等厚水泥土钢墙与地墙工艺及效益对比

郭宏斌

(上海市基础工程集团有限公司,上海 200002)

随着我国城市化进程的不断加快,地下空间的开发利用越来越受到人们的重视。在地下工程建设领域,基坑开挖面积越来越大,开挖深度越来越深,施工区域周边环境越来越复杂,尤其是市中心位置,施工场地条件往往空间受限。其次,近年来政府部门对环境保护的监管力度日益加强,传统的混凝土所需的砂、石料日益匮乏。

等厚地下水泥土连续钢墙一种新型深基坑支护及止水工艺应运而生,该工艺施工所用原材料仅需投入水泥及钢材,不受砂石料影响,施工进度可控,且场地占用面积少,可在部分场地受限或原材受限区域代替目前地下连续墙作为基坑围护[1]。本文通过分析对比等厚地下水泥土连续钢墙工艺及地下连续墙工艺,对该两种工艺各自优缺点及经济效益进行探讨[2]。

1 施工工艺介绍

1.1 地下连续墙工法

1.1.1 发展历程

地下连续墙工法20世纪50年代发源于欧洲,于20世纪50年代末期引入国内。该工艺经过近70年的不断发展,现已形成一套成熟完善的工法体系。

1.1.2 施工总体流程

该工法通过成槽机械(成槽机或铣槽机)在地面沿着基坑轮廓,在泥浆护壁作用下形成一条狭长的深槽,槽段施工完成后进行清基换浆,然后下放钢筋笼、导管,最后浇筑混凝土,形成一个单元槽段。依次重复上述流程,单个单元槽段连接成一个整体,在地下筑成集基坑支护、止水、承重于一体的连续钢筋混凝土墙[3]。

1.1.3 主要资源投入情况分析

为实现上述目标,施工过程中需投入较大的人力、物力进行配合。首先,为保证软土地区槽壁的稳定性,避免在成槽过程中槽壁坍塌[4]。槽段施工前,需要对整个槽壁采取相应的加固措施,常规工艺采用水泥土搅拌桩进行加固的居多(见图1)。待槽壁加固水泥土搅拌桩水泥龄期达到设计要求后,进行槽段内导向墙的施作(见图2)。

其次,泥浆加工及处理的后台布置区,往往场地占用面积较大,例如本案例上海市域机场联络线浦东机场站泥浆后台占地面积约1 200 m2。泥浆是成槽过程中最为关键的因素之一,施工前需要在施工现场搭设相应的泥浆工厂,主要是解决新拌泥浆、循环浆、废浆的存储及土方的临时周转场地(见图3)。

最后,钢筋笼加工区(如图4所示)及原材料堆场布置。目前地下连续墙所用的钢筋笼基本采用现场加工,虽然钢筋笼部分工序亦可采用自动化加工,但大尺寸、长距离运输问题始终不能有效解决,如若分节太多,则又会大大影响施工效率及施工质量。为此,每台成槽设备至少配备1套钢筋笼加工区及2台履带式起重机,每套钢笼加工区需要至少配备25名电焊工进行钢筋笼焊接作业。

综上,地下连续墙主要资源投入情况如表1所示。

表1 地下连续墙主要资源投入表

1.2 等厚度地下水泥土连续钢墙

1.2.1 发展历程

NS-BOX工法20世纪90年代起源于日本[5],目前尚未在国内运用的先例。通过在上海市域联络线浦东机场站在NS-BOX基础上进一步改良探索,对不同深度槽段进行多次试验,形成了一套全新的等厚度地下水泥土连续钢墙工法,目前已经取得了一定的研究成果、积累。

1.2.2 施工总体流程

该工法是通过锯链式(TRD)设备和铣削式(CSM)设备在地面沿着基坑轮廓,在泥浆护壁作用下形成一条狭长的等厚深槽[6](见图5)。在设备提升过程中注入按照既定掺量及水灰比的水泥浆液,在单元槽段内形成水泥浆液+泥浆混合浆液。然后,移除成槽设备,安装下放型钢调直所用的定位导向装置(见图6)。在水泥初凝之前,利用吊机沿着导向装置下一期放预制锁扣型接头型钢,上下节型钢之间通过高强螺栓进行对接[7]。待一期型钢放置完成后,重复之前步骤下放二期型钢,直至单元槽段型钢全部下放完成,型钢与型钢之间通过锁扣相互咬合(见图7)。

依次重复上述流程,单个单元槽段连接成一个整体,在地下筑成集基坑支护、止水、承重于一体的水泥土连续钢墙。

1.2.3 主要资源投入情况分析

为实现上述目标,施工现场仅需投入少量劳动力、预制型钢堆场及水泥拌浆后台等。

首先,水泥拌浆后台布置。该后台主要用于水泥存储及水泥浆液拌制,且单个后台可供多台设备同时使用,占地面积约200 m2,常规配备3人进行拌浆及送浆工作(见图8)。

其次,型钢原材料布置区域。型钢全部采用工程预制,一般根据施工设计需求可定尺加工成3 m,6 m,9 m,12 m等不同规格。常规来说,型钢布置场地占用面积100 m2左右即可满足现场施工要求。为辅助型钢下放工作,施工现场可根据场地实际情况配备1台～2台轮胎式起重机或履带式起重机。

至此,地下水泥土连续钢墙场地布置已基本完成。成槽过程中产生的置换浆液处理可根据实际施工场地情况直接进行外运或现场固化等不同处理方式。

综上,地下水泥土连续钢墙主要资源投入情况如表2所示。

表2 地下连续钢墙主要资源投入表

2 工艺对比分析

2.1 适用条件

地下连续墙是目前软土地区常规的深基坑支护形式,广泛适用施工场地面积及净空高度不受限制的施工区域。

等厚地下水泥土连续钢墙是一种新型的基坑支护工艺。与常规地下连续墙工艺相比,其主要运用场景的最大不同点是其能够在施工场地空间及高度限制情况下实施。

2.2 施工工效

通过前文的介绍可知,地下连续墙施工工艺与等厚地下水泥土连续钢墙施工工艺两者有诸多相似之处。例如,均需要投入成槽设备及大型起重吊装设备,成槽过程中均需要产生置换泥浆等。但地下连续钢墙施工工序较地下连续墙省去了钢笼现场制作、清基换浆、混凝土浇筑等工序。作为业内人士均知,这些工序占据了地下连续墙单幅槽段一半以上的施工时间。而等厚地下连续钢墙,成槽后直接进行型钢下放,而型钢采用工厂预制,完全不受加工时间制约。通过比较浦东机场站施工的75 m深地下连续墙及75 m深的等厚地下水泥土连续钢墙,等厚地下水泥土连续钢墙施工用时仅占地下连续墙施工用时的一半[8]。

因此,通过对比上述两者施工工效,等厚地下水泥土连续钢墙具有绝对优势。

2.3 资源投入

2.3.1 原材料

地下连续墙及等厚地下水泥土连续钢墙主要原材料投入情况详见表3。

表3 原材料投入计划表

通过表3可知,地下连续墙施工所用原材料为钢筋及混凝土,等厚地下水泥土连续钢墙施工所用原材料为水泥基型钢。

近年来随着政府部门对环保日益重视,混凝土原材料受砂石料影响日渐增大。反之,水泥原材料较混凝土而言则不受砂石料影响。

此外,钢筋笼采用现场加工,钢筋笼的加工质量与现场加工人员的水平相关。但往往施工现场加工人员水平良莠不齐,造成钢筋笼成品质量不可控。然而,等厚地下水泥土连续钢墙所用型钢在工厂预制,加工精度可控。

通过两者施工所用原材料进行对比分析,地下连续墙受外界影响比较大,尤其是现场制作的钢筋笼加工质量较等厚地下连续钢墙型钢工厂预制在加工精度方面存在一定差距。

2.3.2 劳动力投入

通过前文对两种不同施工工艺的简介可知,成套地下连续墙工艺需投入泥浆后台处理人员、钢筋笼制作人员、混凝土浇筑人员及配套的起重机械及成槽机械驾驶人员等,为保证该工艺能够顺利实施,施工现场至少需要投入50人。反观等厚地下水泥土连续钢筋,由于涉及的施工工序较少,仅需投入后台拌浆人员、起重机械及成槽机械驾驶人员及型钢对接人员,成套工序施工人员投入约10人。

从劳动力人数投入角度来看,地下连续墙工艺所需人数远远大于等厚度水泥土连续钢墙。随着近年来国家青壮年适龄劳动力逐年下降,用工成本日益增加,等厚地下水泥土连续钢墙工艺用工优势势必更加明显。

2.4 施工场地占用情况

地下连续墙施工场地主要布置内容为:钢筋笼加工区及钢筋原材料堆放区、泥浆处理后台,成套工艺占用场地面积约3 000 m2。

等厚地下水泥土连续钢墙施工场地主要布置内容为:水泥浆液存储及拌制后台、型钢堆放区域,成套工艺占用场地面积约300 m2。

从场地占用情况来看,地下连续墙场地占用面积约为等厚地下水泥土连续墙的10倍,对施工场地面积要求远远大于后者。

3 经济效益对比分析

从前文两项施工工艺的对比分析结果来看,地下连续墙从施工工效、各项资源投入数量均远高于等厚地下水泥土连续钢墙。因而,地下连续墙所需的各项人力、物力成本更高。

反观等厚地下水泥土连续钢墙工艺,工艺相对较少,施工流程较地下连续墙更为便捷,施工效率更高,各项资源投入数量较前者而言具有明显优势。

按照目前常规地下连续墙设计每立方米含钢量约180 kg,每立方米地墙原材料费用组成:混凝土500元/m3+钢筋0.18 t×4 000元/t=1 220元。

由于等厚地下水泥土连续钢墙目前尚未大面积推广应用,按照之前试验参数,对每立方米施工材料费进行价格估算。每立方米加固土体水泥掺量按10%计,每立方米等厚地下水泥土连续钢墙原材料费用组成:水泥1.8 t/m3×10%×435元/t+型钢6 000元/t×0.55 t=3 378.3元。

从两种不同工艺施工所用的原材料费用对比来看,目前等厚地下水泥土连续钢墙材料费用要略高于地下连续墙。但随着等厚地下水泥土连续钢墙工艺的进一步完善,型钢可以进一步做到回收重复利用。

如此,从长远角度来看,等厚地下水泥土连续钢墙施工工艺更加绿色、经济。

4 结语

通过对地下连续墙及等厚地下水泥土连续钢墙两种相似又相近的工艺进行工艺及经济效益对比分析,长远来看等厚地下水泥土连续钢墙更适用特定环境下的深基坑工程。

虽然在软土地墙深基坑支护地下连续墙工艺运用的更加广泛。然而,等厚水泥土连续钢墙已在50深槽段内插48 m长锁扣型钢多次试验成功,并且形成了一套完整的施工工法。目前,后续拟进行锁扣型钢插拔试验,旨在基坑施工完成后将锁扣型钢进行回收利用,如此将极大地提高该工法的经济效益。

因此,随着行业的不断发展,施工技术不断更新迭代,等厚水泥土连续钢墙在软土地区深基坑支护领域必将有一席之地。