井筒式地下车库自下沉沉井建造技术

2022-05-06康增柱罗晓青张雷刚刘光磊

隧道建设(中英文) 2022年4期

康增柱，罗晓青，张雷刚，，程允，，刘光磊

(1. 北京中岩大地科技股份有限公司，北京 100041； 2. 北京中岩智泊科技有限公司，北京 100041)

0 引言

随着经济的发展和人民生活水平的提高，现有停车设施的建设已经无法匹配汽车保有量的爆发式增长，由此导致的“停车难、乱停车”等现象也严重影响着人们的正常生活和出行[1-2]。根据国家发改委已发布的数据显示，我国大城市车辆与停车位的比例约为1∶0.8，中小城市约为1∶0.5，与发达国家的1∶1.3相比，我国停车位比例仍然偏低，停车设施建设有待完善。而当前土地资源越来越紧张，地上空间出现了供不应求、价格居高不下的局面，某些地区已经无地可用[3-5]。这种矛盾在老旧小区、胡同片区、核心商业区等停车资源缺乏的地区尤为突出。为解决城市核心地区的停车问题，通常采用的方法是在地面上建造机械式立体车库[6]，将平面停车立体化，提高单位面积的停车数量。但城市核心区通常建筑密集、空间匮乏，受采光、通风、景观、消防等限制，几乎很难有条件增设地上车位。

在土地紧张、场地受限的区域，修建井筒式地下智能车库是解决停车难问题的一个较好办法。在狭小区域开发地下井筒式空间，常采用沉井方式，但传统沉井工艺存在依靠自重下沉所需井壁厚度大、遇特殊地层下沉困难、下沉垂直度控制难度大，偏差难于调整等问题[7-10]。

为了解决传统工艺存在的问题，本文提出井筒式地下车库自下沉沉井建造技术，该技术能够充分挖潜利用地下空间资源建设地下立体停车库，为解决停车难题开辟了新的途径。井筒式地下车库自下沉沉井建造技术采用“装配式+自下沉沉井”技术施工，将装配式建筑的特点和自下沉沉井工艺相结合，采用工厂标准化生产预制片，质量可靠；现场拼装，能减少混凝土浇筑施工量，有效节约工期[11-12]。整个沉井施工过程无放坡、占地小、无需大型设备、施工速度快、安全性高、噪音小，对周边建筑和管线的影响降到最小。该技术借鉴生物界蠕虫理论，将蠕动前进的运动形式应用到沉井结构施工中。即将传统沉井井壁结构整体下沉的方式改进为单环或多环井壁结构分段跟进下沉，已经下沉的井壁结构能够为后续跟进下沉的井壁结构提供反力，达到自下沉的效果；井壁结构分段进行下沉，更易于实时调整姿态。

本文介绍井筒式地下车库自下沉沉井建造技术的设计要点及施工流程，并介绍该技术在北京市朝阳区某地下立体车库建设中的应用。该建造技术场地适应性强，可充分利用老旧小区、胡同片区、商业区、公园绿地周边的边角地块；建设模式的复制性强，总工期包含土建施工和设备安装、设备调试等阶段，可批量建造，施工速度快。

1 结构组成

1.1 结构整体组成

沉井结构由井壁结构及底板结构组成，井壁结构由多段环形结构竖向拼接组成，每段环形结构由多个预制井片结构首尾相连封闭组成。预制井片结构为平面或弧面结构，由钢筋混凝土结构、钢-混凝土组合结构或钢结构预制而成，同一段环形结构内的相邻预制井片结构之间可设置角撑，增强井壁结构的完整性。

预制井片结构内部设置有横向预留孔道及纵向预留孔道，横向预留孔道内能够容纳横向连接构件，横向连接构件能够将单独的一段环形结构内的多个预制井片结构拉紧并锁定。纵向预留孔道内能够容纳纵向连接构件，纵向连接构件能够将纵向分布的多段环形结构拉紧并锁定。横向连接构件采用预应力钢绞线或高强度螺栓，纵向连接构件采用预应力钢绞线(钢绞线可采用15-7φ5、12-7φ5等规格，高强螺栓可采用M30、M36等型号)。相邻预制井片结构通过横向连接构件及纵向连接构件的连接，形成完整牢固的井壁结构。

1.2 结构细部组成

1)预制井片结构上端面间隔设置有导向岛，下端面与导向岛对应位置处设置有导向槽，相邻上下段的预制井片结构通过导向岛与导向槽的配合，提高拼装效率。

2)预制井片结构周边设置有止水胶条，借鉴地铁盾构施工防水技术，通过外力的挤压作用，使得相邻预制井片之间止水胶条弹性变形，进而密闭缝隙，达到止水效果[13-14]。

3)沉井结构分段设置，每段由多个环形结构组成，每一段内的环型结构通过横向连接构件及纵向连接构件相互连接固定。相邻段环型结构之间设置承台结构，承台结构上下对称；在承台结构之间放置千斤顶，千斤顶在施工时起到向下顶推预制井片结构的作用。在承台结构所在的预制井片结构外侧设置有挡土水的钢环，防止施工过程中泥、水的进入。根据后期井壁结构内的净空要求，可对承台结构进行拆除[15]。

4)沉井结构下沉到设计位置后，将横向预留孔道及纵向预留孔道注浆封闭，使得横向连接构件及纵向连接构件与空气隔绝，以达到防腐耐久的设计要求。

5)底板为现浇钢筋混凝土结构，当井壁结构下沉到设计深度后进行底板结构浇筑，形成封闭的沉井结构。

6)沉井结构整体由预制的井壁结构及现浇的底板结构组成，通过防腐、防水等施工工艺，使用年限能够达到50年。

沉井结构具体形式如图1—7所示。

1—井壁结构； 2—底板结构； 3—环形结构； 4—预制井片结构； 7—横向连接构件； 8—纵向连接构件； 10—千斤顶； 14—穿心千斤顶。下同。

13—角撑； 16—注浆孔道。下同。

5—横向预留孔道； 6—纵向预留孔道； 11—导向岛； 18—止水胶条。下同。

图4 井壁结构俯视图

12—导向槽。

9—承台结构； 15—钢环。

17—刃脚结构。

2 施工步骤

自下沉沉井建造技术较常规沉井施工有较大不同，将传统沉井井壁结构整体下沉的方式改进为单环或多环井壁结构的分段跟进下沉。施工过程中，预应力钢绞线沿着井壁结构通长设置，预应力钢绞线下端与最底部预制井片结构下端面相连，上端与穿心千斤顶相连。穿心千斤顶与承台结构间的千斤顶通过交错的整体顶进，进行井壁结构的分段下沉。当发生不均匀沉降时，穿心千斤顶与承台结构间的千斤顶通过不均匀顶进，调整沉井结构姿态，纠正沉井结构下沉过程中的倾斜。

自下沉沉井建造技术具体包含以下步骤。

1)根据沉井结构深度，计算组成沉井结构井壁的环形结构所需段数。

2)工厂加工预制井片结构。

3)在沉井结构位置预挖300 mm深的基坑，基坑平面尺寸较井壁范围外扩100 mm，将坑底整平。

4)将预制井片结构运至现场，并在坑底拼装刃脚结构和首段环形结构的预制井片结构，钢刃脚顶面与坑底平齐，焊接成整体；预制井片结构之间首尾相连并用横向连接构件拉紧及锁定。

5)进行预制井片结构所围空间下部的土方开挖，使首段预制井片结构沉入地下。

6)拼装接高下一段环形结构，上下段环形结构的预制井片结构通过纵向连接构件连接。

7)预制井片结构所围空间下部的土方继续开挖，使加高的第2段预制井片结构沉入地下。

8)重复步骤7)，直至所有井壁结构沉入至指定深度。

9)当沉井结构的深度较大或下沉困难时，通过承台结构之间的千斤顶与钢绞线上端位置的穿心千斤顶相互配合完成预制井片结构的下沉。具体步骤如下：

①位于同一截面的多个承台结构之间的千斤顶同步工作，利用该截面千斤顶上部的所有环形结构所提供的反力，推动该截面千斤顶下部所有的环形结构下沉；

②承台结构之间的千斤顶解除工作；

③位于钢绞线上端位置的穿心千斤顶作用在最上部的环形结构的上端面，钢绞线下端与最底部预制井片结构下端面相连或与刃脚结构相连，穿心千斤顶工作，将钢绞线拉紧，进而将所有的井壁结构在纵向方向上拉紧；

④穿心千斤顶解除工作；

⑤重复步骤①—④，当所有井壁结构沉入至设计深度时，将钢绞线与最上部的环形结构进行锁定。

10)浇筑底板结构。底板结构为现浇钢筋混凝土结构，与首段环形结构下端面固定连接，形成封闭的沉井结构。

3 案例工程

3.1 工程概况

3.1.1 项目特点及方案比选

本项目位于北京市朝阳区某平面停车场内，为一新建地下智能停车库项目，由于施工场地小(仅约200 m2)、现场无材料加工场地、大型设备施工困难以及施工工期紧张等，现有的施工技术(包括基坑支护+顺做结构、普通沉井等)均不能满足施工要求，故采用 “装配式+自下沉沉井”技术施工。

3.1.2 周边环境条件

该项目建设场地地形基本平坦，四周除南侧有紧邻围墙外，其余三面较为开阔，距离建筑物较远。南侧围墙距基坑边线距离为0.5 m左右；围墙外侧地面下埋设有地下管线，包括污水管线和通信电缆，本侧的变形控制是施工过程中的重点。周边(南侧)环境见图8。

图8 周边(南侧)环境图

3.1.3 工程地质水文条件

勘察报告显示，25 m深度范围内除上部填土外，其余为新近沉积层和一般第四系冲积层，共分7大层。项目土体从上至下分别为： ①杂填土、②粉土、②1粉质黏土、③细砂、④粉质黏土、⑤细砂、⑥圆砾、⑦细砂。各层土体工程地质特性见表1。

表1 土体工程地质特性表

在勘察深度范围内共测得3层地下水。第1层地下水类型为上层滞水，主要赋存于②粉土层中，稳定水位埋深为3.0～3.2 m；第2层地下水类型为潜水，主要赋存于③细砂层中，稳定地下水位埋深为13.00 m；第3层地下水类型为承压水，主要赋存于⑤细砂、⑥圆砾、⑦细砂层中，稳定地下水位埋深为15.8 m。

本项目基底深度为地下12 m，位于③细砂层中，在第2层潜水之上1 m，故在设计和施工中不考虑该层水的影响。典型地层剖面见图9。

图9 典型地质剖面图

3.2 建筑设计方案

本项目设计为地下智能立体车库，根据用户需求设置SUV停车层及普通轿车停车层。采用市面较为成熟的垂直升降式机械停车设备，中部为电梯通道，两侧为停车位；同时采用梳齿交换的运输方式，可以有效地保护轮胎。

该智能车库有以下优点： 1)安全。存取车均在地面进行，由机械设备自动搬运至指定部位，人员无需下到地下，实现人车分流。2)高效。单次存取平均时间能够控制在90 s之内。3)简单。地面设置旋转盘，可以使车辆正进正出。

本项目平面占地面积约为73.95 m2(8.5 m×8.7 m)，深度为12 m，地下5层，建筑面积约为370 m2，地下车位数量为10个，单车位平面面积37 m2，单车位空间体积88 m3，相比传统自走车位平面面积节约15%～20% ，空间体积节约45%～55%(自走车位单车位平面面积为43～48 m2(含通道)，层高3.5～4.0 m)。车库平面和剖面分别见图10、图11。

图10 车库平面图 (单位： mm)

图11 车库剖面图 (单位： mm)

3.3 结构设计方案

3.3.1 设计原理

本项目根据自平衡下沉理论进行设计，充分利用土体的侧摩阻力，根据自平衡下沉的条件来确定中继间的位置，计算示意见图12。

下部结构顶进阶段：

G上+G下+F上>F下′。

(1)

上部结构跟进阶段：

G上+G下+F下>F上′。

(2)

式(1)—(2)中：G上为沉井上部结构自重；G下为沉井下部结构自重；F下为下部结构向下的摩阻力；F下′为下部结构向上的摩阻力；F上为上部结构向下的摩阻力；F上′为上部结构向上的摩阻力。

图12 计算示意图

3.3.2 设计参数及结果

本项目每环管片高度设计均为2 m，故将土层也按照2 m进行划分，具体的参数取值见表2。

表2 土体参数表

采用以上土体参数，根据承载力极限条件及正常使用条件，确定管片的厚度及配筋；再结合自平衡下沉的条件，确定中继间位置以及所需千斤顶的数量。

最终设计结果为：管片高度为2 m，管片厚度为350 mm，长度为7.85 m，管片质量约13 t；管片角部采用无缝钢管进行支撑，钢管型号Q235，直径219 mm，厚度为16 mm；中继间位置位于第2环与第3环管片中间，整环设计8个中继间，每个管片设计2个，安装中继间千斤顶，千斤顶满足顶力1 000 kN，行程200 mm。井筒结构见图13。

图13 井筒结构图 (单位： mm)

3.3.3 细部设计

1)水平连接。管片沿高度方向每500 mm设计1个连接件，采用高强螺栓进行连接。

2)竖向连接。管片竖向之间设置导向槽和剪力键，施工期间方便管片对准和就位，施工完毕之后抵抗水平土压力。

3)结构防水。本项目防水设计采用三元乙丙遇水膨胀止水胶条，胶条宽30 mm、高15 mm，嵌入管片的凹槽中，沿着管片四周进行布置。凹槽宽30 mm、高10 mm，留有5 mm压缩量，依靠沉井结构进行挤压防水。

3.4 自平衡下沉施工关键技术要求

土建结构施工采用自下沉沉井建造技术，1个标准层施工仅用4～7 d时间，包括井壁结构装配、钢支撑安装、土方开挖和井壁下沉等工序。相比于传统沉井施工技术，自下沉沉井建造技术在施工过程中应控制好以下关键技术。

3.4.1 管片预制及运输

预制管片为非规则形状，尤其是防水凹槽位置，对模板要求较高，需要控制模板的强度及刚度，确保管片达到设计要求。

管片质量大，运输、安装过程中需要注意成品保护，运输时严格控制成品管片的摆放方向，在管片之间增加橡胶防撞件，避免运输过程中的碰撞。

3.4.2 管片安装

1)管片采用吊车进行安装，由于管片质量较大，需要编制吊装方案，严格按照吊装方案进行吊装，吊装过程中有专人指挥，严禁超负荷吊装。

2)管片吊装就位后，须对临时固定装置进行检查，检查完毕之前，严禁摘除吊车吊钩。

3)管片对准就位之后进行测量检查，合格之后方能进行螺栓的施工。螺栓施工必须满足要求，禁止强行紧入以防螺栓截断。

3.4.3 土方开挖及下沉

合理划分挖土区域及步骤，遵循分层、分段、均衡对称的原则使管片均匀连续下沉。

本项目挖土分1、2、3共3个区域，挖土的顺序为 1—2—3；采用机械挖土、人工辅助的方法进行开挖，每个区域土层开挖遵循对称、平衡的原则，挖去土方400～500 mm。土方开挖分区见图14。

图14 土方开挖分区图

3.4.4 管片自平衡下沉控制

本项目在中继间布置1组共计8个液压千斤顶，负责下部管片的顶进；在顶部布置1组共计8个穿心千斤顶，负责上部管片的跟进。在顶进过程中须进行严格控制，通过分流器可对千斤顶进行分组控制，整体顶进下沉时，可将每环千斤顶划为一组，同步顶进；当出现偏差时，可将千斤顶分开进行纠偏顶进。

管片下沉过程中须进行实时监测，控制好下沉的姿态，出现偏差时须及时纠偏。本项目对沉井各个角点进行监测，在千斤顶每循环1个行程，对各个角点进行沉降观测。各个角点的沉降差在沉井过程中控制在20 mm之内。当超过该控制值时须及时进行纠偏，纠偏采用单边千斤顶顶进及下部掏土结合的方式。

3.4.5 沉井封底施工

1)沉井下沉至设计标高后，在封底之前应检验基底的地质情况是否与设计相符。基底应整平、无浮泥和残留物。

2)沉井下沉至设计标高时，应进行沉降观测，满足设计要求后方可封底。

3)采用素混凝土进行封底，须严格控制混凝土的塌落度及浇筑速度。

主要施工过程见图15—18。

图15 井壁结构拼装

图16 土方开挖

图17 井壁结构下沉

图18 结构主体完成

3.5 施工监测

3.5.1 监测项目及布置

主要监测项目有支撑轴力、沉井位移、周边土体沉降以及周边墙体沉降。其中，支撑轴力采用应变片进行监测，布置在一角的钢支撑上；沉井位移监测点布置在沉井结构的各角点上；周边土体沉降监测点放射性布置在沉井四周；周边墙体沉降监测点布置在围墙的基础上，布置范围为1倍的基坑深度。具体监测布置见图19。

图19 监测布置图

3.5.2 监测结果分析

通过分析以上监测点的监测结果，得到主要结论如下：

1)沉井过程中，各角点的沉降差最大为20 mm；沉井稳定后，各角点沉降差最大为6 mm，满足施工控制要求及设计要求。

2)支撑轴力随着管片的下沉有所波动，是由管片下沉中的不平衡导致，但整体呈增长趋势；最大轴力出现在最下层支撑处，支撑轴力达到1 200 kN,为设计值的60%左右。

3)由于周边场地较小，现场的机械施工对周边土体的监测影响较大，导致基坑北侧及西侧的监测点无法使用，只能对东侧监测点进行监测。分析数据可知，土体最大的沉降发生在距离沉井结构1 m处，土体沉降累计值达到25 mm；随着距离的增加，沉降值减小，在距离沉井结构12 m处，土体沉降累计值为4 mm，满足设计控制要求。

4)周边墙体监测为本次的重点，沉降监测情况见图20。通过监测数据可知，沉降最大点的位置对应沉井结构中部，然后向两侧递减，最大墙体沉井累计值为24 mm，最小墙体沉降累计值为 3 mm，两点间距为14 m，沉降差为0.15%，满足控制要求。但通过现场检查发现，墙体局部已经有裂缝产生，施工过程中对墙体进行了加固处理。