地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)影響因素研究

侯浙寧

摘要：為進(jìn)一步探究地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)的主要影響因素，以某地鐵車站施工為實(shí)際案例，首先通過(guò)結(jié)合實(shí)際情況和理論分析，確定影響造價(jià)的幾個(gè)主要影響因素。而后通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)，確定本次施工處于安全狀態(tài)時(shí)各個(gè)影響因素的范圍。最后基于已有數(shù)據(jù)信息，通過(guò)正交試驗(yàn)確定各個(gè)影響因素的最優(yōu)解，并將其作為實(shí)際施工參數(shù)。研究結(jié)果顯示，本次優(yōu)化后的施工方案有效兼顧了造價(jià)和質(zhì)量安全兩方面的要求，具有一定的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

關(guān)鍵詞：地鐵車站；基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)；工程造價(jià)；影響因素

0? ?引言

在地鐵工程建設(shè)過(guò)程中，由于地質(zhì)結(jié)構(gòu)、既有地下構(gòu)筑物等諸多因素的影響，使之施工難度居高不下，這同時(shí)也帶來(lái)了工程造價(jià)管理難度的增加，其中較為典型的則是地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的施工環(huán)節(jié)。

如何在該施工環(huán)節(jié)兼顧施工質(zhì)量和施工造價(jià)，歷來(lái)是工程領(lǐng)域的一項(xiàng)重要研究?jī)?nèi)容。對(duì)此需要結(jié)合當(dāng)前先進(jìn)的理論方法，準(zhǔn)確識(shí)別分析地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)造價(jià)的影響因素，以確保該環(huán)節(jié)在保證質(zhì)量的基礎(chǔ)上，將造價(jià)成本控制在較低水平。

1? ?項(xiàng)目概況

某新建地鐵車站采用地下兩層雙跨、三跨箱型框架結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)計(jì)為11m島式站臺(tái)。同時(shí)，為該車站配備如下附屬結(jié)構(gòu)：風(fēng)亭2組、出入口4個(gè)、安全通道1個(gè)。通過(guò)前期地質(zhì)勘查后發(fā)現(xiàn)，該車站所處位置地下水位較低，且地基硬度較高，對(duì)此設(shè)計(jì)單位決定采用“鉆孔樁+圈梁+鋼支撐”的支護(hù)體系作為該地鐵車站的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)，支護(hù)結(jié)構(gòu)體系示意圖如圖1所示。

該地鐵車站施工區(qū)域附近同時(shí)存在商業(yè)金融建筑工程項(xiàng)目施工等內(nèi)容，且施工過(guò)程中可能因開挖等環(huán)節(jié)造成地面沉降等不利影響，因此該地鐵車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作的復(fù)雜性相對(duì)較高，如何在保證結(jié)構(gòu)安全的情況下，將此環(huán)節(jié)的工程造價(jià)進(jìn)一步降低，成為施工企業(yè)需要重點(diǎn)研究的一項(xiàng)內(nèi)容。

2? ?施工安全性分析

根據(jù)本次工程作業(yè)的基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)概算表，得到各個(gè)方面的施工造價(jià)預(yù)算占比情況如圖2所示。

根據(jù)圖2可知，在本次基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)施工中，鉆孔樁施工的費(fèi)用遠(yuǎn)高于其他施工環(huán)節(jié)的費(fèi)用，其工程量及影響也較為突出，因此本次主要針對(duì)鉆孔樁結(jié)構(gòu)展開研究，結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)和相關(guān)參考文獻(xiàn)，確定本次研究工作需從以下幾個(gè)方面加以展開。

2.1? ?圍護(hù)樁樁徑對(duì)安全性的影響

參考圍護(hù)樁設(shè)計(jì)的初始方案，控制其他支護(hù)參數(shù)不變，將樁徑分別設(shè)置為800mm、1000mm、1100mm和1200mm，應(yīng)用有限元分析軟件對(duì)以上條件下的圍護(hù)樁最大水平位移與最大地表沉降，得到的分析結(jié)果如圖3所示。

根據(jù)圖3可見(jiàn)，隨著樁徑的增加，理論上的最大水平位移和地表沉降量均呈下降態(tài)勢(shì)。在以上4種樁徑下，其水平位移和地表沉降均低于30mm的允許值，具有一定的安全性。但相對(duì)而言，當(dāng)樁徑為800mm時(shí)，上述兩項(xiàng)指標(biāo)與允許值較為接近，對(duì)于不可抗力因素的抗性稍差。

進(jìn)一步分析地表沉降量變化后發(fā)現(xiàn)，當(dāng)樁徑為800mm時(shí)，其水平位移和地表沉降變化趨勢(shì)線的“勺型”特征較為明顯，最高值均出現(xiàn)在距離坑邊15～17m的狹小范圍內(nèi)。鑒于此種情況容易造成局部應(yīng)力集中，因此不考慮此種條件，確定樁徑需在1000mm以上。

2.2? ?不同樁間距對(duì)施工方案安全性的影響

在本環(huán)節(jié)中，參考原設(shè)計(jì)方案，設(shè)定樁徑為1000mm，并控制其他參數(shù)不變，以此為基準(zhǔn)，將樁間距分別設(shè)置為1.2m、1.4m和1.5m等3種，以探究樁間距如何影響安全性。本次仍以最大水平位移和地表沉降量為評(píng)價(jià)指標(biāo)，得到評(píng)價(jià)結(jié)果如圖4所示。

根據(jù)圖4中的數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可見(jiàn)，隨著樁間距的不斷增大，樁身水平位移和地表沉降量均處于逐步上升的趨勢(shì)。由此可推斷出，縮短樁間距是提升圍護(hù)結(jié)構(gòu)安全性的可能路徑。

相對(duì)而言，樁間距的調(diào)整對(duì)于樁身水平位移和地表沉降量的改變效果并不突出，在本次設(shè)置3中情況，其樁身水平位移和地表沉降量均有效控制在30mm的允許值以下。因此本次設(shè)置的1.2m、1.4m和1.5m樁間距，均可在安全性上滿足實(shí)際需要。

2.3? ?不同圍護(hù)樁嵌入比對(duì)施工方案安全性的影響

圍護(hù)樁嵌入比即圍護(hù)樁嵌入深度與圍護(hù)樁整體長(zhǎng)度之比值。根據(jù)以往經(jīng)驗(yàn)可知，如結(jié)構(gòu)底部嵌入深度過(guò)低，則會(huì)導(dǎo)致整個(gè)圍護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)傾斜變形甚至結(jié)構(gòu)破壞等問(wèn)題。而嵌入深度過(guò)高，又會(huì)導(dǎo)致工程造價(jià)顯著提升。

為兼顧工程安全和造價(jià)兩方面的要求，本次參考以往文獻(xiàn)資料和施工經(jīng)驗(yàn)，分別設(shè)置嵌入比為0.65、0.71、0.80，應(yīng)用有限元分析方法對(duì)以上3種條件下的最大水平位移和地表沉降量進(jìn)行仿真分析，得到分析結(jié)果如圖5所示。

根據(jù)圖5數(shù)據(jù)變化趨勢(shì)可知，隨著嵌入比數(shù)值的增大，樁頂水平位移的最大值和地表沉降量的最大值均顯著降低。由于樁身最大水平位移及地表沉降的容許值為30mm，因此在以上3種嵌入比的施工模式下，其最大水平位移和地表沉降量均符合要求。

3? ?施工方案優(yōu)化

3.1? ?不同參數(shù)對(duì)造價(jià)的影響

根據(jù)上文針對(duì)安全性的分析可知，合理的樁徑參數(shù)可設(shè)置為1000mm、1100mm和1200mm；合理的圍護(hù)樁樁間距可設(shè)置為1.2m、1.4m和1.5m；同時(shí)合理的圍護(hù)樁嵌入比可設(shè)置為0.65、0.71和0.80。

對(duì)不同參數(shù)如何影響工程造價(jià)進(jìn)行單因素分析，得到分析結(jié)果如表1所示。根據(jù)表1中的數(shù)據(jù)可得出如下推論：

施工整體費(fèi)用與樁徑參數(shù)成正比，樁徑參數(shù)過(guò)高或?qū)?dǎo)致嚴(yán)重浪費(fèi)，因此應(yīng)當(dāng)在安全性滿足要求的前提下，盡量縮短樁徑以降低造價(jià)。

當(dāng)樁間距增大時(shí)，鉆孔樁的施工費(fèi)用相應(yīng)降低，但相對(duì)于不同樁徑對(duì)造價(jià)帶來(lái)的影響而言，樁間距的調(diào)整對(duì)于造價(jià)的影響幅度偏低，因此在造價(jià)有限的情況下，可通過(guò)適當(dāng)縮短樁間距的方式來(lái)兼顧安全和成本。

當(dāng)增大樁基嵌入比時(shí)，工程造價(jià)相較于初始值有小幅度上升，其影響效果與調(diào)整樁間距基本類似，因此在造價(jià)有限的情況下，可通過(guò)適當(dāng)增大樁基嵌入比的方式來(lái)兼顧安全和成本。

3.2? ?正交試驗(yàn)分析

針對(duì)圍護(hù)樁樁徑（影響因素A）、圍護(hù)樁間距（影響因素B）和維護(hù)樁嵌入比（影響因素C）等3個(gè)因素進(jìn)行正交實(shí)驗(yàn)分析。其中影響因素A的3個(gè)參數(shù)分別為1000mm、1100mm和1200mm；影響因素B的3個(gè)參數(shù)分別為1.2m、1.4m和1.5m；影響因素C的3個(gè)參數(shù)分別為0.65、0.71和0.80。對(duì)其進(jìn)行正交試驗(yàn)，得到正交試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)表2中的數(shù)據(jù)結(jié)果，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行整理后，再應(yīng)用方差分析方法做進(jìn)一步評(píng)價(jià)，評(píng)價(jià)結(jié)果如表3所示。

根據(jù)表3中的數(shù)據(jù)可知，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果起到顯著影響的因素主要為圍護(hù)樁樁徑和樁間距，而圍護(hù)樁嵌入比并不存在顯著影響，相對(duì)而言，圍護(hù)樁樁徑的影響更為突出，因此需要對(duì)支護(hù)樁徑和縮短樁間距兩項(xiàng)參數(shù)予以有效控制。

在此基礎(chǔ)上，通過(guò)分析可知，樁徑與工程造價(jià)呈現(xiàn)正相關(guān)，而樁間距與工程造價(jià)呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，因此在允許范圍內(nèi)適當(dāng)降低樁徑并適當(dāng)提升樁間距較為可行。

據(jù)此，決定采用優(yōu)化方案為A1B3C2，即圍護(hù)樁樁徑為1000mm，樁間距1.5m，且嵌入比控制為0.71，以此進(jìn)行施工作業(yè)。

3.3? ?優(yōu) 化結(jié)果與討論

在應(yīng)用上文的優(yōu)化參數(shù)后，針對(duì)施工結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。首先對(duì)施工作業(yè)的安全性進(jìn)行評(píng)估，結(jié)果顯示，樁身最大水平位移為17.2mm，坑邊地表沉降最大值為20.9mm。雖稍高于仿真實(shí)驗(yàn)的數(shù)值，但仍然顯著小于允許值30mm，整體處于安全狀態(tài)，證明了本次實(shí)驗(yàn)的合理性。

在此基礎(chǔ)上進(jìn)一步對(duì)比實(shí)際造價(jià)與預(yù)算金額，對(duì)比結(jié)果如表4所示。

根據(jù)表4的數(shù)據(jù)可見(jiàn)，在應(yīng)用本次優(yōu)化方案，能夠在整體基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)處于穩(wěn)定的條件下，顯著降低造價(jià)，表明本次工作取得了初步成功。

4? ?結(jié)束語(yǔ)

本文針對(duì)地鐵工程車站基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)的造價(jià)影響因素，通過(guò)定性與定量相結(jié)合的方法，對(duì)施工方案中的幾項(xiàng)關(guān)鍵影響因素進(jìn)行深入分析，并根據(jù)分析結(jié)果對(duì)優(yōu)化后的施工方案進(jìn)行布置。

從實(shí)際應(yīng)用效果來(lái)看，本次優(yōu)化后的施工參數(shù)有效兼顧了成本和質(zhì)量?jī)煞矫娴囊螅噍^于以往的主觀判斷模式而言，其呈現(xiàn)出進(jìn)一步的優(yōu)化改進(jìn)特征。預(yù)計(jì)基于此種方法的研究也將成為未來(lái)造價(jià)管理工作的一個(gè)新發(fā)展方向。

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