地下取水箱涵施工方案的對比及優(yōu)化

馬曉華

（中冶集團武漢勘察研究院有限公司）

地下管廊工程發(fā)展初期，明挖法是當時首選的開挖施工方法。隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，受地表空間的限制，暗挖法施工得到了推廣。工程實踐中，根據(jù)工程施工條件，合理的選用施工方法和適當?shù)膬?yōu)化施工方案對施工過程控制有著重要的意義。

1 工程概述

1.1 工程概況

某電廠二期項目擬建的地下取水箱涵工程A標段東西向全長678m，采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，混凝土強度等級為C50，港口某公司擬建鐵路南北向跨越地下取水箱涵中間位置上部與本標段取水箱涵交叉施工。擬建取水箱涵大開挖深度約11.60m，采用二級放坡，放坡系數(shù)1：1，采用土釘墻支護。箱涵凈寬10.40m，開挖深度約5.30m，采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻支護兼做箱涵永久側(cè)墻結(jié)構(gòu)。

1.2 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

擬建場地原始地貌屬濱海灘涂，后經(jīng)吹填造地，場地較平坦、開闊，局部地段表層雜草茂密，地面標高為4.50～6.15m。擬建場地在0～60.0m深度范圍內(nèi)的地層主要由第四系全新統(tǒng)海相沉積層和第四系上更新統(tǒng)海陸交互沉積層組成。

擬建場地地下水主要為賦存于第四系地層中的孔隙潛水，主要含水層為砂層，地下水位埋深為0.40～2.30m。場地淺部地層滲透性較好，地下水水力聯(lián)系強，地下水徑向補給主要為大氣降水，側(cè)向主要受海水滲流補給，水位受海水潮汐一定的影響。

2 施工方案的對比及特點

2.1 明挖施工方案

以港口公司正在修建的鐵路為界，將本標段取水箱涵劃分為東、西兩個施工區(qū)段，西段長約340m，東側(cè)長約338m，按照從中間分界線位置向東、西兩個方向遞進的方式采用明挖法施工。

明挖法施工工序：先施工全場取水箱涵地下連續(xù)墻和降水井，逐個區(qū)段分層開挖，單個區(qū)段每開挖一層土方，及時土釘掛網(wǎng)支護，至連續(xù)墻頂面，施工高壓旋噴樁，開挖箱涵內(nèi)土方至標高-8.00m時安裝內(nèi)支撐，繼續(xù)開挖至取水箱涵墊層底，先后施工底部支撐梁和底板，搭設(shè)5.0～6.5m高滿堂支撐架施作拱形頂板及冠梁，待頂板混凝土強度達到度100%時拆除內(nèi)支撐，最后，分層碾壓回填土至地面。

2.2 蓋挖施工方案

將本標段取水箱涵劃分為東段、鐵路段、西段三個施工區(qū)段，長度分別約為280m、100m、298m，采用蓋挖法施工，且為便于及早恢復(fù)鐵路段地表空間交付港口公司，優(yōu)先施工鐵路段。鐵路段東、西兩側(cè)各留設(shè)一個進出通道以供出土和材料運輸，待蓋挖各施工段完成后，采用明挖法施工該兩處進出通道。

蓋挖法施工工序：先施工全場取水箱涵地下連續(xù)墻和降水井，逐個區(qū)段分層開挖，單個區(qū)段每開挖一層土方，及時土釘掛網(wǎng)支護，至連續(xù)墻頂面，施工高壓旋噴樁，機械配合人工修復(fù)土拱，現(xiàn)澆100mm厚墊層并刷脫模劑或滿鋪塑料布，施作拱板及冠梁，然后分層碾壓回填至地面，再采用蓋挖法開挖箱涵內(nèi)土方，最后施作底部支撐梁及底板。

2.3 明挖法和蓋挖法施工方案在本工程的適用特點

明挖法施工適用于周邊環(huán)境簡單，施工空間充足，有條件敞口開挖的工程，其特點如下：

①施工工藝成熟，易于對工程安全及質(zhì)量的控制，成本控制風(fēng)險??；②施工作業(yè)面開闊，有利于提高工效，必要時可多點平行作業(yè)，縮短總工期；③須全程對大開挖基坑及箱涵結(jié)構(gòu)進行監(jiān)測，并采取措施防止基坑變形及其周圍地面沉降，監(jiān)測周期長；④對周圍環(huán)境及交叉鐵路工程影響時間長，且易受到氣象條件的影響。

蓋挖法施工一般適用于受周邊環(huán)境限制或存在交叉施工，不具備明挖法施工的地方，其特點如下：

①可簡化施工程序，占用地表空間及時間較明挖法少；②施工期間基坑暴露時間短，可縮短從破壞地表、修筑拱板到恢復(fù)地表原狀所需的時間，對周邊環(huán)境及交叉鐵路工程影響時間短；③拱板完成后，在蓋挖施工期間，由于受箱涵內(nèi)部空間限制，對工程安全及質(zhì)量控制難度較明挖法大；④由于只預(yù)留兩個出口，增加了土方外運及施工材料運輸?shù)碾y度和成本，成本控制風(fēng)險較明挖法大。

3 基坑支護設(shè)計的優(yōu)化

3.1 基坑概況及支護優(yōu)化思路

本項目基坑深度約為16.90m，屬于深基坑，支護結(jié)構(gòu)安全等級為一級，支護結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.10。基坑大開挖采用放坡+土釘墻支護方式，坡度系數(shù)為1.00，由上至下坡高分別為4.80m和6.90m，平臺寬度分別為2.00m和5.00m，基坑坡頂設(shè)計超載值20.00kPa，基坑內(nèi)、外側(cè)降水深度為17.50m。箱涵內(nèi)開挖深度約為5.30m，采用鋼筋混凝土地下連續(xù)墻支護并兼做箱涵側(cè)墻，地下連續(xù)墻槽寬約6.00m，高度為23.50m，墻厚1.00m，嵌固深度18.20m，連續(xù)墻頂設(shè)置冠梁，冠梁高1.30m，寬1.20m，混凝土強度均為C50。箱涵內(nèi)設(shè)內(nèi)支撐，內(nèi)支撐采用φ508×12mm鋼管，材質(zhì)為Q345B鋼材，鋼管內(nèi)支撐每根間距為6.00m。

考慮到地下連續(xù)墻嵌固深度較大，基坑支護設(shè)計優(yōu)化在采用明挖法施工方案時不對箱涵內(nèi)進行內(nèi)支撐的假設(shè)條件下運用理正深基坑計算軟件對支護結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性進行驗算，以此來驗證該種優(yōu)化方案的可行性。

3.2 各土層參數(shù)

表1

3.3 支護結(jié)構(gòu)參數(shù)（見表2）

表2

3.4 整體穩(wěn)定性驗算

計算方法：瑞典條分法；應(yīng)力狀態(tài)：有效應(yīng)力法；條分法中的土條寬度：0.50m。

滑裂面數(shù)據(jù)：圓弧半徑（m）R=31.575；圓心坐標 X（m）X=3.635；圓心坐標 Y（m）Y=13.265。

整體穩(wěn)定安全系數(shù)Ks=1.68＞1.35，滿足規(guī)范要求。

3.5 嵌固穩(wěn)定性驗算

本工程基坑支護為懸臂式支擋結(jié)構(gòu)，安全等級為一級，其嵌固深度（ld）應(yīng)符合嵌固穩(wěn)定性要求，即：Epk·apl/Eak·aal≥1.25。

經(jīng)理正深基坑計算軟件計算，Epk·apl/Eak·aal=1.60＞1.25，滿足規(guī)范要求。

3.6 嵌固深度計算

依據(jù)《建筑基坑支護技術(shù)規(guī)程》（JGJ 120-2012），嵌固深度對于懸臂式支護結(jié)構(gòu)ld不宜小于0.8h，即嵌固深度構(gòu)造長度ld≥13.520m。

本工程地下連續(xù)墻嵌固深度為18.20m，滿足規(guī)范要求。

3.7 嵌固段基坑內(nèi)側(cè)土反力驗算

Ps=4194.272≤Ep=6815.179，土反力滿足要求。

式中：Ps為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的基坑內(nèi)側(cè)土反力合力（kN）；

Ep為作用在擋土構(gòu)件嵌固段上的被動土壓力合力（kN）。

3.8 根據(jù)以上驗算可知，當采用明挖法施工方案，不對箱涵內(nèi)進行鋼管內(nèi)支撐而僅依靠地下連續(xù)墻作為支護結(jié)構(gòu)時，其支護結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求。即，該優(yōu)化方案可行。

4 施工方案的確定

綜上所述，對比分析明挖法施工方案和暗挖法施工方案在本工程的適用特點，并考慮取水箱涵布置特點、施工均衡及便于施工管理的要求，在對基坑支護方案進行優(yōu)化的基礎(chǔ)上，明挖法施工方案在本工程中的適用優(yōu)勢較為明顯。但考慮取水箱涵上部有擬建鐵路穿過，為避免交叉施工造成的相互影響，綜合確定本工程方案如下：

將取水箱涵劃分為東段、鐵路段、西段三個施工區(qū)段，長度分別約為280m、100m、298m。三個施工區(qū)段的施工順序為先施工鐵路段，再施工西段，最后施工東段。其中，鐵路段采用蓋挖法施工方案，西段和東段采用明挖法施工方案，采用明挖法施工時，取消箱涵內(nèi)的鋼管內(nèi)支撐。各段施工工序按照前面分別按照明挖法、暗挖法的施工工序進行。

5 結(jié)語

在施工階段因時制宜、因地制宜的選擇施工方案可以提高工效，節(jié)約工期和成本；在設(shè)計階段合理的優(yōu)化設(shè)計方案，可以簡化施工工序、提高資源的利用率和節(jié)省工程造價。隨著科技的進步和施工工藝水平的提高，項目施工管理已經(jīng)由粗放型管理模轉(zhuǎn)變?yōu)榫毣芾砟Ｊ?，對施工安全、質(zhì)量、成本和進度等目標控制的要求也越來越高。對于企業(yè)來講，只有在基于理論研究和實踐驗證的基礎(chǔ)上不斷進行創(chuàng)新和優(yōu)化，才能使預(yù)期效益最大化，才能滿足精細化管理的要求，才能提高企業(yè)在行業(yè)內(nèi)的競爭力。

[1]謝仁德.蓋挖法和明挖法施工技術(shù)及優(yōu)缺點比較[J].地鐵與輕軌，1992.

[2]蕭巖，汪波，王光明.蓋挖法和蓋挖法施工[J].市政技術(shù)，2004.

[3]喬穩(wěn)慶.深基坑排樁支護結(jié)構(gòu)中鋼支撐性能研究[J].建材與裝飾，2017.

[4]吳小濤，周文，等.地下連續(xù)墻深基坑支護結(jié)構(gòu)中鋼支撐性能研究[J].廣西大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015.