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基坑工程与地下工程高效节能、环境低影响及可持续发展新技术

404 2020-12-03 08:57:41


基坑工程与地下工程

高效节能、环境低影响及可持续发展新技术

王卫东




摘  要


摘要:随着我国基坑工程和地下工程的建设规模和难度不断增大,基坑工程和地下工程相关技术取得了长足的进步。文章聚焦于近年来我国在高效节能、环境低影响、智能化控制及超深的基坑工程与地下工程方面的新技术的回顾与总结。在基坑工程领域,总结相关理论和方法、超深围护新技术、高效节能支护技术、环境低影响技术、智能化控制技术。在隧道工程领域,总结隧道失稳破坏模拟方法、地面出入式盾构隧道技术、类矩形盾构隧道技术、深层盾构隧道技术等。在地下工程预制装配式技术领域,总结预制装配式地下车站的研究和预制拼装结合现浇叠合拱壳的无柱大跨地铁车站建造技术的研究。以期藉此促进这些可持续发展的新技术的深入发展和应用。


关键词:基坑工程;地下工程;隧道;环境低影响;智能化控制




目  录


1、基坑工程新技术

1.1理论与方法

1.2超深围护新技术

1.3高效节能支护技术

1.4环境低影响技术

1.5智能化控制技术


2、盾构隧道工程新技术

……

3、预制装配式地下车站技术

……

4、发展展望


以下为原文节选

(1、基坑工程新技术,4、发展展望)




引  言

“十三五”期间,我国城市基础建设进入全新纵向立体化开发与利用阶段。城市地下空间作为新型国土资源已成为世界性发展趋势,并以此为衡量城市现代化的重要标志。北京、上海、天津、重庆、广州、深圳等大城市近年来地下空间开发进入加速发展阶段。以上海为例,目前地下空间规模已超过7000万m2,并以每年约600万m2的速度增长。大规模城市地下工程如高层建筑地下室、地下商场、地下停车场、地下变电站、大型排水及污水处理系统等得到快速发展。另一方面,城市轨道交通建设也如火如荼,截至2019年1月,我国已有超过30个城市开通了地铁,其中上海、北京、广州地铁运营里程分别达到705km、636km、478km。地铁、越江通道等地下交通已成为地下空间开发的另一重要方面,在缓解城市日益突出的交通拥堵方面发挥重要作用。与此同时,一些特大城市如上海、北京等浅层地下空间开发利用也逐步趋于饱和,正向利用中层、拓展深部地下空间方向发展。


在基坑工程领域,我国已迈入了跨越式发展阶段。一方面,基坑工程的规模越来越大,例如上海西岸传媒港及梦中心项目,由9个地块组成“九宫格”,基坑总面积约15万m2;南京江北新区CBD一期工程,包含24个地块,基坑总面积30万m2。另一方面,基坑工程向超深方向发展,例如上海国际金融中心,基坑普遍区域挖深26~28m,最大挖深达33m;上海苏州河深隧调蓄工程设8个工作竖井,挖深达45~72m。与此同时,城市环境条件日趋复杂,基坑周边建筑物密集、地铁纵横交错、管线繁多,基坑工程需满足严格的变形控制要求。伴随着一系列规模庞大、复杂度大、难度高的基坑工程的顺利实施,近年来我国深基坑工程的设计和施工技术水平取得了长足的进步。




在城市地下隧道建设领域,我国已成为盾构法技术应用最为广泛的国家,且近年来在隧道尺度的扩展、新型盾构技术及装备研发、隧道可持续发展等方面都不断取得突破。“超大、超长、超深”已成为国内隧道发展主流趋势。目前直径15m以上的超大直径盾构隧道已屡见不鲜,如上海北横通道隧道盾构直径为15.56m、深圳春风路隧道盾构直径达15.8m;大量越江盾构隧道长度也越来越大,如武汉长江隧道长3.6km、南京扬子江隧道长7.63km;与此同时,深层隧道研究和应用也已提上日程,广州和上海的深层调蓄工程试验段隧道埋深分别达到了40m和60m。为满足工程需要,新型盾构施工装备和技术得到了快速发展。


基坑工程和地下工程领域很多传统技术存在较多弊端,如工业化程度低(表现为施工效率低、作业条件差、质量不易控制)、环境影响严重(表现为泥浆排放量大,施工时变形和振动影响大)、能源和资源消耗大、难以适应超深的发展需求及各种复杂地层条件、智能化程度低等。这与我国提倡维护生态环境安全、降低能耗的可持续发展理念不相协调。近年来我国研发和应用了很多可持续发展的新技术,显著促进了基坑工程和地下工程的技术进步。因此,本文聚焦于近年来我国在高效节能、环境低影响、智能化控制及超深的基坑工程与地下工程(包括盾构隧道和预制装配式地铁车站)方面的新技术回顾与总结,以期藉此促进这些可持续发展新技术的深入发展和应用。





基坑工程新技术


深基坑工程是一门涉及工程地质、土力学、结构力学、施工技术、施工装备等多科学的综合学科,也是一门非常复杂的学科。我国基坑工程领域的科研和工程技术人员面对基坑工程规模越来越大、复杂度越来越高、难度越来越大的挑战,开展了相关理论、设计、施工装备和施工技术研究,近年来发展出了一系列可持续发展的新技术。这里首先阐述基坑工程在理论与方法方面的进展情况,然后总结针对超深基坑工程发展起来的超深围护新技术,并进一步阐述在高效节能、环境低影响、智能化控制方面新技术进展情况。


1.1 理论与方法

基坑工程除了要保证本身的安全外,还要保证周边环境的安全,因此涉及基坑工程本身的安全控制和开挖对周边环境影响的评估及控制。近几年基坑工程在理论方面的研究持续进展,这里仅以基坑工程局部破坏引发的整体安全研究和软土深基坑环境影响分析方法为例,阐述在理论和分析方法方面的进展情况。


1.1.1基坑工程局部破坏引发的整体安全研究

深基坑工程具有较强的不确定性和复杂性,但目前仍沿用传统设计理论,没有考虑支护结构整体的鲁棒性和冗余度,同时稳定分析理论也主要基于平面问题假定,不能反映实际工程中由基坑局部破坏沿其深度、宽度及长度方向的物理发展过程。目前基坑工程局部破坏、连续破坏及整体安全性能问题已引起越来越多学者和工程技术人员关注。Zheng等建议将冗余度设计理论引入基坑工程,并对基坑支护体系冗余度问题进行了分类,在此基础上初步提出了增强基坑支护结构体系冗余度的防连续破坏设计方法。相关学者开展了数值模拟及大型物理模型试验研究,初步揭示了悬臂式排桩支护、内撑式和桩锚式支护基坑的连续破坏的发展机理及自然终止机理,为进一步研究基于整体安全性能的基坑防连续破坏设计理论打下了基础。


在最典型的悬臂式排桩支护体系中,程雪松等的研究表明,围护桩局部破坏将在主动区土体中形成显著的土拱效应,将荷载传递至邻近未失效的围护桩上,从而导致其土压力及桩身内力迅速上升。在此基础上,Cheng等初步提出了连续破坏发生的判断标准,并利用大型物理模型试验实现了排桩局部破坏引发邻近排桩连续破坏的模拟,验证了连续破坏发生条件。在基坑连续破坏机理的影响因素研究方面,除了初始破坏范围、土体强度、冠梁等因素,围护桩嵌固深度对连续破坏荷载传递也有较大影响,嵌固深度越小,荷载传递系数越小,但局部破坏影响范围较大。


为进一步揭示复杂支护结构下基坑局部破坏对整体安全性能的影响及其引发连续破坏的机理,郑刚等通过模型试验,研究了局部破坏对钢支撑排桩基坑支护体系的影响,如图1所示。研究发现,局部破坏可引起邻近初始破坏区域的支护桩产生更大的附加内力,当支撑发生失效后,失效支撑释放的荷载无法相对均衡地转移至邻近多根未失效支撑上,而是集中作用在最近的某几根支撑上,可导致其受力过大而失效,继而引发大范围连续破坏。针对局部锚杆失效引起的基坑坍塌问题,李溪源采用有限差分软件和大型物理模型试验模拟了局部锚杆破坏后土体应力重分布和支护结构内力变化情况,揭示了局部锚杆失效时的荷载传递规律,并根据局部锚杆失效后支护桩弯矩增大或减小将影响区域划分为核心破坏区和边缘破坏区。


1.1.2软土深基坑环境影响分析方法

软土地区复杂环境条件下基坑工程的设计重心,已由支护结构强度控制,转到以基坑和周边环境变形控制为核心的设计方法上。评价基坑开挖对周围环境的影响主要有两种方法:经验分析方法和数值分析方法。经验方法的应用范围非常有限,比较适合于分析一般的浅基础建筑物,而对于分析基坑开挖对桩基础建筑物、有一定埋深的地铁隧道等的影响就无能为力。数值方法能模拟复杂的土层特征和开挖过程,能给出特定基坑随开挖的变形过程,在基坑工程中的应用取得了长足的进步,并已成为分析敏感环境条件下的深基坑工程最重要的技术手段。


数值分析中的一个关键问题是要采用合适的土体本构模型。虽然土的本构模型有很多种,但广泛应用于商业岩土软件的仍只有少数几种如线弹性模型、Duncan-Chang(DC)模型、Mohr-Coulomb(MC)模型、Drucker-Prager(DP)模型、修正剑桥(MCC)模型、Hardening Soil(HS)模型等。线弹性模型由于对拉应力没有限制而无法较好地模拟主动土压力和被动土压力,一般不适合于基坑开挖的数值分析。弹-理想塑性的MC或DP模型不能区分加荷和卸荷,且其刚度不依赖于应力历史和应力路径,应用于基坑开挖数值分析时往往会得到不合理的很大的坑底回弹,虽然这两个模型在有些情况下能获得一定满意度的墙体变形,但难以同时获得合理的墙后土体变形。能考虑软黏土硬化特征、能区分加荷和卸荷且其刚度依赖于应力历史和应力路径的硬化类弹塑性模型如HS模型和MCC模型,相对而言能给出较为合理的墙体变形及墙后土体变形情况,但由于不能考虑土体小应变的特性,所得出的墙后地表沉降的影响范围往往偏大。


二十世纪七十年代以来,学者们意识到土在小应变范围内的应力-应变关系对预测土体的变形起着十分重要的作用。Atkinson和Stallfors将土体应变定义为微小应变(≤0.001%)、小应变(0.001%~1%)和大应变(>1%)三个范畴。Callisto和Rampello的研究表明,土体刚度随着应变水平增加呈现明显的非线性衰减特性,其衰减程度受应力水平、应力路径、应力主轴方向等因素影响。研究表明,能反映土体在小应变时变形特征的弹塑性模型应用于基坑开挖分析时具有更好的适用性,因此当需分析基坑开挖对周边环境影响时,宜采用能反映土体小应变特性的弹塑性本构模型。


很多学者提出了能表征土体小应变特性的本构模型,如Jardine模型、块串模型(Brick on stringsmodel)、MIT-E3模型、HS-Small模型等,其中在大型商业岩土软件中应用的主要有MIT-E3模型和HS-Small模型。王卫东等结合上海多个场地的典型软土开展了大量室内试验和现场波速测试,较系统地研究了上海典型软土在大应变范围内的压缩变形和剪切变形特性以及小应变特性(图2),并在此基础上,结合大量基坑工程实测数据反演分析,提出了HS-Small本构模型全套参数的确定方法。


李靖、张娇和徐中华等建立了多个基坑工程考虑土与共同作用的三维有限元模型,采用能考虑土体小应变特性的HS-Small模型分析了基坑开挖对邻近浅基础建筑物、桩基础建筑物(图3)、地铁隧道等的影响,得到了与实测数据较为一致的结果,验证了参数的合理性。该套参数确定方法已纳入新修编的上海市标准《基坑工程技术标准》(DG/TJ 08-61—2018),为数值分析采用HS-Small模型并确定合理的参数提供了参考。



1.2 超深围护新技术

随着基坑工程向超深方向发展,一般的围护桩(墙)施工设备已无法满足工程的需要。近年来,随着工程实践需要的推动和施工装备的技术进步,发展了一些超深围护技术。这里以超深地下连续墙技术和超深等厚度水泥土搅拌墙技术为例,阐述超深围护新技术及工程应用情况。


1.2.1超深地下连续墙技术

地下连续墙是深基坑工程中最佳的挡土止水结构之一,随着城市地下空间开发朝大深度方向发展,地下连续墙亦有越来越深的趋势,且穿越的地层也越来越错综复杂。一般50m以上深度的地下连续墙可称为超深地下连续墙。如南京世贸中心基坑挖深20m,为保护邻近地铁,地下连续墙深度达到60m;上海13号线淮海中路站基坑挖深30m,地下连续墙深度达到71m。复杂地层中的超深地下连续墙施工涉及成墙工效、接头形式、槽壁稳定与垂直度控制等一系列难题。新型施工装备(如铣槽机)及新型接头技术为超深地下连续墙的施工提供了有效手段。


铣槽机是目前最先进的地下连续墙成槽机械,成槽时通过安装在铣轮上不同形状和硬度的铣齿来切削地层,将泥土和岩石破碎成小块,与槽段中的泥浆混合后,通过排泥回浆泵和泥砂分离系统处理回收泥浆,处理后干净的泥浆重新抽回槽中循环使用,直至终孔成槽。铣槽机地层适应性强,淤泥、砂、砾石、卵石、中等硬度岩石均可铣削。国产SX50双轮铣槽机(图4)采用大扭矩铣头、大通径气举排渣,根据地层配置不同刀盘,成槽深度可达80~120m,目前工程中最大实际施工深度已达到80m。进口宝峨MC128双轮铣槽机最大成槽深度可达150m,通过自动测斜控制手段随挖随纠偏,垂直度可达1/1000。

图4 国产SX50双轮铣槽机


超深地下连续墙接头可采用H型钢接头方式,施工时分为先行槽段和后续槽段,先行槽段的钢筋笼两端为H型钢,与钢筋焊接成整体,后续槽段可设置接头钢筋深入到接头的拼接钢板区。这种接头形式没有无筋区域,止水性能良好,且整体性好。超深地下连续墙也可采用套铣接头,即利用铣槽机在二期槽段成槽过程中直接切削一期槽段的混凝土,每侧切削长度一般为200~300mm,露出新鲜、粗糙的混凝土面,从而形成止水良好、致密的地下连续墙接头。

图5 宝峨MC128双轮铣槽机


在上海苏州河段深层排水隧道系统工程(试验段)云岭西项目场地内开展了超深地下连续墙成槽试验,成槽深度150m,墙厚1.2m。该工程地层复杂,浅层淤泥质黏土流塑性较高,其下粉砂层中的粉砂颗粒难以被泥水系统处理,此外还涉及上海地区第二、第三承压水层,施工难度大。采用宝峨MC128双轮铣槽机成槽,每幅宽度2.8m。采用套铣接头,一、二期槽段套铣搭接长度300mm。三幅试验槽段的实测垂直度均小于1/1000,最小的达到1/3765。各项试验参数均符合预期,成槽工效、垂直度、混凝土强度等指标均满足设计要求,且施工中的实测表明超深地下连续墙成槽对周边环境影响微小,具备良好的应用效果。



1.2.2超深等厚度水泥土搅拌墙技术

随着基坑工程向超深方向发展,以上海、天津、武汉、南京为代表的沿江沿海地区深基坑工程面临严峻的深层地下水控制问题。超深等厚度水泥土搅拌墙技术为深大基坑工程深层地下水控制提供了新对策,该技术根据不同成墙工艺可分为渠式切割水泥土搅拌墙技术(TRD工法)和铣削式水泥土搅拌墙技术(SMC工法),这两项技术各具特点,可应对不同工程需求,相比传统的水泥土搅拌桩和混凝土地下连续墙隔渗技术,其适应地层广、隔渗性能好、成墙工效高、工程造价低,是一项节能降耗的新技术。


渠式切割水泥土搅拌墙技术(TRD工法)通过链锯型刀具插入地基至设计深度后,全深度范围对成层地基土整体上下回转切割喷浆搅拌,并持续横向推进,构筑成连续无缝的等厚度水泥土搅拌墙。在国内多个地区应用表明,该工法可适用于软黏土、标贯击数100以内的密实砂土、粒径10cm以内的卵砾石及单轴抗压强度不超过10MPa的软岩等地层。TRD工法成墙厚度介于550~900mm,深度可达70m,垂直度可达1/300以上,成墙均匀性好,强度高(1~3MPa),抗渗性好(可达10-7 cm/s量级)。TRD工法施工设备最大高度不超过12m,机架重心低、安全稳定性好,可满足城市低净空环境的施工需求。


 TRD工法原理



TRD工法机




公众号:TRD工法网




铣削深搅水泥土搅拌墙技术(SMC工法)通过钻具底端的两组铣轮轴向旋转竖向掘削地基土至设计深度后,提升喷浆搅拌形成一定宽度水泥土墙幅,并通过对相邻已施工墙幅的铣削作业连接构筑成等厚度水泥土搅拌墙。国内多个地区实践表明,该工法可适用软黏土、密实砂土、粒径20cm内的卵砾石和单轴抗压强度达20MPa的岩层等多种地层。SMC工法成墙厚度介于640~1200mm,导杆式设备最大施工深度可达60m,悬吊式设备可达80m,垂直度可达1/500。铣削搅拌成墙质量高,强度可达1~5MPa,渗透系数可达10-7 cm/s量级。相比TRD工法,SMC工法对于高标贯击数的密实砂土、大粒径卵砾石、岩石等复杂地层以及多转角墙幅的施工具有更好的适用性。进口机型包括导杆式和悬吊式,其中导杆式最大施工深度约45m,悬吊式最大施工深度可达80m。导杆式设备虽机架高度较高,但钻具主要重量均位于铣削钻头,整机重心低,安全稳定性较好。

CSM工艺原理



导杆式 CSM工法主机

悬挂式 CSM工法机




公众号:CSM工法



TRD工法,SMC工法施工设备及墙体实景图


TRD工法已在上海、武汉、天津、南京等地区逾百项基坑工程中应用,在上海张江硬X射线自由电子激光装置5号工作井项目中,采用TRD-80E型工法机成功实施了70m超深墙体。


SMC工法也已在上海、武汉、广州、苏州等十余个地区逾五十项基坑工程中应用,SMC工法导杆式设备在南京2014G34地块项目中最大成墙深度达63m,悬吊式设备在上海徐家汇中心项目中最大成墙深度75m。


TRD工法和SMC工法可进一步推广应用于垃圾填埋场污染液隔离、软基处理等领域,也为型钢水泥土搅拌墙技术发展提供了新对策,水泥土搅拌墙内插大刚度预制构件或组合钢构件将成为发展装配式围护结构的方向。


1.3 高效节能支护技术

目前基坑工程大多采用临时支护结构,钻孔灌注围护桩施工产生大量废泥浆且施工质量不易控制,围护桩和锚杆在使用后即被废弃在地下形成障碍物,钢筋混凝土支撑拆除浪费大量的人力物力,发展高效节能的基坑支护技术具有迫切的需求。这里以桩墙合一技术、预应力预制支护桩技术和装配式大跨度预应力钢支撑技术为例,分别阐述在围护桩墙方面和支撑方面的高效节能支护技术及其应用。


1.3.1桩墙合一技术

桩墙合一技术是利用原本在基坑工程结束后就废弃的围护排桩作为永久使用阶段主体地下结构的一部分,分担永久使用阶段的荷载。根据其分担荷载的不同,可分为仅分担水平向荷载的水平向结合和同时分担水平和竖向荷载的双向结合。得益于围护排桩在永久使用阶段的贡献,可减少主体地下结构外墙的厚度,并减少边桩的投入,同时增加地下室建筑面积。相比地下连续墙,围护排桩在基坑工程中的应用更广(据不完全统计,全国约半数的基坑采用排桩作为周边围护墙)、总体量更大,桩墙合一技术的推广应用可以节约大量社会资源,具有显著的经济和社会效益。

由于围护排桩为离散结构,作为永久地下室侧壁需另行设置防水外墙,此外围护排桩与地下室外墙之间为线接触,其受力特性和荷载分担模式较为复杂,设计、施工相比两墙合一在某种程度上更为复杂。王卫东等提出了桩墙合一水平向结合的设计计算方法和典型节点构造;胡耘等等分别采用工程实测和数值模拟的方法研究了桩墙合一结构体系的受力特性和荷载分担模式,桩墙之间的荷载分担比例大于桩墙抗弯刚度的比值。


相比于临时围护结构,桩墙合一围护排桩作为永久结构的一部分及防水保温层的施工基础,对成桩质量、定位、垂直度、平整度等提出了更高要求,全套管长螺旋钻孔压灌桩、旋挖成孔灌注桩等工艺更适合桩墙合一围护排桩施工。基坑开挖至基底后,以围护排桩表面的挂网喷浆层作为施工防水及保温层的基层,之后单侧支模施工地下室外墙,形成桩与墙共同作用的挡土止水地下室侧壁,满足永久使用阶段建筑防水、保温等功能的要求。


桩墙合一技术已在多个地区、不同类型和规模的十余项工程中应用,基坑面积从3200m2到46000m2不等,基坑挖深从5m到19m不等,所涉项目包括商业建筑、公共设施、交通枢纽等,带来了良好的经济效益,例如虹桥商务区08地块两个街坊采用桩墙合一设计节省直接工程造价约950万元。


1.3.2预应力预制支护桩技术

预应力预制桩在工程中主要作为工程桩,作为基坑围护桩应用则存在不足之处,这主要是由于常规预制管桩或方桩只配备了预应力钢筋,抗弯能力较低,桩身延性较差,易发生脆性破坏。采用混合配筋的预应力管桩或空心方桩则可以显著改善桩的性能。理论计算和抗弯承载力试验均证明,混合配筋桩的极限弯矩随着综合配筋率的提高而增大,且存在较强的相关性,增加一倍配筋率,混合配筋桩的极限抗弯承载力提高约30%,延性提高10%~30%。在水泥土搅拌桩内插入混合配筋的预应力预制支护桩可形成挡土止水的复合支护结构。相同抗弯刚度的前提下,预应力预制桩只消耗钻孔灌注桩30%~50%的钢材和25%~30%左右的混凝土,节约造价约25%以上。该技术在天津诚悦嘉园、蚌埠第一人民医院医技楼等工程中应用,取得了良好的技术经济效果。


进一步地,将预制支护桩进行一定角度的倾斜,可形成倾斜支护桩。模型试验和数值分析表明,在其他条件相同的情况下,单排倾斜桩的变形控制能力和抗倾覆能力要优于竖直悬臂直桩。且随着倾斜角度的增大,斜桩效应越明显。若利用冠梁将倾斜桩与悬臂直桩进行连接,可形成基坑斜-直交替支护体系。对于深度在6~12m的大面积基坑以及用于建设综合管廊的长条形基坑,在满足基坑变形要求的前提下采用倾斜预制桩支护体系可实现无水平支撑支护,可加快施工速度,进而实现基坑的工业化施工。


1.3.3装配式大跨度预应力钢支撑技术

传统钢支撑杆件一般较密集,挖土空间较小,在一定程度上降低了挖土效率。装配式大跨度预应力钢支撑现场装配螺栓连接,无需焊接;大大增加了挖土空间,显著缩短基坑施工工期;材料全部回收重复使用;避免大量钢筋混凝土等建筑材料的使用和废除,显著降低了基坑支护的造价;是一种高效节能的绿色支撑技术。装配式大跨度预应力钢支撑包括鱼腹式钢支撑、组合式钢支撑两种形式。


组合式钢支撑体系由钢围檩、水平组合型钢支撑、钢立柱和立柱桩组成,构件间通过高强螺栓进行连接。钢围檩是协调支撑与围护桩结构间受力与变形的重要构件,典型的钢围檩由两根HW400×400型钢组成。水平组合型钢支撑是最重要的受力构件,典型组合型钢支撑由HW400×400或HW350×350组成,可根据设计计算确定每榀支撑上的型钢拼装根数,并通过槽钢和盖板将每榀几根平行的型钢横向连接起来,提高支撑截面的整体性能。施工时,对型钢组合支撑施加预应力,即可消除装配时的缝隙,还可以有效发挥支撑刚度,减小围护桩(墙)的变形量,达到控制基坑变形的目的。


鱼腹式钢支撑体系在组合式钢支撑体系的基础上增加了鱼腹梁,该支撑体系使用螺栓装配,通过对鱼腹梁下弦的钢绞线、对撑和角撑杆件施加预应力,实现对基坑支挡结构的变形控制,同时由于采用大跨度鱼腹梁构件(目前最大跨度52m),将它水平支顶在基坑围护墙上,形成支撑之间的巨大空间,可大大减少土方开挖的工期和费用。


装配式大跨度预应力钢支撑技术已在上海、江苏、浙江、安徽、广东等地区超过100项工程中应用,所应用的基坑最大面积达4.5万m2,最大挖深达到22m,对撑最大长度达到190m,应用技术经济效果良好。


1.4环境低影响技术

基坑工程和地下工程施工不可避免地会产生环境影响,包括对城市环境的影响(如振动、噪声、变形等)和对生态环境的影响(如泥浆排放污染环境等)。这里以免共振微扰动沉桩技术和泥浆固化处理技术为例,分别阐述在沉桩方面减小对城市环境的影响和减少对生态的影响的技术。


1.4.1免共振微扰动沉桩技术

城市密集建筑环境条件下的建设、既有建筑改造、既有建筑地下空间开发等逐步成为中心城区功能提升的主要手段,桩基施工面临着场地狭小、紧邻建筑等难题。常规的地下连续墙、旋挖桩、SMW工法桩等,由于施工设备较大而受到限制。另外,传统桩基施工还存在工艺上的不足,如钻孔灌注桩易产生大量废泥浆、施工质量难以保证;预制PHC管桩沉桩易产生挤土、噪音等问题,传统桩基工艺在中心城区环保要求日益提高的条件下不能满足施工需要。新型沉桩技术—免共振微扰动沉桩技术可替代传统的钻孔灌注桩或锤击(或静压)预制PHC管桩施工工艺,应用于基坑围护桩或工程桩,适用于狭小空间的施工,还可避免泥浆排放、振动、噪音等环境问题,大幅减少对周边建(构)筑和管线等的影响。


免共振微扰动沉桩与普通沉桩工艺最大的区别就是前者施工时采用高频免共振振动锤,该振动锤中的两组偏心块组可在启动和关闭时调节振动锤的偏心组块的相位差来抵消激振力,即其偏心力矩被关闭,此时振动锤振幅为零,从而可避开机械本身和土体的共振频率;一旦振动锤达到其操作频率时就可以重新开启偏心力矩,且振动锤振幅可以在0到100%之间自由调整,可以保证最大振动值和峰值振速不会超标。


免共振微扰动沉桩包括自行式导架打设方法和吊打打设方法,其中自行式导架打设方法垂直度高,但是操作空间需求大,沉桩综合效率较低;吊打打设方法垂直度控制难度大,但是操作空间需求小,沉桩综合效率高。高频免共振振动锤设备ICE-70RF平面尺寸仅2883mm×985mm,高度仅2835mm,非常适合在紧临建构筑物等中心城区施工空间受限区域进行施工。免共振振动锤通过振动锤上设置的自动提桩设备进行喂桩,减少了提桩对桩时间,并提高了施工安全度;此外,通过配合相应的夹具,还可用于钢管桩、钢板桩、型钢、PHC管桩等不同形式桩基的施工。


上海S3高架桥桩基施工应用了免共振微扰动沉桩技术,钢管桩直径700mm、桩长43m,周边土体位移测试表明,沉桩时土体水平位移及沉降均在3mm以内,土体振动速度峰值为4.7mm/s,对环境影响很小。



上海国家会展中心北区场馆改造项目需要在展厅内部补打工程桩,对工期和振动、泥浆等环境保护要求高,采用了免共振微扰动沉桩技术,钢管桩直径700mm、桩长50~60m,单桩沉桩时间约30min。周边土体测试表明,土体振动速度峰值仅为3mm/s。



1.4.2泥浆固化处理技术

钻孔灌注桩和地下连续墙是基坑工程中最为常用的支护形式,据统计两者在成孔和浇筑过程中产生的泥浆量约为自身体积的2~3倍以上。随着地下工程建设的不断深入,产生的废弃泥浆越来越多,严重危害生态和城市环境安全。因此,研发高效、集成式废弃泥浆处理方法成为绿色土木发展的必然要求。


李耀良等研发了废弃泥浆固化处理及再利用方法及相关设备。该系统通过无毒无味的聚丙烯酰胺将废浆絮凝后,通过重力进行初步脱水,之后废渣通过压滤装置自动进行渐进式蠕动挤压工艺脱水后,形成泥饼送到集土坑。整个工艺流程一次连续性完成,不需间断操作,系统每小时可生产15~20m3泥饼,含水率低于30%,可直接外运也可用于回填和制砖之用。而泥浆中脱出的水能够达到国家二级排放标准且能供固化系统自身循环利用,并可循环用于新浆拌制、冲洗道路、混凝土养护等施工现场的使用,基本解决了废弃泥浆外运对环境造成污染的难题。


解决废弃泥浆污染一方面要加强技术研发和施工管理,在施工过程中减少泥浆排放;其次对废弃泥浆尽量采用高效、低能耗的处理设备及工艺,加快泥浆处理速度;同时在地下工程建设中还应更加关注对泥浆处理物的再利用,充分发挥废渣的作用,力争实现泥浆零排放。泥浆固化处理系统为基坑工程和地下工程(主要是盾构隧道)废弃泥浆治理提供了示范。


1.5 智能化控制技术

基坑工程和地下工程中的围护桩(墙)、工程桩、土体加固等均为隐蔽工程,随着工程往深、大方向发展,对超深桩、墙等地下构件施工质量的要求越来越高。传统通过人工为主进行干预控制的施工方式已无法满足超深工程的需求,智能化施工控制技术成为设备发展的重要和必经方向。通过智能化控制对实施过程中各种数据进行实时连续监控,并根据监控情况自动调整,从而提高施工质量和工效。近几年国内应用的超深地下连续墙、超深等厚度水泥土搅拌墙、深层水泥土搅拌工法等设备均实现了智能化控制。这里以后两者为例,阐述智能化控制技术及其应用。


1.5.1超深等厚度水泥土搅拌墙SMC工法

目前等厚度水泥土搅拌墙SMC工法悬吊式设备施工深度已达80m,为确保超深墙幅的有效搭接,墙幅施工质量和垂直度控制是关键。水泥土墙幅施工过程中,铣削头内配制的各类传感器将施工各方面数据实时反馈至控制界面,可全方位监控喷浆量、铣头掘进和提升速度、铣头偏斜角度、铣轮压力和转速、墙幅施工深度和双向垂直度等数据。水泥浆液在后台输入参数后自动进行拌制,只需喷浆量达标即可保证水泥用量满足要求。墙幅施工期间可自动即时测斜纠偏,确保墙幅的施工精度。在上海徐家汇中心项目中,采用超深水泥土搅拌墙作为隔水帷幕,搅拌墙最大施工深度达75m(试成墙深度80m),墙厚1.2m,单幅墙宽2.8m,实施检测表明,墙身强度达0.8~1.2MPa,垂直度达1/900,保障了80m深墙底的有效搭接。


1.5.2 DCM深层水泥搅拌工法

近年来,深层水泥搅拌技术(deep cement mixing method,DCM工法)成为软土地基处理的重要方法,该技术是将特制的深层搅拌机深入到软土中,沿竖向将水泥浆与地基土就地强制拌合,形成大截面的水泥土加固体,可应用于护岸、人工岛、海底管涵、隧道等工程的地基加固,适用于黏性土、砂性土、有机质土等地层。DCM深层水泥搅拌系统由DCM处理机、水泥制浆和供浆系统、施工管理系统等组成,具有超强的钻孔扭矩及超载能力,施工时噪音低,对周边环境影响小。该系统已实现了国内自主研制,其中水泥制供浆系统和施工管理系统均实现了智能化控制。水泥制供浆系统由水泥自动配料系统和泵浆系统组成,具有全自动显示管理界面,可对进水量、水泥用量、附加剂量和水泥配比等一系列工作进行自动化显示及控制。施工管理系统是DCM施工的核心,实现了DCM打桩施工控制的全自动化、施工参数可视化监控、存储打印以及发生参数异常或故障时的报警等功能,有效提高了施工效率,并确保施工过程中搅拌桩桩径、深度等各项指标精确控制。


在香港国际机场第三跑道项目中,采用DCM深层水泥搅拌工法进行海洋软土地基加固处理,DCM设备配置3组钻头,每组钻头配置4根钻杆,一次可施工3组4根矩阵布置的直径1300mm的搅拌桩(间距1000mm),单组DCM桩截面尺寸达2.3m×2.3m,日处理有效桩长约14m的DCM桩数量最高达10组30根(地基处理量约2400m3),通过施工过程的智能化控制提高了施工工效,并保障了施工质量。




发展展望


(1)展望我国基坑工程和地下工程的发展,其建设规模和难度将继续增大,虽然近年来基坑工程和地下工程相关技术取得了长足的进步,未来仍需要加强在高效节能、环境低影响、智能化控制等方面的新技术研发和推广应用,从而满足超深以及各种复杂条件工程的需要,减小环境影响,提升工程质量,促进基坑工程和地下工程的可持续发展。


(2)完善设计计算理论和方法。随着基坑工程和地下工程向大深度方向发展,已有计算理论和方法已不能完全满足工程实践需要。开展超深地层水土压力特性研究和土与结构共同作用研究,同时加强对土的相关参数研究,提高原位测试水平并重视从原位测试结果中确定合理的计算参数,完善基坑工程和地下工程的计算理论和方法,从而更有效地指导工程设计。


(3)进一步发展并推广预制装配式技术,包括基坑工程、隧道工程和地铁车站建造领域,通过系统研发达到预制装配式技术应用的标准化设计、工厂化生产、装配化施工和信息化管理的目标,大幅减少泥浆排放,提高施工效率和质量,实现基坑和地下工程工业化。


(4)进一步开发新型施工装备。基坑工程和地下工程的不断发展,在很大程度上取决于工程机械装备的不断进步,伴随“中国制造2025”国家战略的实施,工程机械装备行业有望为基坑工程和地下工程提供精度高、质量可靠、适应性强、施工效率高、智能化和可视化的施工设备,为各类高难度和高复杂度的深基坑工程和地下工程施工提供装备和技术保障。


(5)推广自动化监测和远程监控的信息化施工技术。未来有望通过构架在因特网上的分布式远程监控管理终端,把建筑工地和工程管理单位联系在一起,形成高效方便的数字化信息网络;同时通过大数据分析,结合地质条件、设计参数及现场施工工况,对监测数据进行分析并预测下一步发展趋势,建议相应的工程措施,确保工程顺利进行,实现信息化施工。


我国幅员辽阔,各地工程地质和水文地质差异大,各地在基坑工程和地下工程领域取得了不同程度的技术进步。限于篇幅和作者的水平,无法面面俱到,本文仅针对高效节能、环境低影响、智能化控制及超深的基坑工程与地下工程的部分新技术作了回顾与总结,供同行参考。


稿源:《土木工程学报》

作者:王卫东

本文仅供学术经验分享之用

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