田莉梅,张景华,刘岗卫,崔 炜,柴 茜
(1.廊坊师范学院,河北 廊坊 065000;2.中国石油天然气管道工程有限公司,河北 廊坊 065000)
我国城市建设已经能从多层发展到高层超高层,地上空间越来越小,为了加强城市基础设施建设,地下综合管廊工程、城市地铁等设施应运而生,将给排水、电力、燃气、热力、通信等管线及线缆集中在一起,共同管理,具有安全、高效和科学运维的优点,堪称“城市生命线”,是基础设施建设的百年大计。
管廊基坑开挖分为明挖法、暗挖法两种方式。明挖法可以采用放坡或基坑支护等方式进行,对于开挖深度较浅,地面空间相对较开阔的地区比较合适。暗挖法采用盾构和顶管施工为主,造价相对较高,管廊埋深较大,适合地面建筑密集地上空间狭小的地区。对比两种方法,从安全、经济、合理性出发,条件允许的前提下,采用明挖施工更为广泛[1-5]。
廊坊城市拥有龙河、凤河两大水系,城市水系发达,且常年降雨量丰富,大雨过后城区会出现严重的内涝现象,建设综合管廊势在必行。本文采用支挡式结构排桩方案和地下连续墙两种方案,从基坑安全、技术先进性、经济合理性和绿色环保等方面进行对比分析,为富水地区狭长基坑明挖施工提供依据和参考。
本工程富水地区综合管廊设计形式为钢筋混凝土三层双仓结构形式,混凝土强度为C30,管廊宽度9.9m,总高度12m,埋深10m,断面图如图1所示。
图1 综合管廊断面图
根据地质勘察报告,获得各层岩土的物理力学性质主要指标如表1、表2所示。
表1 各土层物理力学指标
表2 各土层开挖坡率及渗透系数
基坑支护的方式主要有排桩支护、地下连续墙支护、土钉墙和重力挡土墙等几种。由于排桩支护具有造价相对更经济的优点,所以被广泛采用。一些学者[6,7]以队列式排桩的形式作为基坑支护结构进行研究,根据支撑情况可分为悬臂式支护结构、锚拉式支护结构、内撑式支护结构和内撑-锚拉混合式支护结构。
而地下连续墙作为支护形式,虽然造价较高,但适用于深基坑和软土地区,应用广泛[8-12]。一般沿着深开挖工程的周边轴线,在泥浆护壁条件下,开挖出一条狭长的深槽,清槽后,在槽内吊放钢筋笼,用导管法灌注水下混凝土注成一个单元槽段,逐段进行,形成一道连续的钢筋混凝土墙壁,作为截水、防渗、承重结构。地下连续墙的强度、变形、裂缝满足综合管廊外墙要求时,可和综合管廊外墙合二为一,从而减少工程总投资。
(1)方案设计
基坑围护结构采用Φ1000mm钻孔灌注桩,中心间距1400mm,桩与结构墙间预留100mm的钢筋网喷射混凝土作为防水层和保护层。竖向共设四道钢筋混凝土内支撑。第一道设在桩顶冠梁处,截面尺寸800mm×800mm,水平间距8m;二至四道内支撑为钢支撑,截面为Φ609×16,水平间距4m,分别设在综合管廊三层板顶、二层板顶和底板顶上方2m处,钢结构内支撑安装到位后,逐级施加轴向力。
钻孔灌注桩外侧设置一道高压旋喷桩止水帷幕,桩径Φ1000mm,间距750mm,咬合250mm,桩顶标高为地面标高,桩长11m,穿过粗砂层的深度不小于2m。高压旋喷桩采用三重管的施工工艺,喷射注浆采用隔孔分序方式,相邻孔喷射注浆的间隔时间不宜小于24h,具体情况如图2和图3所示。
图2 排桩方案平面图
图3 排桩方案立面图
(2)结构计算
①弹性法
采用弹性法将基坑内被动土压力看成土弹簧,用水平抗力系数的比例系数m反映强度,表达式[19]如(1)所示:
式中:
m-土的水平反力系数的比例系数(KN/m2)
c、φ-分别为土的粘聚力(KPa)、内摩擦角(°);
υb-挡土构件在坑底处的水平位移量(mm),当此处的水平位移不大于10mm时,可取υb=10mm。
整体抗滑稳定性分析采用圆弧条分法进行验算,要符合公式(2)和公式(3):
式中:
KS-圆弧滑动稳定安全系数;安全等级为一级、二级、三级的支挡式结构,KS分别不应小于1.35、1.3、1.25;
K s,i-第i个圆弧滑动体的抗滑力矩与滑动力矩的比值;
c j、φj-土条粘聚力(KPa)、内摩擦角(°);
采用弹性法对基坑进行单元计算[13-14],整体稳定性及内里计算结果如图4所示。
图4 内力位移包络图
由于安全系数Ks=2.857>1.35,满足规范要求[15-16]。
②有限元法
采用有限元法对基坑进行位移及内力计算[17-18],各工况位移及内力云图如图5-图8所示。
图5 开挖至-5.3m工况位移
图8 控制工况剪力
图6 开挖至-15.15m(坑底)工况位移
图7 控制工况弯矩
(1)方案设计
基坑围护结构采用地下连续墙[19],如图9、图10所示。墙厚500mm。竖向共设四道内支撑,每道内支撑应在开挖基坑至支撑下500mm时进行施工。第一道内支撑位于桩顶冠梁处,为混凝土结构,截面800mm×800mm,水平间距8m;第二至四道内支撑,分别设置在综合管廊二层板顶、三层板顶、底板顶上方2m处,为钢结构,截面为φ609×16,水平间距4m。钢结构内支撑安装到位后,应立即逐级施加预加轴力。
图9 地下连续墙方案平面图
图10 地下连续墙方案剖面图
(2)支护结构计算
①弹性法
采用弹性法对基坑进行单元计算[13-14],整体稳定安全系数Ks=3.771>1.35,满足规范要求[20],内力及位移包络图如图11所示。
图11 内力位移包络图
②有限元法
采用有限元法对基坑进行位移及内力计算[17-18],各工况位移及内力云图如图12-图15所示。
图12 开挖至-5.3m工况位移
图13 开挖至-15.15m工况位移
图14 控制工况下竖向弯矩
图15 控制工况下水平向弯矩
深基坑支护方案要从安全支护、施工技术、经济环保三方面进行综合对比,选择最优方案。
在地下水丰富的地区,排桩加旋喷止水桩的支护方式与地下连续墙相比,施工风险更大[21-22],如表3所示。
表3 风险影响因素及定性分析
从场地条件、施工机械、工序作业和工期四方面进行分析,对比结果为:(1)排桩法施工作业面布置灵活,场地适应性好;而地连墙布置受周边限制。(2)排桩法施工机械主要使用钻机(冲孔钻机、旋挖钻机等)、小型起重机、钢筋笼制作设备、水下砼导管及其他辅助设施、高压泵、喷射管;而地连墙施工主要使用抓斗挖槽机、冲击钻机、大型履带起重机、钢筋笼制作设备、水下砼导管及其他辅助设施。(3)施工工序:排桩法采用桩位测放-桩位对中-机械成孔-沉渣测定及清孔-钢筋笼制作及吊装-水下混凝土浇筑;地连墙施工工序为测量放线-导墙制作-槽段划分-泥浆制作-开挖成槽-清槽-吊放接头管-钢筋网制作及吊装-水下混凝土浇筑-接拔接头管。(4)每延米工期:综合考虑土层等因素,旋喷桩+支护桩为2.2天;地连墙施工为2.5天。
在拦挡淤泥和止水方面,排桩方案需设置一道止水帷幕,而钻孔压密注浆法不易保证止水,相对风险大,对周边环境影响风险大(周围建筑物和地面产生不均匀沉降等)[23]。
地下连续墙具有机械化程度高、整体性好、质量易于控制、兼做止水防渗结构等。因此,在地下水位较高的软土和砂土等多种地层条件、复杂环境下,地下连续墙方案对周围环境影响更小。
单位体积排桩的直接工程费比地下连续墙更经济,但排桩方案结合旋喷止水措施后,两者造价基本接近。随着施工装备技术的快速发展,机械成本降低,同时人工成本大幅攀升,地下连续墙因施工机械化程度较高,且地下连续墙可作为综合管廊的外墙,大大节约直接工程费,因此得到广泛应用。
通过对排桩和地下连续墙两个方案进行对比分析,结论如下。
(1)地下连续墙具有刚度大,可承重、挡土、截水、抗渗好、可同时与拟建综合管廊外墙合二为一等优点;对周围建筑物、地下设施影响小,可用于复杂的地质条件。缺点是对施工设备和人员要求高,废泥浆处理量大。
(2)排桩支护施工较易,造价较低,适用于土质较好的地区,对于软土和地下水量大地区,排桩需要与止水帷幕结合施作,需要充分考虑止水效果及失效后的风险,同时价格优势不明显。
(3)随着经济的发展,人民生活水平不断提高,对公共安全的关注度也越来越高,科技进步促使大型机械设备的成本逐步下降,因此,地下连续墙在工程建设过程中的优势逐渐凸显。