地鐵上蓋基坑圍護設計及局部調整的經濟性分析

胡 琦 何品品 方華建 鄧以亮 朱海娣 冉 龍

1.浙江工業大學 浙江 杭州 310014；2.東通巖土科技股份有限公司 浙江 杭州 310019；3.杭州市地鐵集團有限責任公司 浙江 杭州 310006

在土地資源日益緊缺的形勢下，地鐵車輛段上蓋開發利用已成為一種趨勢。在此類型建筑基坑工程中，要選用合理的圍護結構，在達到支護效果的同時提高施工效率，并防止對下方地鐵軌道造成影響。自21世紀來，拉森鋼板樁在我國開始興起并在工程建設領域發揮重要作用[1]。在周邊環境保護要求較高的基坑工程中，灌注排樁、地下連續墻等傳統基坑支護施工工藝因為工藝繁瑣、工期較長、成本高、污染嚴重且更容易受地質條件制約等缺陷，已經很難滿足目前的建筑項目工程需求[2]。拉森鋼板樁結合H型鋼兼作支護樁及止水帷幕，施工效率高，綠色環保，經濟性好。同時采用預應力型鋼組合支撐作為基坑水平內支撐來代替傳統鋼筋混凝土支撐的方法具有工期短、造價低等優點，而且材料可重復利用、對環境殘留小[3]。

1 工程概況

1.1 工程簡介

本工程項目建設用地面積為13 359 m2，總建筑面積為35 046.2 m2。工程由地面以上4幢5層辦公樓、1幢6層辦公樓和地面以下1層整體地下車庫組成。結構均采用框架結構，樓屋面采用鋼筋混凝土梁板體系。工程樁采用預制管樁，該工程±0 m＝5.10 m（黃海高程），自然地坪取4.30 m（即－0.80 m）。地下室底板結構標高－5.10 m（相對標高），設計坑底－5.50 m，即開挖深度4.70 m。項目基坑下方自西北方至東南方向有一條地鐵線斜穿而過，場地東側為項目空地及公園，南側靠近街道，西側、北側均鄰河。該基坑開挖深度小于5 m。依據浙江省地方標準DB33/T 1096—2014《建筑基坑工程技術規程》，定義基坑安全等級為三級，側壁重要性系數γ0＝0.90。同時該段地鐵規劃埋深10 m左右，為避免基坑圍護及工程樁對地鐵隧道后期施工的影響，適宜采用HU復合型鋼板樁及H型鋼立柱等可拔除回收利用的材料。

1.2 工程水文地質條件

根據工程所在地的地質資料，結合外業勘探、室內土工試驗以及地基土成因，項目涉及土層可分為①1雜填土、②粉質黏土、③淤泥質粉質黏土、④2粉質黏土與黏質粉土互層等地質層，部分土層缺失。

擬建工程場地內無地表水發育，接受大氣降水補給，并以蒸發和向周邊外側河道徑流的方式排泄。地表水對工程影響較小。擬建工程場地勘探深度內地下水按埋藏和賦存條件可分為第四系松散巖類孔隙潛水、第四系松散巖類孔隙承壓水、基巖裂隙水三大類。

擬建場地地形較平坦，地勢開闊，不良地質作用不發育，場地適宜本工程建設。

2 工藝介紹

2.1 工藝原理

拉森鋼板樁是一種新型整體性和防水性能優異的鋼板樁支護結構形式，適用于黏性土、粉土等基坑圍護工程中。它利用打樁機及振動錘將鋼板樁壓入地下構成1道連續的板墻，作為深基坑開挖的臨時擋土、擋水圍護結構[4-5]。拉森鋼板樁墻具有較好的隔水效果，但抗彎能力較弱，H型鋼強度高卻難以形成防水的連續墻，U型拉森鋼板樁結合H型鋼形成的HU復合型鋼板樁綜合了兩者優點，具有較好的支護止水效果（圖1）。預應力型鋼組合支撐是利用高強螺栓將多根型鋼組合成1榀支撐并施加預應力來達到支護效果的一種支撐形式。

圖1 HU復合型鋼板樁示意

2.2 施工質量控制

2.2.1 HU復合型鋼板樁

1）施工前應進行試樁，H500型鋼樁尺寸為500 mm×300 mm×11 mm×18 mm，鋼材為Q235。

2）孔位放樣誤差小于2 cm，樁身垂直度要求不大于1/200。

3）H500型鋼樁必須控制好下沉速度，下沉速度一般為1 m/min。

4）施工流程：場地平整→測量放線→開挖溝槽→安裝定位型鋼→H500型鋼樁施工。

5）H500型鋼宜采用坡口焊接，質量要求不低于二級。另外，單根焊接接頭不宜超過2個，焊接位置應避開彎矩最大處。

6）H型鋼在地下結構完成后予以回收，故在成樁及澆筑壓頂梁混凝土時施工單位應考慮相應的回收措施，如施工前在型鋼表面涂抹型鋼起拔減摩劑。拔除時建議采用跳拔的方式，在拔出H型鋼的同時及時對H型鋼留下的縫隙填灌黃砂或注漿。

7）型鋼樁的回收方法：采用振動錘拔樁，先利用振動錘產生的強迫振動，擾動土質，破壞型鋼樁周圍土的黏聚力以克服拔樁阻力，再依靠附加起吊力的作用將樁拔除。

8）U型拉森鋼板樁應采用專業機械打設，控制U型拉森鋼板樁的平直度，并采用屏風式打入法。

9）打樁前，對U型拉森鋼板樁進行逐根檢查，剔除銹蝕、變形嚴重的U型拉森鋼板樁，不合格者待修整后才可使用。打樁前，在U型拉森鋼板樁的迎土面涂油脂，以方便打入、拔出。在插打的過程中隨時測量監控每根樁的斜度不超過2%，當偏斜過大不能用拉齊方法調整時，應該拔起重打。

10）遇打樁阻力較大、不易貫入時，應及時分析原因，調整打樁工藝或機械，不得強行打入。

11）基坑施工結束且土方回填后，拔出并回收U型拉森鋼板樁，同時對拔出后的孔洞采用灌砂回填。

2.2.2 預應力型鋼組合支撐

1）預應力型鋼組合支撐須由專業施工單位施工。除注明外，鋼材均采用Q345b，焊條采用E43型；鋼支撐采用H350 mm×350 mm×12 mm×19 mm型鋼；立柱采用H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼；橫梁采用H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型鋼；材料采用無變形、無裂紋的結構專用材料；型鋼支撐構件應提供產品合格證明及加工制作圖，施工前應現場檢驗幾何尺寸和外觀，經監理單位驗收合格后，方可使用；支撐橫梁在相鄰2根立柱之間不得有焊縫，橫梁兼作支撐間拉梁時接頭處應加強。

2）型鋼支撐的安裝應該遵循先主要構件、后次要構件的原則，宜按圍檁、立柱、支撐牛腿、托梁、三角傳力件和型鋼支撐的順序進行，盡快形成封閉受力體系并施加預應力。

3）支撐構件上嚴禁堆載。

4）支撐的預應力施加應按照設計要求分級進行。施加預應力前，應對油壓千斤頂、油表等設備進行標定，施加預應力時應檢查每個節點的連接情況，并做好施加預應力的記錄。

5）構件間采用10.9級M24高強螺栓連接，螺栓材料為20MnTiB，施加預拉力為250 kN。高強螺栓使用前應全數目測檢查，并組成連接副。高強螺栓緊固宜分2次進行，初擰扭矩值為終擰的50%～70%。鋼支撐預應力施加完畢后，擰緊松弛的螺栓。

6）在圍檁安裝后要對型鋼組合式內支撐進行變形量監測，施加預應力之前、之后都應該進行監測，且保持每周至少一次的監測頻率。

7）支撐安裝允許偏差：兩端中心線的偏心誤差控制在20 mm以內，兩端安裝就位后的標高差取20 mm和整道支撐長度6%中的較小值，整體撓曲度小于0.1%跨度，軸線偏差控制在30 mm以內。三角傳力件安裝允許偏差：軸線偏差為－10～10 mm，頂面標高偏差為－5～5 mm。

8）基坑施工過程中應加強對支撐系統的巡查，對巡查發現的問題要及時整改。

3 基坑支護方案

3.1 基坑具體支護方案設計

項目1層地下室基坑開挖深度4.4～4.9 m，地下室邊線到用地紅線除了東邊均小于4 m，北面最小距離1.14 m，西邊最小距離1.27 m。樁錨、大放坡、復合土釘墻等支護方式均存在超越用地紅線的問題，結合安全性、經濟性、施工速度及場地條件等多方面因素，適宜采用樁墻＋1道水平內支撐的支護方式。

該項目為1層地下室，預計施工工期不超過6個月。經測算，采用HU復合型鋼板樁（H500型鋼結合拉森鋼板樁）兼作支護樁及止水帷幕的工程造價低于采用SMW工法樁，且施工速度更快，因此本項目適宜采用HU復合型鋼板樁（H500型鋼結合拉森鋼板樁）兼作支護樁及止水帷幕。工程基坑形狀較為規則，在保證基坑安全的前提下，應盡量縮短施工工期，減小基坑開挖對周邊環境的影響，水平內支撐適宜采用預應力組合型鋼支撐。

基坑最終支護方案：HU復合型鋼板樁（H500型鋼結合拉森鋼板樁）兼作支護樁及止水帷幕結合1道預應力型鋼組合水平內支撐（圖2、圖3）。

圖2 圍護平面布置

3.2 施工流程

圖3 基坑典型剖面

本工程支護方案施工流程：施工工程樁、立柱→施工HU復合型鋼板樁→分塊開挖土體至壓頂梁底標高→設樁頂坡面及地表混凝土面層，并設好地表排水明溝及集水井→施工壓頂梁和預應力型鋼組合支撐→待壓頂梁強度達到設計強度，預應力型鋼組合支撐施加預應力后，分層分塊挖土至地下室底板底標高→人工邊修土邊設底板墊層，并設好坑底集水井→挖地槽至承臺及地梁底標高，并立即設好墊層及磚胎?！O好二次圍護措施，挖坑中坑土體至設計標高，并立即設好墊層→地下室基礎、底板傳力帶施工→待底板、底板傳力帶強度達到設計強度后，拆除預應力型鋼組合支撐→回填土方至設計標高→回收HU復合型鋼板樁并注漿→向上作業。

4 圍護工程局部調整及經濟性分析

在現有圍護設計方案的基礎上，需要考慮：場地內所有型鋼立柱做拔除處理，并提供地下室底板處理節點做法；地下室北面中間段凹口處圍護做拉直處理，并進行經濟性分析。

4.1 型鋼立柱拔除

原設計方案中的型鋼立柱，除地鐵范圍內以外均按不可回收進行報價（共79 t）。由于本項目為1層地下室、型鋼立柱不可回收部分占比較大，如能拔除，應具有較好的經濟性。為便于底板以下型鋼立柱的拔除回收，型鋼立柱與地下室底板的節點，需按圖4進行處理（且底板洞口需按結構設計進行處理）。

圖4 型鋼立柱穿底板示意

另外，我們對底板以下型鋼立柱不可回收與可回收這2個方案進行了經濟性對比（對比過程略）。從方案對比結果可知，型鋼立柱全部回收在經濟上是可行的，能節約18萬元左右的造價。

4.2 地下室北面中間段凹口處圍護拉直處理

原地下室邊線在北面存在2個凹口，其他部位緊貼基坑邊線，具體見圖2。該部位圍護拉直將導致HU工法樁和壓頂梁的數量減少、支撐梁（板）取消，但也會導致土方開挖量和底板素混凝土傳力帶數量的增加。另外，因底板傳力的要求，該部分土方留置的可能性很小，由此將造成費用的增加。經計算，北側圍護邊線拉直將增加約2.6萬元費用，但拉森鋼板樁及型鋼的使用期為4個月，如超期使用一個月的話，拉直的處理是合適的，畢竟縮短了圍護工程施工周期，減少了打拔及破混凝土工程量。

5 結語

HU復合型鋼板樁結合預應力型鋼組合支撐作為基坑的圍護體系，能很好地控制基坑土體及圍護結構位移，止水性能好，保證干施工作業環境。相比較SMW工法樁與鋼筋混凝土支撐，該圍護體系具有綠色環保、節約成本、施工快捷、周期短的特點。本文通過工程實例，介紹了HU復合型鋼板樁結合預應力型鋼組合支撐的支護形式在地鐵上蓋建筑基坑中的應用，結合實際情況對圍護工程做了局部調整并分析其經濟性，為類似鄰地鐵保護區域的基坑工程圍護設計提供了參考。