井筒式地下车库施工工艺选型

2018-09-10饶志红

建筑施工 2018年4期

关键词：沉井车库井筒

饶志红

上海广联环境岩土工程股份有限公司上海 200444

1 工艺简介

井筒式地下停车库是解决中心城区“停车难”问题较好的方案，其平面范围不大，但基础埋深较深，一般可采用如下2种施工工艺：采用基坑支护方式开挖施工；采用沉井方式施工。

1.1 基坑支护

采用基坑支护方式开挖地下立体车库一般需设置围护结构和支撑，围护结构一般可采用咬合桩、灌注桩＋止水帷幕、地下连续墙等。支撑体系一般采用混凝土支撑或钢支撑。如果土质条件为岩石等硬土层，则可以采用喷锚支护。各种围护形式简介及优缺点如下。

1.1.1 地下连续墙

对于开挖较深和周边环境保护要求较高的基坑，采用地下连续墙围护体形式，是一种传统和成熟的形式，地下连续墙常用厚度有0.6、0.8、1.0和1.2 m几种，可根据基坑深度和土质条件等情况综合确定[1]。

1）优点：地下连续墙止水效果良好，可以大大减少基坑施工中地下水渗漏问题；施工工艺成熟，成墙质量可靠，施工风险较小，占用空间也较小；墙体结构刚度大，对周边环境影响也较小，有利于保护周边环境。

2）缺点：地下连续墙围护结构相比于其他板式围护结构体造价较高，如采用两墙合一形式，围护造价有一定下降；地下连续墙施工阶段对周边环境影响稍大。

1.1.2 钻孔灌注桩＋止水帷幕

一般采用内侧布置钻孔灌注桩，外侧布置搅拌桩或旋喷桩等止水帷幕的形式，灌注桩桩径种类较多，可根据基坑深度和土质条件综合确定桩径和桩间距。

1）优点：造价较地下连续墙经济；施工工艺成熟；平面位置布置灵活，具有一定的刚度，随着桩径及桩长的增加，可有效地提高围护结构的刚度及基坑侧壁的稳定性，增加基坑工程的安全度。

2）缺点：当灌注桩刚度与相应的地下连续墙刚度相当时，整体安全性却不如地下连续墙，实际施工中，围护结构及周围地层变形也要比地下连续墙大；随着基坑开挖深度的增加，止水帷幕施工工艺要求会比较严格，止水效果会受到施工工艺、施工水平、结构刚度等限制而逐渐变差，所以目前在深基坑工程中应用较少。

1.1.3 咬合桩

咬合桩通常是采用钢筋混凝土桩和素混凝土桩间隔布置的排列方式，钻孔咬合桩在咬合后形成的无缝连续桩墙，兼作基坑挡土结构和止水帷幕。

1）优点：对周围环境影响小，对沉降及变形容易控制，由于有钢套管的保护，故能靠近临时建筑物、地下管线施工；全套管的跟管钻进，能顺利穿越饱和含水地层，有效地防止了孔内流砂、涌泥，并可进行嵌岩，施工较为安全、快捷，对桩身质量能较好地控制，保证了桩承载力；不需要再施工止水帷幕，同其他地下连续墙相比，采用咬合桩围护在造价上有一定优势。

2）缺点：围护刚度相对地下连续墙小；钻孔咬合桩所选用的机械设备体积较大，狭窄场地施展不开，此外，工地边界到边桩中心的距离也要求较大；对特殊超缓凝混凝土的质量稳定性要求极高，缓凝时间波动易造成咬合失败或偏孔较大；施工中桩钢筋笼顶、底标高定位问题较难控制，易出现较大偏差，灌注混凝土后，有时会发生钢筋笼上浮事故；一般施工单位缺乏经济实力购置多种直径的套管，因此咬合桩的桩径受限制。

1.1.4 喷锚支护

较深基坑的喷锚支护仅使用于硬土地区，喷锚支护的作用机理是：采用锚杆和喷射混凝土支护围岩。锚杆的主要作用是增强节理面和岩层间的摩擦力，增强岩块或岩层的稳定性。喷射混凝土的作用是加固围岩，防止岩块抬动、剥离或坠落。二者结合发挥围岩的自承能力。

喷锚支护也可以结合其他工艺共同使用，如上部软弱土质采用灌注桩＋支撑，桩底嵌入稳定岩石，下部岩石层采用喷锚支护。

1.2 沉井

沉井的施工方法是将位于地下一定深度的建筑物或建筑物基础，先在地表制作成一个沉井，然后在井壁的围护下通过从井内不断挖土，使沉井在自重作用下逐渐下沉，达到预定设计标高后，再进行封底，构筑内部结构。按制作方式不同，有现浇混凝土沉井、预制混凝土拼装分段沉井2种[2]。

沉井的挖土方式一般有2种，即传统工艺和VSM工艺。

传统工艺一般采用排水挖土工艺，挖土机辅助人工在坑底干作业条件下挖土，也可以采用不排水作业，并配备潜水员。

VSM工艺采用德国海瑞克公司开发的新型垂直竖井掘进设备（图1），井内无人施工，不排水下沉，该工艺在国外用于地下立体车库、污水井、隧道通风井等工程，已有50多个成功案例，最大深度可达165 m，但国内尚无先例，直径超过16 m的井筒国外也无案例，且国内目前也没有该设备。

图1 海瑞克VSM施工设备

2种工艺的优缺点对比如下。

1.2.1 传统工艺

1）优点：经济性较高；井体平面形状可采用圆形、矩形等，尺寸大小灵活可变；埋置深度可以很大，整体性强；沉井既是基础，又是施工时的挡土和挡水结构物，简化了施工。

2）缺点：施工时会引起周边土体和建筑下沉；施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等；施工技术要求高；施工工期较长。

1.2.2 VSM工艺

1）优点：采用不排水下沉，无需降低地下水位，对周边环境影响小；遥控操作，井内无人施工；施工速度快，结构沉放过程可控，建设的竖井精度高；可应对多种地层条件。

2）缺点：设备较贵，造价较传统工艺高；只能采用圆形沉井；目前设备能施工的最大直径为16 m，如需采用更大直径，还需对设备进行改进。

2 施工工艺选型分析

2.1 基坑支护与沉井对比

2.1.1 基坑支护

1）安全性：安全性较好，可根据不同土质条件选取相应的围护形式。

2）经济性：造价要远高于沉井，尤其是在土质软弱区域。

3）工期：前期存在围护桩施工、养护等工序，工期相对沉井要长。

4）施工方便性：工序相对沉井复杂，但施工工艺更加成熟。

2.1.2 沉井

1）安全性：传统工艺施工时周边地表沉降较大；VSM工艺地表沉降和基坑支护相当。

2）经济性：传统工艺造价要远低于基坑支护；VSM工艺造价较高，VSM在国内还无工程应用。

3）工期：工期相对较快。

4）施工方便性：工艺简单，但施工技术要求高；施工中易发生流砂造成沉井倾斜或下沉困难等。

2.1.3 对比结果

由此可见，基坑支护和传统沉井工艺主要差别在于经济性和安全性上，前者安全性好，造价高；后者经济性好，但安全性不如前者。而VSM工艺受到井筒大小限制，适用范围有限。

2.2 不同深度基坑支护造价对比

基坑支护适用性较广，任何环境情况及平面尺寸规模均可采用。下面以直径18 m、深度30 m和40 m的车库造价进行分析。

不同地质条件下围护做法会有很大的差别，本次分析以上海地区典型土层为例。

2.2.1挖深30 m

1）基坑支护选型：采用深62 m、厚1.2 m地下连续墙，竖向设置7道圆环支撑，经计算可满足上海市规范安全要求[3]。地下连续墙较深，建议采用铣槽机设备施工。基坑形状为圆形，水土压力很大部分通过地下连续墙自身的环向拱作用来承担，因此地下连续墙接头建议采用受力效果更好的铣接头。地下连续墙采用两墙合一形式，兼作车库永久使用阶段受力构件，车库地下室外墙建议采用叠合墙，可在地下连续墙内侧再行浇筑混凝土内衬墙。

2）造价：基坑支护及车库底板、内衬墙造价如表1所示。

表1 深30 m基坑支护造价

3）停车数量：停车库直径18 m，每层可停6辆车。每层停车高度按1.6 m考虑，扣除底板厚度后，可停车17层。因此，停车总数量为102辆。平均每个车位造价为12.9万元。

2.2.2 挖深40 m

1）基坑支护选型：采用深70 m、厚1.2 m地下连续墙，竖向设置11道圆环支撑，经计算可满足上海市规范安全要求。

2）造价：基坑支护及车库底板、内衬墙造价如表2所示。

表2 深40 m基坑支护造价

3）停车数量：停车库设置同挖深30 m基坑，扣除底板厚度后，可停车23层。因此，停车总数量为138辆。平均每个车位造价为12.7万元。

通过以上对比可知，经济性上，深30～40 m停车库，每个车位造价相当；但基坑深度增加后，风险、施工难度大大增加，工期也有一定增加。

2.3 车库平面形式对比

矩形井筒和圆形井筒停车库（图2），两者在经济性和使用便利性上各有优缺点。

图2 车库平面布置形式

2.3.1 经济性

对比21 m×7 m的矩形井筒和直径18 m圆形井筒，两者周围地下连续墙及内衬墙周长相同，但矩形井筒需在中部设置2道分隔混凝土墙作为支撑，混凝土用量要稍高，从结构受力角度上分析，圆形井筒外围土压力很大部分转换为地下连续墙环向轴力，地下连续墙受力以承压为主，地下连续墙含钢量也可优化，因此矩形井筒造价要高于圆形井筒，且外圈周长相同时，圆形井筒内部空间更大。

2.3.2 使用便利性

矩形井筒停、取车口比圆形井筒多，矩形井筒停、取车速度快，在早晚高峰时期使用更加方便。