基坑使用的6号拉森桩18～30 m的长桩)、SMW工法桩、灌注桩等基坑围护的新工艺。见图5。

图5 H+Hat、HU组合型钢拉森钢板桩

H+Hat、HU组合型钢拉森钢板桩是一种采用带止口的H型钢和带止口的U型拉森钢板桩通过定位架施打并连成一体的钢板桩连续墙。其具有止水效果极好、强度大、施工进度快、环保、高效、节能、取材方便等优越性，深受广大业主、总包及施工单位的青睐。

目前,H+Hat、HU工法已经应用于各种基坑围护中，见图6。组合型钢板桩相比于传统的组合钢板桩型式有较多优点：支护结构抗弯刚度大，钢材重复利用率高，造价相对比较经济，围护结构构造简单等。

图6 H+Hat、HU组合型钢拉森钢板桩现场施工图

4 支撑选型

支撑选型应在保证基坑工程安全的前提下,从有利于基坑工程土方开挖，加快工程施工速度，缩短工程工期与降低造价的角度考虑。

4.1 支撑材料

基坑工程中水平内支撑体系分为钢支撑、钢筋混凝土支撑及两者结合的混合支撑体系[2，7]。

4.1.1 钢支撑

优点：自重轻,安装速度快,拆除方便,可重复利用,可施加预应力,能有效减小由于时间效应而增加的基坑位移。作为对撑传力路线明确,效果好。

缺点：刚度比混凝土支撑小,变形相对较大。节点构造和安装相对复杂,处理不当将引起过大位移。作为角撑等斜向受力杆件时,效果较差。

一般适用于对撑、角撑,形状规则、跨度不宜过大的基坑,长度不宜超过70 m。有条件时应优先选用[2，8]。

4.1.2 混凝土支撑

优点：刚度大,变形小,能有效减小围护结构水平位移。可根据基坑具体形状,合理选择布置形式和截面,调整支撑刚度。可预留较大出土空间,方便土方开挖,同时与栈桥相结合,有利于加快土方开挖速度,缩短工期。

缺点：养护时间较长,支撑拆除较复杂,无法重复利用。可考虑在混凝土中掺入早强剂或者选用高标号水泥。

一般适用面较广,尤其对于变形控制要求高、周边环境复杂、大面积、形状不规则、超深基坑具有极大优势。

4.2 支撑布置原则

4.2.1 平面间距

结构受力要求：支撑平面间距的设计应考虑支撑系统中受压弯构件的跨度及其受力要求。支撑间距决定了支撑及围檩的宽度,合理的跨度才能保证达到支撑断面尺寸的合理设计[9]。

施工运输要求：支撑的平面布置决定了支撑之间的空间大小,该空间对基坑施工的垂直运输影响较大,应满足建筑材料(支撑、钢筋)最大横向尺寸或设备的吊装要求,以保证其顺利通过支撑之间的间隙。

其他施工作业要求：由于支撑的设置在换撑前不能影响到主体结构竖向承载构件的浇注施工,因此其间距还应考虑主体结构的布置[10]。

在满足承载和不影响主体结构施工的前提下,支撑间距越大对施工越有利。一般认为支撑净间距为6～8 m时对施工是有利的,最小不得小于3 m。

4.2.2 竖向间距

结构受力要求：支撑竖向间距决定了挡土结构的竖向跨度,因此应根据挡土结构的承载和变形要求通过计算综合决定[11]。

土方开挖要求：支撑竖向间距限制了土方开挖机械的作业高度,因此为保证高效和安全作业,支撑竖向间距须满足开挖设备的最小作业高度的要求。在密集支撑之间进行挖土作业,一般采用小型挖掘机,其作业高度不应小于3 m,如浅层(1～2层)土采用大型挖掘机,则该高度需达5 m。

其他施工作业要求：主体结构楼板浇注时,须保证支撑与楼板间的钢筋绑扎、混凝土浇捣等作业空间要求。该作业空间的最小距离为800～1 000 mm。

因此,一般条件下,首层支撑与第二道支撑的间距范围在3～5 m,其他除最底层支撑竖向间距可能小于3 m之外,其他竖向支撑间距一般在3 m左右。

5 围护结构选型分析

5.1 挡墙结构

不同挡墙结构的特点与造价对比见表1。

软土路基处理技术在我国公路工程建设中发挥了重要作用。公路软土路基处理技术发展历史较长，经多年的发展积累了丰富的经验。路基处理技术的发展可分为两个时期，建国初期应用路基处理技术主要为挤密土桩，砂石垫层等。80年代后期，随着改革开放的发展，建筑工程建设不断进步。在公路工程建设中引进了大量的国外先进技术，促进了我国建筑事业建设发展。

表1 不同挡墙结构的特点与造价情况

5.2 支撑结构

不同支撑结构的特点与造价情况对比见表2。

表2 不同支撑型式的特点与造价情

6 结 语

本文结合杭州地区地层与电力隧道结构特点,分析了几种适合杭州地区的基坑挡墙结构与内支撑结构,并总结了各自的优缺点与造价情况,主要结论如下：

1)在环境要求不高的情况,可优先考虑采用拉森钢板桩作为挡墙结构,钢支撑作为内支撑结构。

2)在环境要求较严的地方,可考虑采用SMW工法桩或钻孔灌注桩作为挡墙结构；若选用SMW工法桩应考虑场地是否具备大型机械施工条件。可考虑首道采用混凝土支撑,其余采用钢支撑结构。

3)支撑结构可考虑采用混凝土支撑或钢支撑,支撑平面与竖向间距不仅要满足受力要求,还应满足施工机械要求。

4)在条件允许的地方,可以考虑推广采用WSP工法钢管桩、H+Hat、HU组合型钢拉森钢板桩等新型节能环保型挡墙结构。