井筒式地下車庫自下沉沉井建造技術

康增柱， 羅曉青， 張雷剛， ， 程 允， ， 劉光磊

(1. 北京中巖大地科技股份有限公司， 北京 100041； 2. 北京中巖智泊科技有限公司， 北京 100041)

0 引言

隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，現有停車設施的建設已經無法匹配汽車保有量的爆發式增長，由此導致的“停車難、亂停車”等現象也嚴重影響著人們的正常生活和出行[1-2]。根據國家發改委已發布的數據顯示，我國大城市車輛與停車位的比例約為1∶0.8，中小城市約為1∶0.5，與發達國家的1∶1.3相比，我國停車位比例仍然偏低，停車設施建設有待完善。而當前土地資源越來越緊張，地上空間出現了供不應求、價格居高不下的局面，某些地區已經無地可用[3-5]。這種矛盾在老舊小區、胡同片區、核心商業區等停車資源缺乏的地區尤為突出。為解決城市核心地區的停車問題，通常采用的方法是在地面上建造機械式立體車庫[6]，將平面停車立體化，提高單位面積的停車數量。但城市核心區通常建筑密集、空間匱乏，受采光、通風、景觀、消防等限制，幾乎很難有條件增設地上車位。

在土地緊張、場地受限的區域，修建井筒式地下智能車庫是解決停車難問題的一個較好辦法。在狹小區域開發地下井筒式空間，常采用沉井方式，但傳統沉井工藝存在依靠自重下沉所需井壁厚度大、遇特殊地層下沉困難、下沉垂直度控制難度大，偏差難于調整等問題[7-10]。

為了解決傳統工藝存在的問題，本文提出井筒式地下車庫自下沉沉井建造技術，該技術能夠充分挖潛利用地下空間資源建設地下立體停車庫，為解決停車難題開辟了新的途徑。井筒式地下車庫自下沉沉井建造技術采用“裝配式+自下沉沉井”技術施工，將裝配式建筑的特點和自下沉沉井工藝相結合，采用工廠標準化生產預制片，質量可靠； 現場拼裝，能減少混凝土澆筑施工量，有效節約工期[11-12]。整個沉井施工過程無放坡、占地小、無需大型設備、施工速度快、安全性高、噪音小，對周邊建筑和管線的影響降到最小。該技術借鑒生物界蠕蟲理論，將蠕動前進的運動形式應用到沉井結構施工中。即將傳統沉井井壁結構整體下沉的方式改進為單環或多環井壁結構分段跟進下沉，已經下沉的井壁結構能夠為后續跟進下沉的井壁結構提供反力，達到自下沉的效果；井壁結構分段進行下沉，更易于實時調整姿態。

本文介紹井筒式地下車庫自下沉沉井建造技術的設計要點及施工流程，并介紹該技術在北京市朝陽區某地下立體車庫建設中的應用。該建造技術場地適應性強，可充分利用老舊小區、胡同片區、商業區、公園綠地周邊的邊角地塊； 建設模式的復制性強，總工期包含土建施工和設備安裝、設備調試等階段，可批量建造，施工速度快。

1 結構組成

1.1 結構整體組成

沉井結構由井壁結構及底板結構組成，井壁結構由多段環形結構豎向拼接組成，每段環形結構由多個預制井片結構首尾相連封閉組成。預制井片結構為平面或弧面結構，由鋼筋混凝土結構、鋼-混凝土組合結構或鋼結構預制而成，同一段環形結構內的相鄰預制井片結構之間可設置角撐，增強井壁結構的完整性。

預制井片結構內部設置有橫向預留孔道及縱向預留孔道，橫向預留孔道內能夠容納橫向連接構件，橫向連接構件能夠將單獨的一段環形結構內的多個預制井片結構拉緊并鎖定。縱向預留孔道內能夠容納縱向連接構件，縱向連接構件能夠將縱向分布的多段環形結構拉緊并鎖定。橫向連接構件采用預應力鋼絞線或高強度螺栓，縱向連接構件采用預應力鋼絞線(鋼絞線可采用15-7φ5、12-7φ5等規格，高強螺栓可采用M30、M36等型號)。相鄰預制井片結構通過橫向連接構件及縱向連接構件的連接，形成完整牢固的井壁結構。

1.2 結構細部組成

1)預制井片結構上端面間隔設置有導向島，下端面與導向島對應位置處設置有導向槽，相鄰上下段的預制井片結構通過導向島與導向槽的配合，提高拼裝效率。

2)預制井片結構周邊設置有止水膠條，借鑒地鐵盾構施工防水技術，通過外力的擠壓作用，使得相鄰預制井片之間止水膠條彈性變形，進而密閉縫隙，達到止水效果[13-14]。

3)沉井結構分段設置，每段由多個環形結構組成，每一段內的環型結構通過橫向連接構件及縱向連接構件相互連接固定。相鄰段環型結構之間設置承臺結構，承臺結構上下對稱； 在承臺結構之間放置千斤頂，千斤頂在施工時起到向下頂推預制井片結構的作用。在承臺結構所在的預制井片結構外側設置有擋土水的鋼環，防止施工過程中泥、水的進入。根據后期井壁結構內的凈空要求，可對承臺結構進行拆除[15]。

4)沉井結構下沉到設計位置后，將橫向預留孔道及縱向預留孔道注漿封閉，使得橫向連接構件及縱向連接構件與空氣隔絕，以達到防腐耐久的設計要求。

5)底板為現澆鋼筋混凝土結構，當井壁結構下沉到設計深度后進行底板結構澆筑，形成封閉的沉井結構。

6)沉井結構整體由預制的井壁結構及現澆的底板結構組成，通過防腐、防水等施工工藝，使用年限能夠達到50年。

沉井結構具體形式如圖1—7所示。

1—井壁結構； 2—底板結構； 3—環形結構； 4—預制井片結構； 7—橫向連接構件； 8—縱向連接構件； 10—千斤頂； 14—穿心千斤頂。下同。

13—角撐； 16—注漿孔道。下同。

5—橫向預留孔道； 6—縱向預留孔道； 11—導向島； 18—止水膠條。下同。

圖4 井壁結構俯視圖

12—導向槽。

9—承臺結構； 15—鋼環。

17—刃腳結構。

2 施工步驟

自下沉沉井建造技術較常規沉井施工有較大不同，將傳統沉井井壁結構整體下沉的方式改進為單環或多環井壁結構的分段跟進下沉。施工過程中，預應力鋼絞線沿著井壁結構通長設置，預應力鋼絞線下端與最底部預制井片結構下端面相連，上端與穿心千斤頂相連。穿心千斤頂與承臺結構間的千斤頂通過交錯的整體頂進，進行井壁結構的分段下沉。當發生不均勻沉降時，穿心千斤頂與承臺結構間的千斤頂通過不均勻頂進，調整沉井結構姿態，糾正沉井結構下沉過程中的傾斜。

自下沉沉井建造技術具體包含以下步驟。

1)根據沉井結構深度，計算組成沉井結構井壁的環形結構所需段數。

2)工廠加工預制井片結構。

3)在沉井結構位置預挖300 mm深的基坑，基坑平面尺寸較井壁范圍外擴100 mm，將坑底整平。

4)將預制井片結構運至現場，并在坑底拼裝刃腳結構和首段環形結構的預制井片結構，鋼刃腳頂面與坑底平齊，焊接成整體；預制井片結構之間首尾相連并用橫向連接構件拉緊及鎖定。

5)進行預制井片結構所圍空間下部的土方開挖，使首段預制井片結構沉入地下。

6)拼裝接高下一段環形結構，上下段環形結構的預制井片結構通過縱向連接構件連接。

7)預制井片結構所圍空間下部的土方繼續開挖，使加高的第2段預制井片結構沉入地下。

8)重復步驟7)，直至所有井壁結構沉入至指定深度。

9)當沉井結構的深度較大或下沉困難時，通過承臺結構之間的千斤頂與鋼絞線上端位置的穿心千斤頂相互配合完成預制井片結構的下沉。具體步驟如下：

①位于同一截面的多個承臺結構之間的千斤頂同步工作，利用該截面千斤頂上部的所有環形結構所提供的反力，推動該截面千斤頂下部所有的環形結構下沉；

②承臺結構之間的千斤頂解除工作；

③位于鋼絞線上端位置的穿心千斤頂作用在最上部的環形結構的上端面，鋼絞線下端與最底部預制井片結構下端面相連或與刃腳結構相連，穿心千斤頂工作，將鋼絞線拉緊，進而將所有的井壁結構在縱向方向上拉緊；

④穿心千斤頂解除工作；

⑤重復步驟①—④，當所有井壁結構沉入至設計深度時，將鋼絞線與最上部的環形結構進行鎖定。

10)澆筑底板結構。底板結構為現澆鋼筋混凝土結構，與首段環形結構下端面固定連接，形成封閉的沉井結構。

3 案例工程

3.1 工程概況

3.1.1 項目特點及方案比選

本項目位于北京市朝陽區某平面停車場內，為一新建地下智能停車庫項目，由于施工場地小(僅約200 m2)、現場無材料加工場地、大型設備施工困難以及施工工期緊張等，現有的施工技術(包括基坑支護+順做結構、普通沉井等)均不能滿足施工要求，故采用 “裝配式+自下沉沉井”技術施工。

3.1.2 周邊環境條件

該項目建設場地地形基本平坦，四周除南側有緊鄰圍墻外，其余三面較為開闊，距離建筑物較遠。南側圍墻距基坑邊線距離為0.5 m左右； 圍墻外側地面下埋設有地下管線，包括污水管線和通信電纜，本側的變形控制是施工過程中的重點。周邊(南側)環境見圖8。

圖8 周邊(南側)環境圖

3.1.3 工程地質水文條件

勘察報告顯示，25 m深度范圍內除上部填土外，其余為新近沉積層和一般第四系沖積層，共分7大層。項目土體從上至下分別為： ①雜填土、②粉土、②1粉質黏土、③細砂、④粉質黏土、⑤細砂、⑥圓礫、⑦細砂。各層土體工程地質特性見表1。

表1 土體工程地質特性表

在勘察深度范圍內共測得3層地下水。第1層地下水類型為上層滯水，主要賦存于②粉土層中，穩定水位埋深為3.0～3.2 m； 第2層地下水類型為潛水，主要賦存于③細砂層中，穩定地下水位埋深為13.00 m； 第3層地下水類型為承壓水，主要賦存于⑤細砂、⑥圓礫、⑦細砂層中，穩定地下水位埋深為15.8 m。

本項目基底深度為地下12 m，位于③細砂層中，在第2層潛水之上1 m，故在設計和施工中不考慮該層水的影響。典型地層剖面見圖9。

圖9 典型地質剖面圖

3.2 建筑設計方案

本項目設計為地下智能立體車庫，根據用戶需求設置SUV停車層及普通轎車停車層。采用市面較為成熟的垂直升降式機械停車設備，中部為電梯通道，兩側為停車位； 同時采用梳齒交換的運輸方式，可以有效地保護輪胎。

該智能車庫有以下優點： 1)安全。存取車均在地面進行，由機械設備自動搬運至指定部位，人員無需下到地下，實現人車分流。2)高效。單次存取平均時間能夠控制在90 s之內。3)簡單。地面設置旋轉盤，可以使車輛正進正出。

本項目平面占地面積約為73.95 m2(8.5 m×8.7 m)，深度為12 m，地下5層，建筑面積約為370 m2，地下車位數量為10個，單車位平面面積37 m2，單車位空間體積88 m3，相比傳統自走車位平面面積節約15%～20% ，空間體積節約45%～55%(自走車位單車位平面面積為43～48 m2(含通道)，層高3.5～4.0 m)。車庫平面和剖面分別見圖10、圖11。

圖10 車庫平面圖 (單位： mm)

圖11 車庫剖面圖 (單位： mm)

3.3 結構設計方案

3.3.1 設計原理

本項目根據自平衡下沉理論進行設計，充分利用土體的側摩阻力，根據自平衡下沉的條件來確定中繼間的位置，計算示意見圖12。

下部結構頂進階段：

G上+G下+F上>F下′。

(1)

上部結構跟進階段：

G上+G下+F下>F上′。

(2)

式(1)—(2)中：G上為沉井上部結構自重；G下為沉井下部結構自重；F下為下部結構向下的摩阻力；F下′為下部結構向上的摩阻力；F上為上部結構向下的摩阻力；F上′為上部結構向上的摩阻力。

圖12 計算示意圖

3.3.2 設計參數及結果

本項目每環管片高度設計均為2 m，故將土層也按照2 m進行劃分，具體的參數取值見表2。

表2 土體參數表

采用以上土體參數，根據承載力極限條件及正常使用條件，確定管片的厚度及配筋；再結合自平衡下沉的條件，確定中繼間位置以及所需千斤頂的數量。

最終設計結果為： 管片高度為2 m，管片厚度為350 mm，長度為7.85 m，管片質量約13 t；管片角部采用無縫鋼管進行支撐，鋼管型號Q235，直徑219 mm，厚度為16 mm；中繼間位置位于第2環與第3環管片中間，整環設計8個中繼間，每個管片設計2個，安裝中繼間千斤頂，千斤頂滿足頂力1 000 kN，行程200 mm。井筒結構見圖13。

圖13 井筒結構圖 (單位： mm)

3.3.3 細部設計

1)水平連接。管片沿高度方向每500 mm設計1個連接件，采用高強螺栓進行連接。

2)豎向連接。管片豎向之間設置導向槽和剪力鍵，施工期間方便管片對準和就位，施工完畢之后抵抗水平土壓力。

3)結構防水。本項目防水設計采用三元乙丙遇水膨脹止水膠條，膠條寬30 mm、高15 mm，嵌入管片的凹槽中，沿著管片四周進行布置。凹槽寬30 mm、高10 mm，留有5 mm壓縮量，依靠沉井結構進行擠壓防水。

3.4 自平衡下沉施工關鍵技術要求

土建結構施工采用自下沉沉井建造技術，1個標準層施工僅用4～7 d時間，包括井壁結構裝配、鋼支撐安裝、土方開挖和井壁下沉等工序。相比于傳統沉井施工技術，自下沉沉井建造技術在施工過程中應控制好以下關鍵技術。

3.4.1 管片預制及運輸

預制管片為非規則形狀，尤其是防水凹槽位置，對模板要求較高，需要控制模板的強度及剛度，確保管片達到設計要求。

管片質量大，運輸、安裝過程中需要注意成品保護，運輸時嚴格控制成品管片的擺放方向，在管片之間增加橡膠防撞件，避免運輸過程中的碰撞。

3.4.2 管片安裝

1)管片采用吊車進行安裝，由于管片質量較大，需要編制吊裝方案，嚴格按照吊裝方案進行吊裝，吊裝過程中有專人指揮，嚴禁超負荷吊裝。

2)管片吊裝就位后，須對臨時固定裝置進行檢查，檢查完畢之前，嚴禁摘除吊車吊鉤。

3)管片對準就位之后進行測量檢查，合格之后方能進行螺栓的施工。螺栓施工必須滿足要求，禁止強行緊入以防螺栓截斷。

3.4.3 土方開挖及下沉

合理劃分挖土區域及步驟，遵循分層、分段、均衡對稱的原則使管片均勻連續下沉。

本項目挖土分1、2、3共3個區域，挖土的順序為 1—2—3；采用機械挖土、人工輔助的方法進行開挖，每個區域土層開挖遵循對稱、平衡的原則，挖去土方400～500 mm。土方開挖分區見圖14。

圖14 土方開挖分區圖

3.4.4 管片自平衡下沉控制

本項目在中繼間布置1組共計8個液壓千斤頂，負責下部管片的頂進； 在頂部布置1組共計8個穿心千斤頂，負責上部管片的跟進。在頂進過程中須進行嚴格控制，通過分流器可對千斤頂進行分組控制，整體頂進下沉時，可將每環千斤頂劃為一組，同步頂進；當出現偏差時，可將千斤頂分開進行糾偏頂進。

管片下沉過程中須進行實時監測，控制好下沉的姿態，出現偏差時須及時糾偏。本項目對沉井各個角點進行監測，在千斤頂每循環1個行程，對各個角點進行沉降觀測。各個角點的沉降差在沉井過程中控制在20 mm之內。當超過該控制值時須及時進行糾偏，糾偏采用單邊千斤頂頂進及下部掏土結合的方式。

3.4.5 沉井封底施工

1)沉井下沉至設計標高后，在封底之前應檢驗基底的地質情況是否與設計相符。基底應整平、無浮泥和殘留物。

2)沉井下沉至設計標高時，應進行沉降觀測，滿足設計要求后方可封底。

3)采用素混凝土進行封底，須嚴格控制混凝土的塌落度及澆筑速度。

主要施工過程見圖15—18。

圖15 井壁結構拼裝

圖16 土方開挖

圖17 井壁結構下沉

圖18 結構主體完成

3.5 施工監測

3.5.1 監測項目及布置

主要監測項目有支撐軸力、沉井位移、周邊土體沉降以及周邊墻體沉降。其中，支撐軸力采用應變片進行監測，布置在一角的鋼支撐上；沉井位移監測點布置在沉井結構的各角點上；周邊土體沉降監測點放射性布置在沉井四周； 周邊墻體沉降監測點布置在圍墻的基礎上，布置范圍為1倍的基坑深度。具體監測布置見圖19。

圖19 監測布置圖

3.5.2 監測結果分析

通過分析以上監測點的監測結果，得到主要結論如下：

1)沉井過程中，各角點的沉降差最大為20 mm； 沉井穩定后，各角點沉降差最大為6 mm，滿足施工控制要求及設計要求。

2)支撐軸力隨著管片的下沉有所波動，是由管片下沉中的不平衡導致，但整體呈增長趨勢； 最大軸力出現在最下層支撐處，支撐軸力達到1 200 kN,為設計值的60%左右。

3)由于周邊場地較小，現場的機械施工對周邊土體的監測影響較大，導致基坑北側及西側的監測點無法使用，只能對東側監測點進行監測。分析數據可知，土體最大的沉降發生在距離沉井結構1 m處，土體沉降累計值達到25 mm； 隨著距離的增加，沉降值減小，在距離沉井結構12 m處，土體沉降累計值為4 mm，滿足設計控制要求。

4)周邊墻體監測為本次的重點，沉降監測情況見圖20。通過監測數據可知，沉降最大點的位置對應沉井結構中部，然后向兩側遞減，最大墻體沉井累計值為24 mm，最小墻體沉降累計值為 3 mm，兩點間距為14 m，沉降差為0.15%，滿足控制要求。但通過現場檢查發現，墻體局部已經有裂縫產生，施工過程中對墻體進行了加固處理。

圖20 墻體監測點曲線圖 (2015年)

4 結論與建議

1)“裝配式+自下沉沉井”建造技術具有以下優點： 井壁采用工廠標準化生產預制片，質量可靠；現場拼裝，減少混凝土澆筑施工量，有效節約工期；自下沉沉井技術無需大型設備、施工速度快、安全性高、噪音小，對周邊建筑和管線影響小。

2)與大多數城市新建工程相比，老城更新工程因周邊既有建筑、地下管線、交通環境等場地限制，以及對施工過程中噪音、粉塵、振動等的嚴格要求，其施工難度更大，“裝配式+自下沉沉井”建造技術是一個很好的選擇。

3)井筒式地下車庫與傳統地面停車場相比，可充分挖潛、利用地下空間資源，有效節約地面資源，減少地面空間的占用和浪費，充分利用節約下來的土地資源增加城市綠化率，改善人居環境。采用“裝配式+自下沉沉井”建造技術，將裝配式建筑的特點和自下沉沉井工藝相結合，為解決停車問題提供一種有效途徑。

4)該類地下車庫能夠在同等的有限空間內提供更多停車位，且采用智能化的存取設備，存、取車過程安全、高效，停車體驗好。

由于本項目是首次應用自下沉沉井工藝，在設計和施工中還存在以下問題，希望在今后的研究中能夠較好地解決，使自下沉沉井工藝得到改進和完善。

1)通過軸力監測數據可知，軸力發揮值僅為設計值的60%，造成經濟不合理，分析其原因可能是井筒的尺寸較小，存在尺寸效應，導致實際土壓力小于計算土壓力。

2)管片厚度較大，自重大，達到了約13 t，現場吊裝困難，可以考慮將管片合理分塊，做到輕質高強。

3)沉井結構防水不易保護，在拼裝和下沉的過程中容易損傷，可以考慮其他防水措施，或者增加多道防線，如井壁背后注漿，內壁注射止水膠等。