地铁上盖基坑围护设计及局部调整的经济性分析

胡 琦 何品品 方华建 邓以亮 朱海娣 冉 龙

1.浙江工业大学 浙江 杭州 310014；2.东通岩土科技股份有限公司 浙江 杭州 310019；3.杭州市地铁集团有限责任公司 浙江 杭州 310006

在土地资源日益紧缺的形势下，地铁车辆段上盖开发利用已成为一种趋势。在此类型建筑基坑工程中，要选用合理的围护结构，在达到支护效果的同时提高施工效率，并防止对下方地铁轨道造成影响。自21世纪来，拉森钢板桩在我国开始兴起并在工程建设领域发挥重要作用[1]。在周边环境保护要求较高的基坑工程中，灌注排桩、地下连续墙等传统基坑支护施工工艺因为工艺繁琐、工期较长、成本高、污染严重且更容易受地质条件制约等缺陷，已经很难满足目前的建筑项目工程需求[2]。拉森钢板桩结合H型钢兼作支护桩及止水帷幕，施工效率高，绿色环保，经济性好。同时采用预应力型钢组合支撑作为基坑水平内支撑来代替传统钢筋混凝土支撑的方法具有工期短、造价低等优点，而且材料可重复利用、对环境残留小[3]。

1 工程概况

1.1 工程简介

本工程项目建设用地面积为13 359 m2，总建筑面积为35 046.2 m2。工程由地面以上4幢5层办公楼、1幢6层办公楼和地面以下1层整体地下车库组成。结构均采用框架结构，楼屋面采用钢筋混凝土梁板体系。工程桩采用预制管桩，该工程±0 m＝5.10 m（黄海高程），自然地坪取4.30 m（即－0.80 m）。地下室底板结构标高－5.10 m（相对标高），设计坑底－5.50 m，即开挖深度4.70 m。项目基坑下方自西北方至东南方向有一条地铁线斜穿而过，场地东侧为项目空地及公园，南侧靠近街道，西侧、北侧均邻河。该基坑开挖深度小于5 m。依据浙江省地方标准DB33/T 1096—2014《建筑基坑工程技术规程》，定义基坑安全等级为三级，侧壁重要性系数γ0＝0.90。同时该段地铁规划埋深10 m左右，为避免基坑围护及工程桩对地铁隧道后期施工的影响，适宜采用HU复合型钢板桩及H型钢立柱等可拔除回收利用的材料。

1.2 工程水文地质条件

根据工程所在地的地质资料，结合外业勘探、室内土工试验以及地基土成因，项目涉及土层可分为①1杂填土、②粉质黏土、③淤泥质粉质黏土、④2粉质黏土与黏质粉土互层等地质层，部分土层缺失。

拟建工程场地内无地表水发育，接受大气降水补给，并以蒸发和向周边外侧河道径流的方式排泄。地表水对工程影响较小。拟建工程场地勘探深度内地下水按埋藏和赋存条件可分为第四系松散岩类孔隙潜水、第四系松散岩类孔隙承压水、基岩裂隙水三大类。

拟建场地地形较平坦，地势开阔，不良地质作用不发育，场地适宜本工程建设。

2 工艺介绍

2.1 工艺原理

拉森钢板桩是一种新型整体性和防水性能优异的钢板桩支护结构形式，适用于黏性土、粉土等基坑围护工程中。它利用打桩机及振动锤将钢板桩压入地下构成1道连续的板墙，作为深基坑开挖的临时挡土、挡水围护结构[4-5]。拉森钢板桩墙具有较好的隔水效果，但抗弯能力较弱，H型钢强度高却难以形成防水的连续墙，U型拉森钢板桩结合H型钢形成的HU复合型钢板桩综合了两者优点，具有较好的支护止水效果（图1）。预应力型钢组合支撑是利用高强螺栓将多根型钢组合成1榀支撑并施加预应力来达到支护效果的一种支撑形式。

图1 HU复合型钢板桩示意

2.2 施工质量控制

2.2.1 HU复合型钢板桩

1）施工前应进行试桩，H500型钢桩尺寸为500 mm×300 mm×11 mm×18 mm，钢材为Q235。

2）孔位放样误差小于2 cm，桩身垂直度要求不大于1/200。

3）H500型钢桩必须控制好下沉速度，下沉速度一般为1 m/min。

4）施工流程：场地平整→测量放线→开挖沟槽→安装定位型钢→H500型钢桩施工。

5）H500型钢宜采用坡口焊接，质量要求不低于二级。另外，单根焊接接头不宜超过2个，焊接位置应避开弯矩最大处。

6）H型钢在地下结构完成后予以回收，故在成桩及浇筑压顶梁混凝土时施工单位应考虑相应的回收措施，如施工前在型钢表面涂抹型钢起拔减摩剂。拔除时建议采用跳拔的方式，在拔出H型钢的同时及时对H型钢留下的缝隙填灌黄砂或注浆。

7）型钢桩的回收方法：采用振动锤拔桩，先利用振动锤产生的强迫振动，扰动土质，破坏型钢桩周围土的黏聚力以克服拔桩阻力，再依靠附加起吊力的作用将桩拔除。

8）U型拉森钢板桩应采用专业机械打设，控制U型拉森钢板桩的平直度，并采用屏风式打入法。

9）打桩前，对U型拉森钢板桩进行逐根检查，剔除锈蚀、变形严重的U型拉森钢板桩，不合格者待修整后才可使用。打桩前，在U型拉森钢板桩的迎土面涂油脂，以方便打入、拔出。在插打的过程中随时测量监控每根桩的斜度不超过2%，当偏斜过大不能用拉齐方法调整时，应该拔起重打。

10）遇打桩阻力较大、不易贯入时，应及时分析原因，调整打桩工艺或机械，不得强行打入。

11）基坑施工结束且土方回填后，拔出并回收U型拉森钢板桩，同时对拔出后的孔洞采用灌砂回填。

2.2.2 预应力型钢组合支撑

1）预应力型钢组合支撑须由专业施工单位施工。除注明外，钢材均采用Q345b，焊条采用E43型；钢支撑采用H350 mm×350 mm×12 mm×19 mm型钢；立柱采用H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型钢；横梁采用H300 mm×300 mm×10 mm×15 mm型钢；材料采用无变形、无裂纹的结构专用材料；型钢支撑构件应提供产品合格证明及加工制作图，施工前应现场检验几何尺寸和外观，经监理单位验收合格后，方可使用；支撑横梁在相邻2根立柱之间不得有焊缝，横梁兼作支撑间拉梁时接头处应加强。

2）型钢支撑的安装应该遵循先主要构件、后次要构件的原则，宜按围檩、立柱、支撑牛腿、托梁、三角传力件和型钢支撑的顺序进行，尽快形成封闭受力体系并施加预应力。

3）支撑构件上严禁堆载。

4）支撑的预应力施加应按照设计要求分级进行。施加预应力前，应对油压千斤顶、油表等设备进行标定，施加预应力时应检查每个节点的连接情况，并做好施加预应力的记录。

5）构件间采用10.9级M24高强螺栓连接，螺栓材料为20MnTiB，施加预拉力为250 kN。高强螺栓使用前应全数目测检查，并组成连接副。高强螺栓紧固宜分2次进行，初拧扭矩值为终拧的50%～70%。钢支撑预应力施加完毕后，拧紧松弛的螺栓。

6）在围檩安装后要对型钢组合式内支撑进行变形量监测，施加预应力之前、之后都应该进行监测，且保持每周至少一次的监测频率。

7）支撑安装允许偏差：两端中心线的偏心误差控制在20 mm以内，两端安装就位后的标高差取20 mm和整道支撑长度6%中的较小值，整体挠曲度小于0.1%跨度，轴线偏差控制在30 mm以内。三角传力件安装允许偏差：轴线偏差为－10～10 mm，顶面标高偏差为－5～5 mm。

8）基坑施工过程中应加强对支撑系统的巡查，对巡查发现的问题要及时整改。

3 基坑支护方案

3.1 基坑具体支护方案设计

项目1层地下室基坑开挖深度4.4～4.9 m，地下室边线到用地红线除了东边均小于4 m，北面最小距离1.14 m，西边最小距离1.27 m。桩锚、大放坡、复合土钉墙等支护方式均存在超越用地红线的问题，结合安全性、经济性、施工速度及场地条件等多方面因素，适宜采用桩墙＋1道水平内支撑的支护方式。

该项目为1层地下室，预计施工工期不超过6个月。经测算，采用HU复合型钢板桩（H500型钢结合拉森钢板桩）兼作支护桩及止水帷幕的工程造价低于采用SMW工法桩，且施工速度更快，因此本项目适宜采用HU复合型钢板桩（H500型钢结合拉森钢板桩）兼作支护桩及止水帷幕。工程基坑形状较为规则，在保证基坑安全的前提下，应尽量缩短施工工期，减小基坑开挖对周边环境的影响，水平内支撑适宜采用预应力组合型钢支撑。

基坑最终支护方案：HU复合型钢板桩（H500型钢结合拉森钢板桩）兼作支护桩及止水帷幕结合1道预应力型钢组合水平内支撑（图2、图3）。

图2 围护平面布置

3.2 施工流程

图3 基坑典型剖面

本工程支护方案施工流程：施工工程桩、立柱→施工HU复合型钢板桩→分块开挖土体至压顶梁底标高→设桩顶坡面及地表混凝土面层，并设好地表排水明沟及集水井→施工压顶梁和预应力型钢组合支撑→待压顶梁强度达到设计强度，预应力型钢组合支撑施加预应力后，分层分块挖土至地下室底板底标高→人工边修土边设底板垫层，并设好坑底集水井→挖地槽至承台及地梁底标高，并立即设好垫层及砖胎模→设好二次围护措施，挖坑中坑土体至设计标高，并立即设好垫层→地下室基础、底板传力带施工→待底板、底板传力带强度达到设计强度后，拆除预应力型钢组合支撑→回填土方至设计标高→回收HU复合型钢板桩并注浆→向上作业。

4 围护工程局部调整及经济性分析

在现有围护设计方案的基础上，需要考虑：场地内所有型钢立柱做拔除处理，并提供地下室底板处理节点做法；地下室北面中间段凹口处围护做拉直处理，并进行经济性分析。

4.1 型钢立柱拔除

原设计方案中的型钢立柱，除地铁范围内以外均按不可回收进行报价（共79 t）。由于本项目为1层地下室、型钢立柱不可回收部分占比较大，如能拔除，应具有较好的经济性。为便于底板以下型钢立柱的拔除回收，型钢立柱与地下室底板的节点，需按图4进行处理（且底板洞口需按结构设计进行处理）。

图4 型钢立柱穿底板示意

另外，我们对底板以下型钢立柱不可回收与可回收这2个方案进行了经济性对比（对比过程略）。从方案对比结果可知，型钢立柱全部回收在经济上是可行的，能节约18万元左右的造价。

4.2 地下室北面中间段凹口处围护拉直处理

原地下室边线在北面存在2个凹口，其他部位紧贴基坑边线，具体见图2。该部位围护拉直将导致HU工法桩和压顶梁的数量减少、支撑梁（板）取消，但也会导致土方开挖量和底板素混凝土传力带数量的增加。另外，因底板传力的要求，该部分土方留置的可能性很小，由此将造成费用的增加。经计算，北侧围护边线拉直将增加约2.6万元费用，但拉森钢板桩及型钢的使用期为4个月，如超期使用一个月的话，拉直的处理是合适的，毕竟缩短了围护工程施工周期，减少了打拔及破混凝土工程量。

5 结语

HU复合型钢板桩结合预应力型钢组合支撑作为基坑的围护体系，能很好地控制基坑土体及围护结构位移，止水性能好，保证干施工作业环境。相比较SMW工法桩与钢筋混凝土支撑，该围护体系具有绿色环保、节约成本、施工快捷、周期短的特点。本文通过工程实例，介绍了HU复合型钢板桩结合预应力型钢组合支撑的支护形式在地铁上盖建筑基坑中的应用，结合实际情况对围护工程做了局部调整并分析其经济性，为类似邻地铁保护区域的基坑工程围护设计提供了参考。