等厚水泥土鋼墻與地墻工藝及效益對比

郭宏斌

(上海市基礎工程集團有限公司,上海 200002)

隨著我國城市化進程的不斷加快,地下空間的開發利用越來越受到人們的重視。在地下工程建設領域,基坑開挖面積越來越大,開挖深度越來越深,施工區域周邊環境越來越復雜,尤其是市中心位置,施工場地條件往往空間受限。其次,近年來政府部門對環境保護的監管力度日益加強,傳統的混凝土所需的砂、石料日益匱乏。

等厚地下水泥土連續鋼墻一種新型深基坑支護及止水工藝應運而生,該工藝施工所用原材料僅需投入水泥及鋼材,不受砂石料影響,施工進度可控,且場地占用面積少,可在部分場地受限或原材受限區域代替目前地下連續墻作為基坑圍護[1]。本文通過分析對比等厚地下水泥土連續鋼墻工藝及地下連續墻工藝,對該兩種工藝各自優缺點及經濟效益進行探討[2]。

1 施工工藝介紹

1.1 地下連續墻工法

1.1.1 發展歷程

地下連續墻工法20世紀50年代發源于歐洲,于20世紀50年代末期引入國內。該工藝經過近70年的不斷發展,現已形成一套成熟完善的工法體系。

1.1.2 施工總體流程

該工法通過成槽機械(成槽機或銑槽機)在地面沿著基坑輪廓,在泥漿護壁作用下形成一條狹長的深槽,槽段施工完成后進行清基換漿,然后下放鋼筋籠、導管,最后澆筑混凝土,形成一個單元槽段。依次重復上述流程,單個單元槽段連接成一個整體,在地下筑成集基坑支護、止水、承重于一體的連續鋼筋混凝土墻[3]。

1.1.3 主要資源投入情況分析

為實現上述目標,施工過程中需投入較大的人力、物力進行配合。首先,為保證軟土地區槽壁的穩定性,避免在成槽過程中槽壁坍塌[4]。槽段施工前,需要對整個槽壁采取相應的加固措施,常規工藝采用水泥土攪拌樁進行加固的居多(見圖1)。待槽壁加固水泥土攪拌樁水泥齡期達到設計要求后,進行槽段內導向墻的施作(見圖2)。

其次,泥漿加工及處理的后臺布置區,往往場地占用面積較大,例如本案例上海市域機場聯絡線浦東機場站泥漿后臺占地面積約1 200 m2。泥漿是成槽過程中最為關鍵的因素之一,施工前需要在施工現場搭設相應的泥漿工廠,主要是解決新拌泥漿、循環漿、廢漿的存儲及土方的臨時周轉場地(見圖3)。

最后,鋼筋籠加工區(如圖4所示)及原材料堆場布置。目前地下連續墻所用的鋼筋籠基本采用現場加工,雖然鋼筋籠部分工序亦可采用自動化加工,但大尺寸、長距離運輸問題始終不能有效解決,如若分節太多,則又會大大影響施工效率及施工質量。為此,每臺成槽設備至少配備1套鋼筋籠加工區及2臺履帶式起重機,每套鋼籠加工區需要至少配備25名電焊工進行鋼筋籠焊接作業。

綜上,地下連續墻主要資源投入情況如表1所示。

表1 地下連續墻主要資源投入表

1.2 等厚度地下水泥土連續鋼墻

1.2.1 發展歷程

NS-BOX工法20世紀90年代起源于日本[5],目前尚未在國內運用的先例。通過在上海市域聯絡線浦東機場站在NS-BOX基礎上進一步改良探索,對不同深度槽段進行多次試驗,形成了一套全新的等厚度地下水泥土連續鋼墻工法,目前已經取得了一定的研究成果、積累。

1.2.2 施工總體流程

該工法是通過鋸鏈式(TRD)設備和銑削式(CSM)設備在地面沿著基坑輪廓,在泥漿護壁作用下形成一條狹長的等厚深槽[6](見圖5)。在設備提升過程中注入按照既定摻量及水灰比的水泥漿液,在單元槽段內形成水泥漿液+泥漿混合漿液。然后,移除成槽設備,安裝下放型鋼調直所用的定位導向裝置(見圖6)。在水泥初凝之前,利用吊機沿著導向裝置下一期放預制鎖扣型接頭型鋼,上下節型鋼之間通過高強螺栓進行對接[7]。待一期型鋼放置完成后,重復之前步驟下放二期型鋼,直至單元槽段型鋼全部下放完成,型鋼與型鋼之間通過鎖扣相互咬合(見圖7)。

依次重復上述流程,單個單元槽段連接成一個整體,在地下筑成集基坑支護、止水、承重于一體的水泥土連續鋼墻。

1.2.3 主要資源投入情況分析

為實現上述目標,施工現場僅需投入少量勞動力、預制型鋼堆場及水泥拌漿后臺等。

首先,水泥拌漿后臺布置。該后臺主要用于水泥存儲及水泥漿液拌制,且單個后臺可供多臺設備同時使用,占地面積約200 m2,常規配備3人進行拌漿及送漿工作(見圖8)。

其次,型鋼原材料布置區域。型鋼全部采用工程預制,一般根據施工設計需求可定尺加工成3 m,6 m,9 m,12 m等不同規格。常規來說,型鋼布置場地占用面積100 m2左右即可滿足現場施工要求。為輔助型鋼下放工作,施工現場可根據場地實際情況配備1臺～2臺輪胎式起重機或履帶式起重機。

至此,地下水泥土連續鋼墻場地布置已基本完成。成槽過程中產生的置換漿液處理可根據實際施工場地情況直接進行外運或現場固化等不同處理方式。

綜上,地下水泥土連續鋼墻主要資源投入情況如表2所示。

表2 地下連續鋼墻主要資源投入表

2 工藝對比分析

2.1 適用條件

地下連續墻是目前軟土地區常規的深基坑支護形式,廣泛適用施工場地面積及凈空高度不受限制的施工區域。

等厚地下水泥土連續鋼墻是一種新型的基坑支護工藝。與常規地下連續墻工藝相比,其主要運用場景的最大不同點是其能夠在施工場地空間及高度限制情況下實施。

2.2 施工工效

通過前文的介紹可知,地下連續墻施工工藝與等厚地下水泥土連續鋼墻施工工藝兩者有諸多相似之處。例如,均需要投入成槽設備及大型起重吊裝設備,成槽過程中均需要產生置換泥漿等。但地下連續鋼墻施工工序較地下連續墻省去了鋼籠現場制作、清基換漿、混凝土澆筑等工序。作為業內人士均知,這些工序占據了地下連續墻單幅槽段一半以上的施工時間。而等厚地下連續鋼墻,成槽后直接進行型鋼下放,而型鋼采用工廠預制,完全不受加工時間制約。通過比較浦東機場站施工的75 m深地下連續墻及75 m深的等厚地下水泥土連續鋼墻,等厚地下水泥土連續鋼墻施工用時僅占地下連續墻施工用時的一半[8]。

因此,通過對比上述兩者施工工效,等厚地下水泥土連續鋼墻具有絕對優勢。

2.3 資源投入

2.3.1 原材料

地下連續墻及等厚地下水泥土連續鋼墻主要原材料投入情況詳見表3。

表3 原材料投入計劃表

通過表3可知,地下連續墻施工所用原材料為鋼筋及混凝土,等厚地下水泥土連續鋼墻施工所用原材料為水泥基型鋼。

近年來隨著政府部門對環保日益重視,混凝土原材料受砂石料影響日漸增大。反之,水泥原材料較混凝土而言則不受砂石料影響。

此外,鋼筋籠采用現場加工,鋼筋籠的加工質量與現場加工人員的水平相關。但往往施工現場加工人員水平良莠不齊,造成鋼筋籠成品質量不可控。然而,等厚地下水泥土連續鋼墻所用型鋼在工廠預制,加工精度可控。

通過兩者施工所用原材料進行對比分析,地下連續墻受外界影響比較大,尤其是現場制作的鋼筋籠加工質量較等厚地下連續鋼墻型鋼工廠預制在加工精度方面存在一定差距。

2.3.2 勞動力投入

通過前文對兩種不同施工工藝的簡介可知,成套地下連續墻工藝需投入泥漿后臺處理人員、鋼筋籠制作人員、混凝土澆筑人員及配套的起重機械及成槽機械駕駛人員等,為保證該工藝能夠順利實施,施工現場至少需要投入50人。反觀等厚地下水泥土連續鋼筋,由于涉及的施工工序較少,僅需投入后臺拌漿人員、起重機械及成槽機械駕駛人員及型鋼對接人員,成套工序施工人員投入約10人。

從勞動力人數投入角度來看,地下連續墻工藝所需人數遠遠大于等厚度水泥土連續鋼墻。隨著近年來國家青壯年適齡勞動力逐年下降,用工成本日益增加,等厚地下水泥土連續鋼墻工藝用工優勢勢必更加明顯。

2.4 施工場地占用情況

地下連續墻施工場地主要布置內容為:鋼筋籠加工區及鋼筋原材料堆放區、泥漿處理后臺,成套工藝占用場地面積約3 000 m2。

等厚地下水泥土連續鋼墻施工場地主要布置內容為:水泥漿液存儲及拌制后臺、型鋼堆放區域,成套工藝占用場地面積約300 m2。

從場地占用情況來看,地下連續墻場地占用面積約為等厚地下水泥土連續墻的10倍,對施工場地面積要求遠遠大于后者。

3 經濟效益對比分析

從前文兩項施工工藝的對比分析結果來看,地下連續墻從施工工效、各項資源投入數量均遠高于等厚地下水泥土連續鋼墻。因而,地下連續墻所需的各項人力、物力成本更高。

反觀等厚地下水泥土連續鋼墻工藝,工藝相對較少,施工流程較地下連續墻更為便捷,施工效率更高,各項資源投入數量較前者而言具有明顯優勢。

按照目前常規地下連續墻設計每立方米含鋼量約180 kg,每立方米地墻原材料費用組成:混凝土500元/m3+鋼筋0.18 t×4 000元/t=1 220元。

由于等厚地下水泥土連續鋼墻目前尚未大面積推廣應用,按照之前試驗參數,對每立方米施工材料費進行價格估算。每立方米加固土體水泥摻量按10%計,每立方米等厚地下水泥土連續鋼墻原材料費用組成:水泥1.8 t/m3×10%×435元/t+型鋼6 000元/t×0.55 t=3 378.3元。

從兩種不同工藝施工所用的原材料費用對比來看,目前等厚地下水泥土連續鋼墻材料費用要略高于地下連續墻。但隨著等厚地下水泥土連續鋼墻工藝的進一步完善,型鋼可以進一步做到回收重復利用。

如此,從長遠角度來看,等厚地下水泥土連續鋼墻施工工藝更加綠色、經濟。

4 結語

通過對地下連續墻及等厚地下水泥土連續鋼墻兩種相似又相近的工藝進行工藝及經濟效益對比分析,長遠來看等厚地下水泥土連續鋼墻更適用特定環境下的深基坑工程。

雖然在軟土地墻深基坑支護地下連續墻工藝運用的更加廣泛。然而,等厚水泥土連續鋼墻已在50深槽段內插48 m長鎖扣型鋼多次試驗成功,并且形成了一套完整的施工工法。目前,后續擬進行鎖扣型鋼插拔試驗,旨在基坑施工完成后將鎖扣型鋼進行回收利用,如此將極大地提高該工法的經濟效益。

因此,隨著行業的不斷發展,施工技術不斷更新迭代,等厚水泥土連續鋼墻在軟土地區深基坑支護領域必將有一席之地。